「膜」はどのようにして持続可能な植林を促進するのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

光合成は、植物、藻類、およびいくつかの特殊な細菌が太陽のエネルギーを使用して二酸化炭素と水を有機物に変換し、酸素を放出するプロセスです。このプロセスは、自身の成長に必要な栄養素を供給するだけでなく、大気中の温室効果ガスの蓄積をある程度遅らせることができるため、地球温暖化と戦うのに役立ちます。

干ばつ環境は、根の損傷、光合成の阻害、水分の不均衡、成長の制限など、植物の成長に大きな影響を与え、最終的には植物の収穫量の減少につながり、生態系と生物多様性の安定性に脅威をもたらします。

中国の砂漠面積は60万平方キロメートルを超え、世界最大の砂漠面積を持つ国の一つとなっている。砂漠に植物を植えることは、砂を固定し、風を防ぎ、土壌浸食を減らすだけでなく、温室効果ガスを消費し、地球温暖化対策に大きく貢献します。では、乾燥した砂漠で植物を育てるにはどうすればいいのでしょうか?

砂漠の植物

（写真提供：veerフォトギャラリー）

膜の何がそんなに不思議なのでしょうか?

2024年5月21日、中国の科学者らは、気候変動における「水・食料・エネルギー」関係の問題を解決すると期待される、植物の光合成を促進する放射冷却膜に関する論文をネイチャー・サステナビリティ誌に発表した。

研究結果はネイチャー・サステナビリティ誌に掲載された。

（画像出典：Nature Sustainability誌）

著者らはモデリングを通じて、純放射エネルギー入力が植物の成長と強い関係があり、純放射エネルギー入力が温度変化率および水分損失率と密接に関連していることを突き止めました。これを基に著者らはサンドイッチ構造の光合成活性放射冷却フィルム（PRCF）を作製した。

PRCF は、ポリジメチルシロキサン (PDMS) 放射層、最適化されたフォトニック結晶層、およびポリアクリルアミド (PAM) ハイドロゲル層で構成されています。ポリジメチルシロキサン層は中赤外線放射率が高く、最大限の放射冷却を実現できます。フォトニック結晶層は光合成に適した光を選択的に透過し、光合成を促進することができる。ポリアクリルアミド層は曇りを防ぎ、水蒸気の凝縮による遮光効果を回避します。

光合成活性放射冷却膜の設計と特性評価。

a.乾燥地で植物を育てる際の課題。 b.温度変化率と水分損失率および純放射率の関係。紀元前PRCF の使用による効果図。 d.太陽光透過率と中赤外線放射率および波長の関係。 e、f。 PRCF の概要。 g、h、i、j。 PRCFの特性

（画像出典：参考1）

光合成活性放射冷却フィルムの冷却効果と節水効果を検証するために、著者らは、ポリ塩化ビニル（PVC）フィルム、紫外線近赤外線（UV-NIR）フィルターで覆われた土壌、および覆われていない土壌を使用して、屋外温度制御実験を実施しました。

実験結果によると、PRCF によって透過される植物の光合成に有効な太陽光のレベルは、ポリ塩化ビニル (PVC) フィルムと紫外線近赤外線 (UV-NIR) フィルターの 2 つの対照群と同程度ですが、他の波長の太陽光の入力は大幅に減少する可能性があります。

さらに、PRCF は中赤外線波長での放射エネルギー出力が高く、放射熱負荷の軽減に役立ちます。 PRCF 実験グループの最低気温は 35.4°C で、UV-NIR フィルター、PVC フィルム、カバーなしのシナリオよりもそれぞれ 2.4°C、4.6°C、1.9°C 低かった。 PRCF は、紫外線-近赤外線 (UV-NIR) フィルター、ポリ塩化ビニル (PVC) フィルム、およびカバーなしのコントロール グループと比較して、水分の蒸発を抑える優れた能力を示しました。

PRCF は受動的に冷却して水分の蒸発を抑える機能があり、乾燥した暑い環境での植物の成長条件の改善に役立ちます。研究者らは、世界的に見て、乾燥地の植物にフィルムを貼ると、フィルムを貼らない場合に比べて炭素吸収量が約40％増加し、気候温暖化の緩和にプラスの効果があると推定している。

光合成活性放射冷却フィルムの冷却・節水性能

PRCF のパフォーマンスをテストするために使用される機器の写真。 b.さまざまなカバー材料のスペクトルグラフ。紀元前さまざまなカバーフィルムによる太陽光の透過と吸収。 d.異なる温度における異なる被覆材料の中赤外線エネルギー出力。 e.異なる被覆材料のエネルギーフローパワー。 f、g。異なる被覆フィルム条件下での気温と土壌温度の比較。 h.異なる被覆フィルム条件下での水分損失率

（画像出典：参考1）

二酸化炭素を消費する方法は他に何があるでしょうか?

海水による吸収：海洋は自然界における重要な二酸化炭素貯蔵庫です。海水は溶解や海洋生物の代謝を通じて二酸化炭素を消費し、大気中の二酸化炭素濃度を調節する重要な役割を果たしています。

海

（写真提供：veerフォトギャラリー）

微生物の代謝：細菌やプランクトンは二酸化炭素を炭素源として利用し、有機物を合成することで炭素を固定し、大気中の二酸化炭素濃度を低下させます。微生物は土壌、水、その他の環境に広く存在し、二酸化炭素の消費に重要な影響を及ぼします。

化学変換: 炭素回収・貯留 (CCS) 技術などの化学的方法により、産業排出源から CO2 を分離し、地下または他の安全な場所に貯留することができます。このアプローチにより大気中の二酸化炭素濃度を大幅に削減できますが、多大な技術投資と政策支援が必要です。

植物を植えると二酸化炭素が減少する

（写真提供：veerフォトギャラリー）

結論

地球温暖化への対応として、二酸化炭素の消費と温室効果ガスの排出削減が急務となっています。植物の光合成から海洋の炭素吸収源、微生物の代謝、そして人間の技術の革新的な応用に至るまで、私たちは温室効果に対処するための自然と人間の知恵のたゆまぬ努力を目撃してきました。

しかし、こうした努力は決し​​て十分ではないことを認識しなければなりません。温室効果ガスの排出削減という目標を真に達成するためには、社会全体の共同の参加と継続的な努力が必要です。身の回りの小さなことから始め、エネルギーを節約し、排出量を減らし、再生可能エネルギーを推進し、低炭素生活を提唱し、地球環境の保護に貢献しましょう。

参考文献:

1.Li, J.、Jiang, Y.、Liu, J. 他光合成活性放射冷却フィルム[J]。ナットサステイン、2024年。

2. 張源輝、王偉強、陳立綺。海洋二酸化炭素に関する研究の進展[J]。地球科学の進歩、2000年、15(5)。

3. Tao Yuxuan、Guo Liang、Gao Cong、他。二酸化炭素固定のための微生物の代謝工学に関する研究の進歩[J]。化学産業進歩、2023年、42(1)。

4.Mackay E. 炭素回収貯留（CCS）におけるCO2の注入、移動、捕捉のモデル化[J]。 2013年。