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科技農業的進行式— 植物工廠發展沿革與台灣推動現況

科學月刊_96
・2013/05/15 ・3770字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

以現代設施監控環境,進行定期、定品質、定量之作物生產,植物工廠能於有限空間中達到高效產能,為前景可期的新式產業。

文 / 方煒(任教台灣大學生物產業機電工程學系)

十八世紀思想家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712~1778) 說「在所有技術中為第一,也最值得尊敬的就是農業」,農業提供人類生存所需的糧食,是最根本的產業。然而現今農業的發展,遭遇前所未有的挑戰,依據聯合國人口署的預估,2050 年的全球人數將達91.7 億,屆時糧食供應量將是極大問題。目前全球的可耕地已經用了80%,但約有15 億公頃的可耕地,受全球暖化、氣候變遷的影響,面臨海平面上升的威脅。依據聯合國環境規劃署的統計,每年有600 萬公頃的土地變成沙漠,約1000 萬公頃的土地因沙漠化而喪失經濟價值。同時鄉村人口往城市移動,農村的城鎮化、都市建設與環境汙染等問題,造成耕地以每年500~700 萬公頃的速度在減少。

提高單位面積產能是現階段農業發展的關鍵任務,現階段透過植物工廠立體化栽培可用最小的土地面積生產最大量的種苗或短期蔬菜。如此可避免受到風災、雨災等的影響,逐年擴大產能更可避免產銷失衡,避免現地耕除的浪費,更可逐年減少對農業災害損失的補貼,滿足消費者對食物安全的最基本需求。

何謂植物工廠

植物工廠指的是在設施內透過控制植物之生長環境(光、環境、濕度、二氧化碳濃度、養分、水分等條件)進行栽培,並對植物生長環境及生育狀況加以觀察,配合高度環境控制及生育預測,使蔬菜等植物可進行全年性、計畫性生產的栽培設施。稱為「工廠」是因為此農業生產模式將不受天候影響,具備定期、定品質、定量生產農作物的特點,頗類似於工業界的量產工廠。

植物工廠可分為兩種型態,一為「完全人工光源型」植物工廠,其特徵為在封閉環境中不使用太陽光照射,並且控制環境進行全年計畫性生產;日本為此類型植物工廠的先進國家。二為「太陽光利用型」植物工廠,特徵為在溫室等半封閉環境中,基本上利用太陽光進行照射,但在雨天、陰天時進行補光,並利用控制夏季高溫等技術進行全年計畫性生產;此外,「太陽光利用型」植物工廠中,有使用人工光源者以「太陽光與人工光源併用型」植物工廠稱之,荷蘭為此類型植物工廠的先進國家。

植物工廠絕對是有魅力的產業,其生產模式的最大魅力在於作物的安全性,由於在屋內採水耕培育,沒有蟲害問題,完全不需噴灑農藥,更不需擔心重金屬汙染。消費者即使不清洗也能直接食用。消費者可在百貨公司、高級超市的蔬菜區和高級餐廳都能買到標榜「不需清洗即可食用」、「安全、安心」、「耐存放」的產品。所謂「安全、安心」的指標就是標榜二無二低的無農藥、無重金屬、低生菌數與低硝酸鹽,這樣的產品放諸目前全球的市場,絕對是使消費者安心的暢銷產品。

植物工廠發展沿革

人工光源型植物工廠始於1957 年丹麥的Kristensen 農場,十字花科植物水芹(cress,荷蘭傳入)的嫩芽生產。在美國,1970 年代初期的General Electric 公司,1980 年代的General Foods 公司、General Mills 公司皆展開人工光源型植物工廠的運作,但此三家皆因收支不平衡而在1990 年代停止運作。

自然光型植物工廠的運作始於1960 年代初期奧地利Rusuna 公司的立體式植物工廠,荷蘭的設施園藝大型化、自動化、資訊化則是自1970 年代至今穩定發展,至1990 年代之後,與「自然光型植物工廠」名稱相符的植物工廠生產系統開始大規模地運作。

日本植物工廠的研究始於1974 年,由當時就讀東京大學農學院的高倉直及當時隸屬日立製作所中央研究所的高辻正基展開。「植物工廠」一詞始於1985 年筑波科學技術萬國博覽會上植物工廠的實證展示中,接著1986 年成立日本植物工廠學會,2006 年此學會與日本生物環境調節學會合併成立日本生物環境工學會。

早期人工光源型植物工廠的發展主要針對隔熱材、自動化設備、光源種類與效率、空調設備效能等。近年來亦針對栽培環境的控制技術(包括光環境溫濕度控制,特別是二氧化碳補充技術)、養液調整技術、排水技術、培地調整技術、培地容器技術、移動技術、整列技術、播種與收穫省力化技術等做更精進的研究。所有研究的重點分別針對產品品質提升、生長促進、栽培環境最適化、收穫率提升、病害預防等方面。

日本近期發展植物工廠的策略

各國發展可量產短期蔬菜的植物工廠早已是趨勢,尤以日本為最積極,同樣位於東亞的台灣、韓國與中國緊追在後。2009 年,日本農林水產省總合糧食局長與經濟產業省經濟產業審議官成立的「農工商聯合研究會」下設立了「植物工廠工作小組」,編列150 億日圓預算帶動近年的第三波植物工廠熱潮。根據三菱綜合研究所的調查,2009 年4 月時日本的人工光源型植物工廠共有34 廠,太陽光、人工光併用型植物工廠共有16 廠,生產的品目為以生菜類、香草類為主的葉菜蔬菜、花卉(玫瑰、聖誕紅、長壽花)、番茄和草莓的嫁接苗等。到2012 年3 月止,日本植物工廠已增加至120 處。圖一為位於日本福井縣的Fairy Angel 廠內部,該廠為日產8000株萵苣的完全環控型植物工廠;目前日本最大者為日產14000 株的廠。

圖一:Fairy Angel 廠內部的栽培區。

日本植物工廠的發展是以政府帶頭投資農業,連帶帶動工商業。為了落實在地生產、在地銷售的環保理念,都會鄰近郊區也有不少店面採取生產與行銷一體的新商業模式,簡稱店產店銷。在這些店鋪中,面對馬路為銷售店面,地下室或二樓或緊鄰的店鋪後端為允許參觀的生產區,每日量產當日可以銷售的生鮮蔬菜,完全去除了運輸的需求,食品里程數可以最小化;允許消費者參觀的透明生產模式,更是提高消費者對產品的信心。

台灣植物工廠的發展現況

台灣的量產型植物工廠起步甚早於中韓兩國,尤其具備全環控精密溫室的發展條件,最具代表性的高經濟價值的作物為蝴蝶蘭種苗與梗苗的栽培,為成功的產業模式(圖二)。近年來熱門的植物工廠以研究規模的完全人工光型植物工廠為主,企業與學界合作進行的也多是此類型設施。主要栽培短期葉菜類,近期藥用植物與香料作物亦頗受矚目,小型觀賞作物也是可行的選項。

圖二:國內蘭花催花溫室的栽培現場。

台灣具備發展植物工廠的優勢,台灣本身的半導體產業發達,相關產業舉凡空調、無塵室、隔熱資材、節能燈具、控制系統、滅菌技術、機電設備等廠商眾多,這些也都是建構植物工廠需要的設備。近年有諸多業者紛紛投入完全人工光控制型植物工廠進行研究,同時亦有廠商專注於小型化,開發研究型、店鋪型專用的小型植物工廠(圖三),甚至將其家電化、家具化,走入社區或家庭(圖四)。

圖三:北部某結合植物工廠概念的餐廳,圖為餐廳內作物栽培區的一角。
圖四:2010 年台北國際花卉博覽會展出之店鋪型或研究型的小型植物栽培層架。

台灣過去在80年代推動溫室水耕栽培,曾經成為風潮,但後續一間間關廠。主要原因在於夏季無法栽培、蔬菜口感不佳等問題。但這些因素都不會在植物工廠內重現。譬如夏季無法栽培的主因在於溫度,尤其是因為水溫提高造成溶氧量降低,植物根系無法呼吸導致容易腐敗。口感不佳則是養液配方的問題,一成不變的高氮肥配方,容易造成硝酸鹽與亞硝酸鹽含量過高,缺乏回饋控制的灌溉與營養管理模式,當然栽培的蔬菜口感差。細菌感染問題也困擾過去的業者,但這些都已有方法解決。

某些消費者心中有著「植物工廠內無土栽培的蔬菜缺乏日月精華的滋潤,是不健康蔬菜」的迷思。其實太陽光的波長範圍為300~3000 奈米,但與植物生長及生育相關的波長範圍為350~750 奈米,約占全太陽光能的50%,人工光源只要所發出的光在此範圍內,100%的光能都對植物行光合成作用有幫助,植物若能獲得充分的光量,就能健康成長。反之,露天或溫室內經常發生光量太低或太高的狀況,再加上濕度及空氣流速也較難控制,又因其容易遭受病蟲害入侵,得需施用農藥,反而不一定能培植出健康的植物。而在營養成分或濃度方面,和栽培環境有很大的關連,因地、因時、因人可能造成品質極大差異。透過植物工廠穩定的栽培模式反而能保證品質,培植出營養成分高於室外栽培的植物。若營養成分濃度不高,那是由於環境控制方法不合適,或是由於比起營養成分,栽種者更加重視植物的顏色、口感、味道、香氣等因子。

至於糧食作物栽培現階段在植物工廠栽培仍有限制。通常糧食作物所需要的光量偏高,以人工光源栽培尚不符成本。例如稻米、黃豆等植株高度較高,馬鈴薯的產物在地下,都不適合以立體化栽培為主的植物工廠。但是用來生產水稻苗、黃豆芽、馬鈴薯種薯等種苗,由於體積小且生長期短,投入資源的利用效率最高,最適合優先發展。同時使用在育林、沙漠綠化、能源植物、機能性植物的種苗在各國的需求量大增,這些種苗有可能成為國際貿易商品,植物工廠的種苗生產不受地理或氣候因素影響,可望確立其國際標準技術。

結論

植物工廠並非萬能,考慮經濟效益,只有高單價、栽培期短且體積小的植株才適合。以種苗為栽培對象,更可以與溫室業者結合,依季節供應更健壯的種苗,更具國際商機。現階段植物工廠的造價高,各國皆然,台灣的工商業界整合能力強,完全有實力開發相關產品外銷。植物工廠產業的興起對於傳統農業從業人員應該更是一個機會,工商業界有多人對植物工廠抱有高度的興趣,他們所缺的是栽培相關的關鍵技術,透過農工商的融合,植物工廠可以是一個新的產業,更可發展成服務業的型態,不僅可以在農村創造新的商機提供就業機會,更有機會讓年輕人回到農村,投入農業的行列,讓農村再生,讓農業振興,開創三農的新生機。

原刊載於《科學月刊》第四十四卷第五卷

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科學月刊_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》