科研進(jìn)展
  • 三古專輯《全新世南海珊瑚礁環(huán)境氣候變化記錄》出版

      近日,由中國科學(xué)院南海海洋研究所副研究員楊紅強(qiáng)聯(lián)合中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員鄧文峰、中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所研究員晏宏和南京大學(xué)教授張飛飛共同組織的專輯《全新世南海珊瑚礁環(huán)境氣候變化記錄》(Environmental and climatic changes records in coral reefs of the South China Sea during the Holocene),在國際地學(xué)期刊《古地理學(xué)、古氣候?qū)W、古生態(tài)學(xué)》(Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)上全部正式出版。本專輯是多學(xué)科聯(lián)合協(xié)作、共同努力的成果,匯集了南海珊瑚礁研究諸多前沿科學(xué)問題,是目前南海珊瑚礁地質(zhì)和環(huán)境演變最新研究進(jìn)展的集中展示。
      南海是西太平洋最大的邊緣海,其氣候的季節(jié)–年際變化受到東亞季風(fēng)和ENSO的強(qiáng)烈影響,重建全新世以來南海氣候環(huán)境演變,對了解我國乃至東亞地區(qū)氣候環(huán)境演變規(guī)律意義深遠(yuǎn)。南海珊瑚礁廣泛發(fā)育,珊瑚礁的造礁石珊瑚、硨磲貝殼、沉積物等是記錄熱帶海洋氣候環(huán)境的絕佳載體,因此南海珊瑚礁在熱帶海洋氣候環(huán)境演變研究方面具備得天獨(dú)厚的條件。目前,基于珊瑚骨骼的全新世南海氣候環(huán)境演變研究成果豐碩,但南海全新世珊瑚礁發(fā)育模式及特征氣候時期的高分辨率記錄依然缺乏,珊瑚礁對氣候環(huán)境變化的適應(yīng)性演變機(jī)制仍不清楚。
      圖1 南海九章群礁生長了近300年的濱珊瑚發(fā)生白化記錄了2020年6-7月的高溫事件
      本專輯聚焦南海珊瑚礁演變和環(huán)境氣候變化,旨在加深對南海全新世環(huán)境氣候變化及其驅(qū)動機(jī)制的認(rèn)識。專輯共收錄24篇研究論文,內(nèi)容涉及:(1) 全新世南海溫鹽、降雨和上升流變化等古氣候環(huán)境演化的高分辨率珊瑚礁地球化學(xué)記錄(Tao et al., 2022; Chen et al., 2022; Wang et al., 2022; Guo et al., 2023; Cui et al., 2022; Li et al., 2023; Liu et al. 2023; Lin et al., 2023);(2)珊瑚礁重建古ENSO活動(Tan et al., 2022; Zhou et al., 2022; Chen et al., 2023);(3)珊瑚礁對古風(fēng)暴活動的記錄(Gong et al., 2022; Tan et al., 2023; Zhao et al., 2023);(4)珊瑚島礁的形成及演化(Liu et al., 2022; Zhao et al., 2022; Sun et al., 2023; Zhou et al., 2023);(5)珊瑚礁早期碳酸鹽成巖作用(Zhang et al., 2022; Yang et al., 2023);(6) 珊瑚非傳統(tǒng)金屬同位素記錄和環(huán)境指示意義(Wei et al., 2022; Lin et al., 2022; Li et al., 2022);(7)珊瑚礁脂類生物標(biāo)志物的環(huán)境記錄(Zhu et al., 2022)7個主題。研究成果加深了南海全新世古氣候、古環(huán)境及自然狀態(tài)和人為干預(yù)下珊瑚礁發(fā)育過程的認(rèn)識,并有助于準(zhǔn)確預(yù)測珊瑚礁對未來氣候變化的適應(yīng)性,對我國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)措施的制定提供理論依據(jù)。
     ?。≒alaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology)即《古地理學(xué),古氣候?qū)W,古生態(tài)學(xué)》簡稱“三古”,系創(chuàng)刊于1965年的地球科學(xué)類國際性知名學(xué)術(shù)期刊,由愛思唯爾(Elsevier)出版集團(tuán)發(fā)行,2022年中國科學(xué)院SCI分區(qū)為地球科學(xué)大類2區(qū)TOP期刊。本專輯部分研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2022YFC3102402和2021YFC3100603),中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA13010103),國家自然科學(xué)基金項目(42272181和41506061)的聯(lián)合資助。
      專輯鏈接:https://www.sciencedirect.com/journal/palaeogeography-palaeoclimatology-palaeoecology/special-issue/10C65FD723S
      
    2023-07-28
  • 深圳先進(jìn)院等設(shè)計了一種新型“人工光細(xì)胞”構(gòu)建方法
    研究人員構(gòu)思了在大腸桿菌的周質(zhì)空間中定向合成CdS半導(dǎo)體材料,為其裝上納米光伏顆粒的外殼,合成新型生物界面的設(shè)計思路。
      將高效吸收光能的半導(dǎo)體材料與高選擇性催化的活細(xì)胞集成,合成一種新的人工體系(“人工光細(xì)胞”),利用微生物的優(yōu)異胞內(nèi)催化能力將半導(dǎo)體吸收的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,可潛在大幅提高人工光合作用的效率和特異性生產(chǎn)復(fù)雜化合物的能力,為光驅(qū)生物制造技術(shù)提供新的路徑。然而,半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的是電子,細(xì)胞利用的能量為生物能(ATP和(NADP)H),因此必須將電子轉(zhuǎn)化為生物能才能實現(xiàn)新技術(shù)路徑。由于細(xì)胞膜磷脂雙分子層絕緣性,致使半導(dǎo)體材料光生電子極難進(jìn)入細(xì)胞,與胞內(nèi)生物電子交匯并轉(zhuǎn)化為生物能的效率低。因此如何將光生電子高效轉(zhuǎn)化為細(xì)菌可用的生物能是目前亟需解決的問題。 
      細(xì)菌胞內(nèi)的生物電子沿著位于細(xì)胞內(nèi)膜上的氧化呼吸鏈傳遞向下游傳遞,在內(nèi)膜建立跨膜質(zhì)子梯度,從而驅(qū)動ATP合酶產(chǎn)生ATP。周質(zhì)空間是位于細(xì)菌內(nèi)外膜之間的狹窄空間,如果能將半導(dǎo)體納米顆粒定向在周質(zhì)空間內(nèi)合成,光生電子可在物理空間更接近氧化呼吸鏈,有利于光生電子進(jìn)入氧化呼吸鏈并傳遞,進(jìn)而驅(qū)動ATP的合成。我們應(yīng)該如何在細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成納米材料,構(gòu)建獨(dú)特材料-細(xì)菌雜合體呢?
      近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組與芝加哥大學(xué)田博之課題組報道一種新型“人工光細(xì)胞”構(gòu)建方法,將半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生電子有效轉(zhuǎn)化為生物能,使不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物有效利用光能。研究團(tuán)隊受自然界中材料-生物界面的啟發(fā):例如,厘米尺度的動物鱗片與表皮細(xì)胞,微米尺度鈣板金藻外殼材料與細(xì)胞之間,均形成具有保護(hù)功能的外殼材料。所以,研究人員構(gòu)思了在大腸桿菌的周質(zhì)空間中定向合成CdS半導(dǎo)體材料,為其裝上納米光伏顆粒的外殼,合成新型生物界面的設(shè)計思路。
      團(tuán)隊通過在大腸桿菌周質(zhì)空間靶向合成半導(dǎo)體材料(納米光伏顆粒),將半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的電子高效轉(zhuǎn)化為細(xì)菌胞內(nèi)的生物能。具體來說,研究者在通過大腸桿菌在胞內(nèi)利用半胱氨酸(Cys)合成H2S, 因H2S具有極高的膜通透性(比水分子高3個數(shù)量級),可快速擴(kuò)散至周質(zhì)空間并與攝入到周質(zhì)空間的Cd2+反應(yīng),形成相應(yīng)的CdS納米顆粒外殼。 科研團(tuán)隊使用基于同步加速器的3D-X射線熒光光譜(3D X-ray fluorescence)和描透射電子顯微鏡 (STEM)確認(rèn)大腸菌成功合成CdS納米顆粒;制備材料-細(xì)菌雜合體的超薄切片,通過STEM分析,發(fā)現(xiàn)CdS納米顆粒主要分布在周質(zhì)空間內(nèi),大小約為29.3 nm,其結(jié)晶度低;進(jìn)一步利用超聲破碎細(xì)胞、溶劑提取和分散細(xì)菌中的CdS納米顆粒,發(fā)現(xiàn)其大小僅為6 nm左右,且結(jié)晶度提高,說明周質(zhì)空間原位合成納米顆??赡転槎鄠€CdS“納米團(tuán)簇(nanoclusters)”(約5個),其結(jié)晶度降低,但依然賦予了生物雜合體熒光特性,熒光成像和熒光光譜表明周質(zhì)空間合成的CdS納米團(tuán)簇是亞穩(wěn)態(tài)的,主要是無序和富含缺陷的聚集體。 
      為了研究CdS形成的機(jī)制,研究人員對周質(zhì)空間原位合成CdS納米團(tuán)簇的細(xì)菌進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中與H2S合成相關(guān)的基因(cysK、dcyD、cysM、metB、metC和sufS等)、外排泵相關(guān)基因(tolC、cueO和macA等)都顯著上調(diào),表明Cd2+被細(xì)菌吸收進(jìn)入周質(zhì)空間和胞內(nèi),胞內(nèi)的Cd2+通過細(xì)菌外拍泵又被轉(zhuǎn)移至周質(zhì)空間(降低重金屬離子對細(xì)胞的毒性),而H2S具有極高的細(xì)胞膜穿透能力,快速從胞內(nèi)進(jìn)入周質(zhì)空間,與Cd2+反應(yīng)合成CdS納米顆粒。因此,CdS在大腸桿菌的周質(zhì)空間內(nèi)形成。
      轉(zhuǎn)錄組還顯示周質(zhì)空間內(nèi)合成CdS的細(xì)菌雜合體在光照的條件下,與氧化呼吸鏈相關(guān)的基因(包括甲酸脫氫酶、NADH脫氫酶、甘油醛-3-磷酸脫氫酶、丙酮酸氧化酶、d -乳酸脫氫酶和葡萄糖脫氫酶)和ATP合成酶相關(guān)基因均顯著上調(diào),表明CdS吸收光能產(chǎn)生的電子加速了細(xì)菌氧化呼吸鏈電子傳遞速率,因此可能提高ATP的合成。為了驗證這一推測,研究人員對雜合體胞內(nèi)ATP濃度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)雜合體在光照條件下比黑暗條件下的ATP高8.1倍,并應(yīng)用于提高ATP推動的合成途徑的代謝通量。 
      相關(guān)成果發(fā)表在國際高水平學(xué)術(shù)期刊Science Advances(科學(xué)進(jìn)展)上,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)院合成生物學(xué)研究所高翔研究員和芝加哥大學(xué)的田博之教授為本文的通訊作者,芝加哥大學(xué)林藝良(現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)助理教授)、史久昀和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馮煒為本文第一作者。該工作獲得了深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目的支持。
      原文鏈接
      細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成納米光伏顆粒實現(xiàn)光生電子到生物能高效轉(zhuǎn)化
      周質(zhì)空間空間定向合成CdS納米團(tuán)簇
      細(xì)菌周質(zhì)空間定向合成CdS納米顆粒機(jī)制解析
      周質(zhì)空間-半導(dǎo)體生物界面的光生電子與氧化呼吸鏈偶聯(lián)驅(qū)動半人工光合作用
      
    2023-07-26
  • 太平洋經(jīng)向模態(tài)的位相非對稱性及其對ENSO的影響獲揭示

      近日,中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室(LTO)/ 全球海洋和氣候研究中心(GOCRC)王春在研究員團(tuán)隊研究了太平洋經(jīng)向模態(tài)(PMM)的位相非對稱性及其對厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)的影響。研究成果以博士后范漢杰為第一作者、王春在研究員為通訊作者、中山大學(xué)楊崧教授為合作作者發(fā)表在國際期刊Geophysical Research Letters上。
      PMM是太平洋最為強(qiáng)盛的熱帶外海洋-大氣模態(tài)之一,與發(fā)生在熱帶的ENSO之間存在密切的相互作用。PMM活動能夠引起赤道的緯向風(fēng)異常,配合熱帶的海洋-大氣耦合能夠推動同位相的ENSO事件發(fā)生;而ENSO相關(guān)的赤道中太平洋海溫異常則能夠通過激發(fā)熱帶外的大氣波動從而激發(fā)/維持同位相的PMM事件。PMM事件除了由熱帶海溫激發(fā)以外,還可能由熱帶外的隨機(jī)大氣活動(如北太平洋濤動NPO等)引起;因此PMM可以根據(jù)其發(fā)生原因分為繼發(fā)型(由熱帶海溫激發(fā))和偶發(fā)型(由熱帶外隨機(jī)大氣活動激發(fā))兩類事件。這樣的兩類事件分別對ENSO事件起到了“維持”和“觸發(fā)”的作用,即分別有助于持續(xù)型(連續(xù)多年的)和片段型(由中立爆發(fā)的)ENSO事件的發(fā)生,從而加強(qiáng)了ENSO轉(zhuǎn)換復(fù)雜性。那么,兩類PMM事件是否有不同的特征,并對ENSO事件轉(zhuǎn)換造成影響呢?
      針對以上問題,本研究采用再分析資料和CESM耦合模式模擬數(shù)據(jù)對兩類PMM事件進(jìn)行了對比分析,發(fā)現(xiàn)兩類事件強(qiáng)度的位相非對稱性呈相反特征(圖1)。繼發(fā)型PMM事件通常在負(fù)位相比較強(qiáng)(非對稱性為負(fù));而偶發(fā)型PMM事件則是在正位相可能發(fā)展為更大的強(qiáng)度(非對稱性為正)。進(jìn)一步診斷表明,繼發(fā)型事件的負(fù)非對稱性是由其觸發(fā)因子(赤道中太海溫)的負(fù)非對稱性造成的;而偶發(fā)型事件的觸發(fā)因子(中緯度隨機(jī)大氣活動)基本對稱,但由于PMM在正位相的增長效率更高而表現(xiàn)出正非對稱特征。
      圖1. 繼發(fā)型(左列)和偶發(fā)型(右列)PMM事件強(qiáng)度的位相非對稱性。
      第一行為觀測結(jié)果,第二行為CESM控制試驗結(jié)果。散點(diǎn)圖橫坐標(biāo)為冬季熱帶中太平洋海溫指數(shù),縱坐標(biāo)為次年春季的副熱帶東北太平洋海溫指數(shù),黑色散點(diǎn)為所有事件,紅(藍(lán))色散點(diǎn)是正(負(fù))事件合成,紅(藍(lán))色數(shù)字為正(負(fù))事件個數(shù)。柱狀圖為正負(fù)事件的概率分布圖。
      基于以上結(jié)果,本研究進(jìn)一步指出兩類PMM事件除了分別助推“持續(xù)型”和“片段型”ENSO事件發(fā)生以外,還由于其相反的非對稱性造成ENSO正負(fù)事件(厄爾尼諾/拉尼娜)在轉(zhuǎn)換上表現(xiàn)出差異。繼發(fā)型PMM事件的負(fù)非對稱性有助于更多的“持續(xù)型”拉尼娜事件發(fā)生,而偶發(fā)型PMM事件的正非對稱性則有助于更多的“片段型”厄爾尼諾事件發(fā)生(圖2)。
      圖2. PMM位相非對稱性對ENSO轉(zhuǎn)換復(fù)雜性及其正負(fù)差異的貢獻(xiàn)。
     ?。╝)“持續(xù)型”,“轉(zhuǎn)換型”和“片段型”厄爾尼諾/拉尼娜事件個數(shù)。(b)正偶發(fā)型PMM事件和“片段型”厄爾尼諾事件的個數(shù)和重疊情況。(c)負(fù)繼發(fā)型PMM事件和“持續(xù)型”拉尼娜事件的個數(shù)和重疊情況。
      本研究強(qiáng)調(diào)了熱帶-熱帶外相互作用的重要性,因此需要跳出赤道從更大的研究視角理解太平洋的海洋-大氣相互作用和ENSO的機(jī)制與預(yù)測。研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金青年項目等共同資助。
      相關(guān)論文信息:Fan, H., C. Wang*, & S. Yang, 2023: Asymmetry between positive and negative phases of the Pacific Meridional Mode: a contributor to ENSO transition complexity. Geophys. Res. Lett., 50, e2023GL104000.
      文章鏈接:http://dx.doi.org/10.1029/2023GL104000 
      
    2023-07-27
  • 南海海洋所團(tuán)隊在毒素-抗毒素系統(tǒng)的無抗篩選應(yīng)用方面取得重要成果并實現(xiàn)轉(zhuǎn)化

      近日,中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實驗室(LMB)研究員王曉雪團(tuán)隊與上海細(xì)胞治療集團(tuán)合作,以細(xì)胞/基因治療臨床需求為導(dǎo)向,開發(fā)了一種利用毒素-抗毒素系統(tǒng)作為克隆篩選標(biāo)記的小骨架質(zhì)粒載體并命名為太質(zhì)粒(Tiniplasmid)。這一毒素-抗毒素(TA)系統(tǒng)應(yīng)用方面的最新成果發(fā)表在在微生物工程應(yīng)用類經(jīng)典期刊Metabolic Engineering上。博士研究生陳喆為論文的第一作者,副研究員姚建云為論文的共同第一以及共同通訊作者,王曉雪為論文的主要通訊作者。
      抗生素抗性基因作為最重要的篩選標(biāo)記在DNA克隆,質(zhì)粒發(fā)酵以及預(yù)防菌株污染等方面廣泛應(yīng)用,但由于抗生素使用引發(fā)的安全性問題,抗性基因在食品與藥品等領(lǐng)域的使用受到嚴(yán)格限制,尤其是在基因治療和DNA疫苗研發(fā)方面。鑒于上述原因,研發(fā)高效且安全的篩選系統(tǒng)來取代抗性基因的使用在臨床研究中顯得尤為重要。TA系統(tǒng)由具有明顯細(xì)菌毒性的毒素以及能夠拮抗其毒性的抗毒素編碼組成,具有開發(fā)成新型篩選系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。本研究中,我們將攜帶誘導(dǎo)型啟動子的毒素基因整合到工程菌的基因組上,通過誘導(dǎo)毒素來篩選和生產(chǎn)攜帶抗毒素的重組太質(zhì)粒。通過測定不同家族毒素的殺菌活性來評估其作為篩選標(biāo)記的潛力。研究發(fā)現(xiàn)ParE家族毒素具有明顯的殺菌活性,且其對應(yīng)的抗毒素能夠通過直接的蛋白-蛋白相互作用來拮抗其細(xì)胞毒性,該TA系統(tǒng)與抗生素系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)目寺『Y選效率以及DNA質(zhì)粒得率。
      以質(zhì)粒為載體的細(xì)胞基因治療與病毒載體相比,具有安全性、工藝簡單、低成本等優(yōu)勢,但質(zhì)粒骨架的大小對真核細(xì)胞轉(zhuǎn)基因效率有很大的影響,縮小質(zhì)粒骨架對于提升轉(zhuǎn)基因效率具有重要意義。綜合毒素殺菌能力以及抗毒素大小的優(yōu)勢,我們選取了珊瑚共生菌來源的TA系統(tǒng)Rs_0636/Rs_0637作為目標(biāo)TA系統(tǒng),成功研發(fā)了最小骨架小于500bp的無抗太質(zhì)粒系統(tǒng),在本系統(tǒng)太質(zhì)粒中抗毒素基因僅編碼50個氨基酸(153 bp),太質(zhì)粒比常規(guī)的pUC57質(zhì)粒骨架小1000 bp。在上海細(xì)胞治療集團(tuán)開展的轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的真核細(xì)胞轉(zhuǎn)基因測試中,基于該系統(tǒng)開發(fā)的太質(zhì)粒在轉(zhuǎn)基因表達(dá)效率方面比目前商業(yè)化的載體相比更具優(yōu)勢,且通過安全性評估也表明該系統(tǒng)在基因治療和DNA疫苗的研發(fā)中具有非常好的應(yīng)用潛力。
      課題組前期在質(zhì)粒編碼的TA 系統(tǒng)的功能研究方面取得了一系列成果,并實現(xiàn)了相關(guān)專利的轉(zhuǎn)化。
      以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目、上海市浦江計劃、科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等的資助。
      圖1. 利用毒素-抗毒素系統(tǒng)Rs_0636/ Rs_0637作為篩選標(biāo)記在真核轉(zhuǎn)基因表達(dá)中的應(yīng)用
      相關(guān)論文信息:Zhe Chen#, Jianyun Yao#*, Pingjing Zhang, Pengxia Wang, Songwei Ni, Tao Liu, Yi Zhao, Kaihao Tang, Yan Sun, Qijun Qian, Xiaoxue Wang* (2023) Minimized antibiotic-free plasmid vector for gene therapy utilizing a new toxin-antitoxin system. Metabolic Engineering. 79, p86-96.
      文章鏈接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37451534/ 
      
    2023-07-27
  • 首個紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布

      近日,由中國科學(xué)院南海海洋研究所牽頭主導(dǎo)編制的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)程》(T/CI 103—2023)由中國國際科技促進(jìn)會標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會批準(zhǔn)發(fā)布、實施,并已在全國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)信息平臺發(fā)布(www.ttbz.org.cn);該標(biāo)準(zhǔn)為我國首個紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),有望解決目前紅樹林低溫生態(tài)修復(fù)無技術(shù)規(guī)程可依的局面,進(jìn)一步促進(jìn)紅樹林北移有序發(fā)展。
      紅樹林生態(tài)系統(tǒng)處于海陸動態(tài)交界面、周期性遭到海水浸淹的潮間帶環(huán)境,作為獨(dú)特的海陸邊緣生態(tài)系統(tǒng),在自然生態(tài)平衡中起著特殊的作用。紅樹林具有很高的生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)價值,尤其在發(fā)展近海漁業(yè)、凈化環(huán)境和固碳增匯等方面。
      近年來,由于全球氣候變化導(dǎo)致氣候異常頻發(fā),紅樹林處在海洋與陸地的交錯帶,紅樹林可能是首先受全球氣候變化影響的海洋生態(tài)系統(tǒng)之一,如2008年初我國南方地區(qū)遭遇了50年以來罕見的長時間的強(qiáng)降雪及冰凍災(zāi)害,我國南方沿海紅樹林遭受重創(chuàng)。因此,如何加快恢復(fù)受損紅樹林已成為國際海洋科學(xué)亟需解決問題之一,為了改變紅樹林退化和消失現(xiàn)狀,紅樹林的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)已經(jīng)成為了國際紅樹林研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)內(nèi)容。
      目前,我國現(xiàn)有2.7萬公頃紅樹林,具有巨大的固碳、儲碳潛能,對于踐行2023年4月10日國家主席習(xí)近平考察湛江金牛島紅樹林的重要指示精神(紅樹林是國寶,要像保護(hù)眼睛一樣保護(hù)紅樹林)、牢固樹立綠水青山就是金山銀山的理念,紅樹林生物資源保護(hù)和發(fā)展將助力國家“雙碳戰(zhàn)略”實施。迄今為止,國內(nèi)外都沒有紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)程,為了規(guī)范受損低溫生境紅樹林生態(tài)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用,迫切需要制定紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)程,進(jìn)一步指導(dǎo)紅樹林低溫生態(tài)修復(fù)生產(chǎn)實踐,促進(jìn)我國乃至南亞、東南亞紅樹林生態(tài)保護(hù)和生物資源可持續(xù)發(fā)展,助力國家海洋生態(tài)文明和國家“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展。
      《紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)程》中確立了紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)的原則、技術(shù)流程和種苗質(zhì)量控制等,描述了檢查驗收、檔案及監(jiān)測與評價的規(guī)則。 
      該標(biāo)準(zhǔn)所提出的技術(shù)規(guī)程力求符合實際、便于操作,并符合國家有關(guān)法律法規(guī)的要求。確保了紅樹林生態(tài)修復(fù)工作有標(biāo)可依,填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)空白,為海洋生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支撐,促進(jìn)紅樹林生態(tài)修復(fù)工作發(fā)展,提升紅樹林的生態(tài)健康水平和功能服務(wù)效果。該規(guī)程適用于全國范圍內(nèi)適用于低溫環(huán)境紅樹林的生態(tài)修復(fù)與重建。 
      團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制的主要工作由中國科學(xué)院南海海洋研究所王友紹紅樹林研究團(tuán)隊完成,廣東湛江紅樹林國家級自然保護(hù)區(qū)管理局、溫州市洞頭區(qū)海洋與漁業(yè)發(fā)展研究中心等為該標(biāo)準(zhǔn)的參與編制單位。該標(biāo)準(zhǔn)的編制得到中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(美麗中國生態(tài)工程)、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國際伙伴計劃和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項目的資助和技術(shù)支持。
      浙江溫州紅樹林抗低溫生態(tài)修復(fù)技術(shù)示范區(qū)
      
    2023-07-27
  • 廣州能源所在秸稈能源化綠色循環(huán)技術(shù)體系落地推廣取得關(guān)鍵進(jìn)展
    我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量為8.6億噸左右,綜合利用量為6.5億噸左右,其中直接還田占61.8%。由于秸稈自然腐解速度緩慢,長期直接還田會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)松弛,產(chǎn)生過大的間隙,造成弱苗死苗,同時秸稈攜帶的病原菌和蟲卵有可能傳播到新生作物,導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。目前,秸稈離田高值化利用已納入國家發(fā)展規(guī)劃。《<“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃>發(fā)改環(huán)資[2021]969號》提出,鼓勵秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用,開發(fā)新材料新產(chǎn)品,提高秸稈飼料、燃料、原料等附加值。
      我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)生量為8.6億噸左右,綜合利用量為6.5億噸左右,其中直接還田占61.8%。由于秸稈自然腐解速度緩慢,長期直接還田會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)松弛,產(chǎn)生過大的間隙,造成弱苗死苗,同時秸稈攜帶的病原菌和蟲卵有可能傳播到新生作物,導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。目前,秸稈離田高值化利用已納入國家發(fā)展規(guī)劃?!?lt;“十四五”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃>發(fā)改環(huán)資[2021]969號》提出,鼓勵秸稈離田產(chǎn)業(yè)化利用,開發(fā)新材料新產(chǎn)品,提高秸稈飼料、燃料、原料等附加值。  
      構(gòu)建糖平臺是木質(zhì)纖維素生物煉制的關(guān)鍵所在,其中預(yù)處理過程能耗高、廢液產(chǎn)生量大、拆解效果欠佳,是限制產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。中國科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)生化轉(zhuǎn)化研究室長期從事農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維素原料生化轉(zhuǎn)化制備生物燃料或化學(xué)品的理論研究與技術(shù)開發(fā)。研究室針對低能耗的堿預(yù)處理技術(shù),克服其廢液產(chǎn)量大且難以處置的技術(shù)瓶頸,開發(fā)出了低水耗和低廢液產(chǎn)生量的工藝技術(shù)體系,與傳統(tǒng)堿預(yù)處理工藝相比,節(jié)約水耗80%以上,廢液產(chǎn)生量低于15%。為降低甚至消除剩余廢液的處置成本,針對不同農(nóng)作物的生長需求,通過長期的作物盆栽、水培等實驗,開發(fā)了液態(tài)有機(jī)肥調(diào)配及施用技術(shù),并與韶關(guān)市曲江騰睿農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司開展合作,以稻稈堿預(yù)處理廢液調(diào)配液開展了第一期水稻大田種植試驗。  
      7月23日,研究室主任王忠銘研究員及亓偉研究員、王聞副研究員和研究生許露瑤一行4人前往試驗田參與第一期水稻收割評估工作。有機(jī)肥種植的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量通常為化肥的一半左右,經(jīng)現(xiàn)場稱重,試驗田的水稻畝產(chǎn)是化肥田的67.8%,達(dá)到試驗預(yù)期?;谠撛囼炛芷谑┓逝c種植管理數(shù)據(jù),調(diào)配升級秸稈堿預(yù)處理液,正在進(jìn)行第二期水稻種植試驗。稻稈堿預(yù)處理液水稻種植田間試驗的成功,為農(nóng)作物秸稈能源化、高值化綠色循環(huán)技術(shù)體系的落地推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。
       
      施用稻稈液態(tài)肥后水稻在栽培全周期的生長狀況
      評估現(xiàn)場
      
    2023-07-26
  • 華南植物園發(fā)現(xiàn)中國熱帶森林土壤和水分酸度降低
    自2000年以來,中國的酸沉降呈下降趨勢。雖然這可能有助于減輕森林土壤和水的酸化,但酸性敏感的森林是否能夠恢復(fù)以及在多大程度上能夠恢復(fù),尤其在中國提出“雙碳”目標(biāo)的背景下,中國南方采取各種減排措施后,對中國熱帶地區(qū)土壤和水從以前嚴(yán)重酸化中恢復(fù)及其長期模式的相關(guān)研究仍十分有限。土壤pH恢復(fù)的滯后性可能與土壤中鋁/鐵-羥基硫酸鹽礦物的溶解和隨后的硫解吸對土壤酸中和能力、土壤有機(jī)質(zhì)增加以及氣候變暖有關(guān),同時也可能被增加的交換性鋁和產(chǎn)生質(zhì)子的羥基硫酸鹽礦物溶解所減緩。圖.酸沉降與森林土壤和水關(guān)系概念圖。
       
      自2000年以來,中國的酸沉降呈下降趨勢。雖然這可能有助于減輕森林土壤和水的酸化,但酸性敏感的森林是否能夠恢復(fù)以及在多大程度上能夠恢復(fù),尤其在中國提出“雙碳”目標(biāo)的背景下,中國南方采取各種減排措施后,對中國熱帶地區(qū)土壤和水從以前嚴(yán)重酸化中恢復(fù)及其長期模式的相關(guān)研究仍十分有限。
      中國科學(xué)院華南植物園鼎湖山站列志旸博士在劉菊秀研究員的指導(dǎo)下,依托鼎湖山站2000-2022年長期監(jiān)測數(shù)據(jù),對中國南亞熱帶地區(qū)3種不同演替階段的森林(馬尾松林、針闊混交林、季風(fēng)常綠闊葉林)土壤、水和酸性氣體(SO2和NOx)的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,三種森林類型的土壤pH從3.9(2000-2015年)增加至4.2(2016-2022年),土壤交換性酸表現(xiàn)為先下降后穩(wěn)定。在整個研究期間,地表水和地下水的pH逐漸升高,自然林土壤pH的恢復(fù)強(qiáng)于人工林。然而,與降雨pH的增加相比,土壤pH的恢復(fù)落后約十年。土壤pH恢復(fù)的滯后性可能與土壤中鋁/鐵-羥基硫酸鹽礦物的溶解和隨后的硫解吸對土壤酸中和能力、土壤有機(jī)質(zhì)增加以及氣候變暖有關(guān),同時也可能被增加的交換性鋁和產(chǎn)生質(zhì)子的羥基硫酸鹽礦物溶解所減緩。地表水和地下水的pH值恢復(fù)與水的酸中和能力增加有關(guān)。該研究充分利用了鼎湖山站長期監(jiān)測的水質(zhì)、土壤、氣體等數(shù)據(jù),報導(dǎo)了酸沉降減少后酸化土壤和水恢復(fù)的潛力,并為酸敏感森林的功能恢復(fù)提供新的見解,體現(xiàn)了長期監(jiān)測在科學(xué)研究中的重要作用。
      相關(guān)研究結(jié)果已近期發(fā)表在Environmental Science & Technology(《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》)(IF2022=11.4)上。華南植物園列志旸副研究員為論文的第一作者,劉菊秀研究員為論文的通訊作者。該項研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃等資助。論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.est.3c01416
      圖. 酸沉降與森林土壤和水關(guān)系概念圖
      
    2023-07-26
  • 南海未來海洋熱浪時空變化特征及其物理機(jī)制獲揭示

      近日,中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室(LTO)/全球海洋和氣候研究中心(GOCRC)王春在研究員團(tuán)隊探究了在未來強(qiáng)西北太平洋副熱帶高壓事件增多情景下,南海夏季海洋熱浪(MHWs)的時空變化特征及其物理機(jī)制。研究成果以碩士研究生宋強(qiáng)華為第一作者、姚玉龍博士和王春在研究員為共同通訊作者發(fā)表在國際著名期刊Geophysical Research Letters上(中科院一區(qū),IF=5.2)。
      海洋熱浪是指發(fā)生在海洋中的極端高溫事件,給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重威脅,例如珊瑚礁白化、海草床和海藻林面積減少等,從而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。受異常西北太平洋副熱帶高壓的影響,我國南海尤其是南沙群島和北部灣海域經(jīng)常發(fā)生長時間、高強(qiáng)度的海洋熱浪事件,是引發(fā)南海珊瑚礁白化的重要原因。基于不同模式以及不同情景下的西北太平洋副熱帶高壓研究表明,未來強(qiáng)西北太平洋副熱帶高壓事件有明顯的增加趨勢。那么,未來南海海洋熱浪對強(qiáng)西北太平洋副熱帶高壓事件增加是如何響應(yīng)的呢?
      基于此,本研究使用衛(wèi)星觀測海溫數(shù)據(jù)、再分析資料和CMIP6模式數(shù)據(jù)預(yù)估了未來南海夏季海洋熱浪的時空變化特征。研究結(jié)果表明未來增加的強(qiáng)西北太平洋副熱帶高壓事件主要影響南海夏季海洋熱浪的總天數(shù)。與歷史時期(1982-2020年)相比,未來南海夏季海洋熱浪總天數(shù)高值區(qū)(>50天)的面積顯著增加。到本世紀(jì)末,南海夏季海洋熱浪總天數(shù)大約可以達(dá)到34天/夏季。與此同時,南海夏季海洋熱浪的平均持續(xù)時間也有顯著增加,在本世紀(jì)后半葉,單次海洋熱浪事件最長可以貫穿整個夏季(圖1)。
      圖1. 基于CMIP6模式數(shù)據(jù)所得到的2021年至2100年南海夏季海洋熱浪平均持續(xù)時間的變化(左列柱狀圖)以及所對應(yīng)的代表性事件的時間序列(右列圖)。
      當(dāng)未來西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)時,由于反氣旋環(huán)流所造成的異常東風(fēng)將減弱南海夏季西南季風(fēng),使得南海表面風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)應(yīng)力旋度減小,抑制南海中南部的上升流。缺少了上升流所帶來的冷卻效應(yīng),南海海表溫度將快速升溫,從而導(dǎo)致南海夏季海洋熱浪事件的增加。而當(dāng)南海出現(xiàn)持續(xù)性海洋熱浪事件時,高溫海水會增強(qiáng)表面蒸發(fā),增加潛熱損失;同時加強(qiáng)對流,從而導(dǎo)致大量對流云的形成,進(jìn)而降低太陽輻射(圖2)。這種海溫-云負(fù)反饋機(jī)制將南海夏季海洋熱浪的平均強(qiáng)度限制在一個較低的范圍,因此未來南海夏季海洋熱浪的平均強(qiáng)度對西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)的響應(yīng)較弱。
      圖2. 海溫-云負(fù)反饋機(jī)制示意圖
      本研究得到了國家自然科學(xué)基金重大項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金青年項目等共同資助。
      相關(guān)論文信息:Song, Q., Yao, Y., & Wang, C. (2023). Response of future summer marine heatwaves in the South China Sea to enhanced western Pacific subtropical high. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL103667.
      網(wǎng)址:https://doi.org/10.1029/2023GL103667
      
    2023-07-24
  • 廣州地化所:大別山輝石巖流體包裹體內(nèi)的礦物碳酸鹽化和非生物甲烷合成

      將富鎂、鐵、鈣等二價離子的礦物和二氧化碳反應(yīng)形成碳酸鹽的礦物碳酸鹽化,不僅是自然界形成顯著碳匯的主要過程,也是地質(zhì)碳封存的潛在技術(shù)手段?;?超基性巖里的橄欖石、輝石、角閃石和斜長石等是常見的富鎂、鐵、鈣的礦物,且它們易于反應(yīng),其碳酸鹽化最為高效。但是,目前對于除橄欖石外其它礦物碳酸鹽化反應(yīng)的認(rèn)識還相對有限。此外,基性礦物蝕變時鐵可能會發(fā)生氧化,這時水會被還原成氫氣,這些氫氣可以進(jìn)一步和二氧化碳通過費(fèi)托類反應(yīng)合成甲烷等烷烴;蛇紋石化就是這樣的一個典型實例。在基性礦物碳酸鹽化時,也有可能通過類似的過程合成非生物甲烷。由于甲烷不僅顯著影響碳的地球化學(xué)循環(huán),還是全球變暖效應(yīng)數(shù)十倍于二氧化碳的溫室氣體,因此限定不同基性礦物碳酸鹽化時甲烷合成的情況十分重要,然而目前對這方面的研究還十分缺乏。
      針對上述問題,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所巖石學(xué)學(xué)科組張龍副研究員、王強(qiáng)研究員及其合作者近期對大別山碰撞后輝石巖內(nèi)不同基性礦物中的流體包裹體進(jìn)行了詳細(xì)的巖石學(xué)研究。這些碰撞后輝石巖地幔源區(qū)含有再循環(huán)的碳酸鹽組分,其結(jié)晶時不僅形成了方解石,還出溶了富二氧化碳的巖漿流體,被橄欖石、輝石、角閃石和磷灰石等礦物捕獲形成流體包裹體(圖1和2)。當(dāng)輝石巖發(fā)生緩慢冷卻后,和流體包裹體接觸的寄主基性礦物變得不穩(wěn)定,發(fā)生原位碳酸鹽化反應(yīng),而磷灰石內(nèi)的流體包裹體則保持不變。流體包裹體內(nèi),橄欖石碳酸鹽化生成了菱鎂礦、滑石、磁鐵礦和甲烷;斜方輝石碳酸鹽化主要生成了菱鎂礦、滑石、方石英和甲烷;單斜輝石碳酸鹽化生成了方解石、白云石、陽起石、滑石、方石英/石英和甲烷;角閃石碳酸鹽化主要生成了方解石、白云石、綠泥石、云母、滑石、方石英/石英、金紅石、鈉長石同質(zhì)異象和甲烷。
      在上述觀察的基礎(chǔ)上,通過質(zhì)量平衡限定了流體包裹體內(nèi)不同基性礦物碳酸鹽化的反應(yīng)。自然界和地質(zhì)碳封存時的礦物碳酸鹽化可能會發(fā)生和上述流體包裹體內(nèi)相似的反應(yīng),產(chǎn)生類似的次生物相。而且上述碳酸鹽化反應(yīng)都是包含鐵鎂固溶體的滑動反應(yīng),因此這些反應(yīng)不僅適用于大別山輝石巖這種基性巖體系,也適用于橄欖巖等超基性巖體系。此外,上述流體包裹體中甲烷的存在表明,不同基性礦物在富二氧化碳流體存在的情況下發(fā)生高程度碳酸鹽化時,仍能發(fā)生鐵的氧化并合成甲烷,而并非如前人認(rèn)為的那樣二價鐵會快速進(jìn)入碳酸鹽不發(fā)生氧化。橄欖石碳酸鹽化時鐵的氧化主要通過生成磁鐵礦發(fā)生,而輝石和角閃石碳酸鹽化時不生成磁鐵礦。電子能量損失譜分析表明次生含水礦物具有比輝石和角閃石更高的三價鐵含量,因此輝石和角閃石碳酸鹽化時鐵的氧化受含水礦物控制。通過對比鐵的氧化程度,可以發(fā)現(xiàn)橄欖石碳酸鹽化時二氧化碳還原為甲烷的比例最高,輝石次之,角閃石最低??傮w而言,不同基性礦物碳酸鹽化時能合成一定的非生物甲烷,這可能會影響碳的地球化學(xué)循環(huán);而在地質(zhì)碳封存時則需要通過選擇合適的反應(yīng)物和反應(yīng)條件以盡量避免甲烷的產(chǎn)生。
      圖1 大別山輝石巖中不同基性礦物和磷灰石里流體包裹體的顯微照片。
      圖2 大別山輝石巖中不同基性礦物里流體包裹體的拉曼面掃圖,比例尺為20微米。
      相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際地球化學(xué)知名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。該研究獲得了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(XDB41000000)以及國家自然科學(xué)基金(42021002和42172057)等項目的聯(lián)合資助。
      論文信息:Zhang L. (張龍), Wang Q. (王強(qiáng)), Xian H. (鮮海洋), Zhou J.-S. (周金勝), Ding X. (丁興), Li W.-C. (李萬才), 2023. Carbon mineralization and abiotic methane synthesis within fluid inclusions in mafic minerals from postcollisional pyroxenite. Geochimica et Cosmochimica Acta 356, 38–50.
      論文鏈接
      
    2023-07-21
  • 廣州能源所在富氮有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵氨抑制機(jī)理方面取得進(jìn)展
    中國科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室在階梯性提高氨濃度的厭氧發(fā)酵過程中,從產(chǎn)氣性能、關(guān)鍵產(chǎn)甲烷反應(yīng)的吉布斯自由能、能量及物質(zhì)流動、微生物群落演替及微生物電子傳遞活性等方面全面揭示了氨抑制機(jī)理。
      畜禽糞便、餐廚垃圾等富氮有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵過程中常發(fā)生氨抑制,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷性能下降。為深入揭示氨抑制機(jī)理,中國科學(xué)院廣州能源研究所生物質(zhì)能生化轉(zhuǎn)化研究室在階梯性提高氨濃度的厭氧發(fā)酵過程中,從產(chǎn)氣性能、關(guān)鍵產(chǎn)甲烷反應(yīng)的吉布斯自由能、能量及物質(zhì)流動、微生物群落演替及微生物電子傳遞活性等方面全面揭示了氨抑制機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),隨著氨濃度增加,甲烷產(chǎn)量降低,發(fā)酵體系內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸積累,丙酸、丁酸降解甲烷化反應(yīng)的吉布斯自由能變值升高,由發(fā)酵原料流向甲烷的能量顯著減少(圖1)。  
        
      圖1氨對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能、關(guān)鍵反應(yīng)自由能、能量及物質(zhì)流動的影響  
      此外,產(chǎn)酸菌的相對豐度顯著高于產(chǎn)甲烷菌;ATP合成酶的基因豐度顯著上升且大分子運(yùn)輸相關(guān)基因豐度上升,表明高氨濃度下電化學(xué)梯度產(chǎn)ATP途徑減弱,細(xì)菌底物水平磷酸化產(chǎn)ATP途徑增強(qiáng)(圖2);且產(chǎn)酸到產(chǎn)甲烷過程相關(guān)電子轉(zhuǎn)移的基因豐度顯著下降,限制了微生物間電子互營的效率,這是導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸累積和甲烷產(chǎn)量降低的主要原因?;谝陨习l(fā)現(xiàn),推測高濃度氨主要抑制了有機(jī)廢棄物甲烷化過程的微生物電子傳遞效率。因此,向發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充電子具有緩解氨抑制和提高發(fā)酵效率的潛能。
       
       
      圖2. 氨抑制對微生物電子傳遞活性的影響  
      以上研究成果以Effect of ammonia on anaerobic digestion: focusing on energy flow and electron transfer為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal,郭穎副研究員及碩士畢業(yè)生肖凡為共同第一作者,通訊作者為李穎研究員。研究得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、國家自然科學(xué)基金面上等項目資助。  
      原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723033697  
        
      
    2023-07-21