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1 揭示氮富集提高土壤微生物碳利用效率的新機(jī)制

植物-微生物-礦物交互作用調(diào)控土壤微生物碳利用效率對(duì)氮輸入的響應(yīng)

工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料燃燒和農(nóng)業(yè)化肥使用等人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣氮沉降增加。持續(xù)的氮輸入會(huì)顯著改變陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。作為表征微生物生理代謝的重要指標(biāo)，土壤微生物碳利用效率（CUE）決定著微生物將吸收的碳分配至其生長(zhǎng)和呼吸的比例，在很大程度上調(diào)控著氮輸入背景下的土壤碳固持與分解過(guò)程。因此，闡明土壤微生物CUE對(duì)氮富集的響應(yīng)機(jī)制是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氮輸入背景下土壤碳動(dòng)態(tài)的前提。以往研究主要關(guān)注氮輸入引起的土壤酸化和微生物養(yǎng)分限制對(duì)CUE的影響，尚不清楚土壤礦物保護(hù)及其調(diào)節(jié)的土壤碳可獲取性的作用。

為解決上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院植物研究所研究員楊元合團(tuán)隊(duì)等以青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，依托野外長(zhǎng)期氮添加控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合18O-DNA標(biāo)記、高通量測(cè)序等技術(shù)揭示了氮添加影響土壤微生物CUE的新機(jī)制。研究人員發(fā)現(xiàn)，礦物保護(hù)作用減弱引起的土壤碳可獲取性增加是導(dǎo)致氮輸入背景下微生物CUE增加的關(guān)鍵途徑。這一發(fā)現(xiàn)并不支持“微生物養(yǎng)分限制緩解和土壤酸化導(dǎo)致土壤微生物CUE變化”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，礦物保護(hù)作用的減弱與植物多樣性下降、真菌群落組成變化以及土壤草酸含量的增加有關(guān)。該研究揭示了氮輸入通過(guò)改變植物-微生物-礦物交互作用調(diào)控土壤微生物生理代謝過(guò)程的新機(jī)制，為準(zhǔn)確理解氮富集背景下的土壤碳動(dòng)態(tài)提供了新視角。

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https://www.cas.cn/syky/202206/t20220607_4837217.shtml

2 有機(jī)氯污染修復(fù)與地質(zhì)桿菌生物多樣性研究中獲進(jìn)展

氯代烷烴是一類人工合成、應(yīng)用于各種工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的有機(jī)氯化物的統(tǒng)稱。由于生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存或處置不當(dāng)?shù)仍?，氯代烷烴通過(guò)多種途徑進(jìn)入大氣、土壤、地下水體系中，成為環(huán)境中的常見(jiàn)污染物。有機(jī)鹵呼吸細(xì)菌介導(dǎo)的還原脫氯過(guò)程是厭氧環(huán)境中包括氯代烷烴在內(nèi)的有機(jī)氯污染物生物降解的主要途徑之一?；谟袡C(jī)鹵呼吸細(xì)菌能量代謝的生物修復(fù)方法具有綠色低碳、可持續(xù)性強(qiáng)和環(huán)境友好等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所污染環(huán)境微生物生態(tài)課題組以污染河流沉積物為接種源，建立了1,2-二氯乙烷和1,1,2-三氯乙烷富集培養(yǎng)體系。研究表明，基于河流底泥的富集培養(yǎng)物可將1,2-二氯乙烷和1,1,2-三氯乙烷完全脫氯還原為無(wú)毒無(wú)害乙烯。研究通過(guò)16SrRNA高通量測(cè)試表明培養(yǎng)體系中存在一株新型有機(jī)鹵呼吸型地質(zhì)桿菌（Geobacter），其介導(dǎo)的雙脫鹵反應(yīng)將1,2-二氯乙烷和1,1,2-三氯乙烷分別還原脫氯至一氯乙烯和乙烯。該菌株以沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)所（Institute of Applied Ecology）英文縮寫(xiě)而被命名為地質(zhì)桿菌-IAE菌株（Geobacter sp. strain IAE）。16S rRNA系統(tǒng)進(jìn)化分析表明菌株IAE與可降解四氯乙烯的地質(zhì)桿菌屬lovleyi 種SZ菌株和KB-1菌株高度相似（98.9%-99.7%）。此外，研究通過(guò)監(jiān)測(cè)1,1,2-三氯乙烷降解過(guò)程中的細(xì)胞生長(zhǎng)情況揭示了菌株IAE可通過(guò)與脫鹵球菌（Dehalococcoides）的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)1,1,2-三氯乙烷完全脫氯至乙烯的過(guò)程。

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https://www.cas.cn/syky/202206/t20220613_4838010.shtml

3 科研人員開(kāi)發(fā)出低成本高效析氫電催化劑

開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的電催化劑對(duì)電解水制氫的發(fā)展十分重要。鑒于Ru（釕）具有成本相對(duì)低廉和適宜金屬-氫鍵強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，Ru基析氫電催化劑引起了廣泛關(guān)注，其中構(gòu)建多耦合活性位點(diǎn)已被認(rèn)為是促進(jìn)析氫動(dòng)力學(xué)的有效途徑。但是在提高催化劑質(zhì)量活性時(shí)，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量制氫成為催化劑設(shè)計(jì)的瓶頸問(wèn)題。

近期，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所研究員江河清帶領(lǐng)的膜分離與催化研究組與中國(guó)海洋大學(xué)等單位合作開(kāi)發(fā)出一種氮摻雜介孔碳負(fù)載Ru單原子和納米團(tuán)簇催化劑（NMC-Ru_SA+NC）。

科研人員研究發(fā)現(xiàn)催化劑中Ru主要以單原子RuN₄結(jié)構(gòu)以及Ru納米團(tuán)簇的形式存在，二者之間存在電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，Ru納米團(tuán)簇和Ru單原子之間的強(qiáng)電子耦合效應(yīng)加速了水的解離過(guò)程，并且優(yōu)化了金屬對(duì)H*的吸附強(qiáng)度，從而提高了催化析氫活性。此外，該催化劑的分等級(jí)多孔結(jié)構(gòu)可以加速反應(yīng)物到活性位點(diǎn)的傳輸，并及時(shí)釋放生成的氫氣。得益于獨(dú)特的分等級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)電子耦合效應(yīng)，研究開(kāi)發(fā)的催化劑在堿性和酸性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化析氫性能，并能夠在低過(guò)電位下實(shí)現(xiàn)工業(yè)化水平的大電流密度（>500mAcm^-2）。此外，該工作也探究了催化劑實(shí)際工業(yè)化的應(yīng)用前景，所開(kāi)發(fā)的NMC-Ru_SA+NC催化劑具有比商業(yè)Pt/C催化劑更高的質(zhì)量活性和更低的制氫成本，展示了其在工業(yè)電解水制氫中的應(yīng)用潛力，為高通量、低成本析氫電催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解和思路。

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https://www.cas.cn/syky/202204/t20220413_4831295.shtml

4 青藏高原高寒草地對(duì)氣候變化

和人為影響的響應(yīng)研究獲進(jìn)展

植被動(dòng)態(tài)及其類型被認(rèn)為是反映氣候的關(guān)鍵指標(biāo)，受到生態(tài)學(xué)家和氣候?qū)W家的關(guān)注。目前，從植被帶再分布的角度探究氣候變暖導(dǎo)致植被向高海拔和高緯度轉(zhuǎn)移的研究較少。近年來(lái)，高海拔地區(qū)的可持續(xù)性發(fā)展問(wèn)題成為聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)關(guān)注的焦點(diǎn)，氣候變化的影響及其對(duì)高海拔地區(qū)植被的效應(yīng)得到重視。

然而，人類活動(dòng)常被忽視或僅限于定性分析，難以量化。作為中國(guó)四大基本牧區(qū)之一的青藏高原牧區(qū)在我國(guó)具有舉足輕重的地位，畜牧業(yè)在青藏高原的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中占較大比重。隨著人口和城市化的發(fā)展，奶類、肉類、皮革、毛皮和其他動(dòng)物產(chǎn)品的需求同步激增。牧民收入與其擁有的牲畜數(shù)量高度相關(guān)，收入需求的增長(zhǎng)刺激了青藏高原畜牧業(yè)的過(guò)度發(fā)展。近幾十年來(lái)，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)特別是高寒草地和高寒草甸的影響正在加速和加劇。過(guò)度放牧、鼠害、蟲(chóng)害和草地退化常有報(bào)道，持續(xù)加強(qiáng)的人類活動(dòng)不利于青藏高原高寒草地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。目前，氣候變化和人類活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致青藏高原（QTP）大部分地區(qū)植被退化。有研究指出，氣候變化而不是過(guò)度放牧是青藏高原大規(guī)模植被覆蓋變化的主要原因。然而，目前尚不清楚人類活動(dòng)（主要是牲畜放牧）如何調(diào)節(jié)青藏高原植被動(dòng)態(tài)氣候變化。

基于上述科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院魏彥強(qiáng)研究團(tuán)隊(duì)以目前全球最長(zhǎng)序列的衛(wèi)星產(chǎn)品AVHRR/GIMMS歸一化植被指數(shù)（NDVI）為指標(biāo)，分析了青藏高原植被帶的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化以及青藏高原對(duì)氣候變化的敏感性。研究分析了1981-2015年間植被生長(zhǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)，通過(guò)對(duì)青藏高原87個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，檢驗(yàn)了氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響。研究發(fā)現(xiàn)：（1）青藏高原中部和西南部高海拔地區(qū)的植被由于氣候暖濕化趨勢(shì)而得到改善。全球變暖導(dǎo)致高海拔地區(qū)氣溫升高而低溫天數(shù)減少，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)面積擴(kuò)大，NDVI呈現(xiàn)一致增長(zhǎng)趨勢(shì)。（2）退化區(qū)域主要集中在青藏高原東北部和東部的人、畜密集區(qū)。與溫和變化的氣候趨勢(shì)相比，人為活動(dòng)，例如人口和牲畜長(zhǎng)期集中在氣候相對(duì)溫和的低海拔山谷谷地，對(duì)這些地區(qū)的植被施加了更大壓力。研究表明，人類活動(dòng)壓力比氣候變化的影響更強(qiáng)烈，是對(duì)青藏高原高寒草地系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的威脅，對(duì)青藏高原植被的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展及管理十分重要。

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5 光催化飽和氮雜環(huán)氧化脫氫新策略

光催化飽和氮雜環(huán)需氧氧化脫氫示意圖

不飽和氮雜環(huán)是重要的有機(jī)合成中間體，廣泛存在于藥物、生物活性分子以及天然產(chǎn)物骨架中。飽和氮雜環(huán)的氧化脫氫（ODH）是合成不飽和氮雜環(huán)高效簡(jiǎn)潔的方法。傳統(tǒng)基于過(guò)渡金屬熱催化ODH過(guò)程往往使用化學(xué)計(jì)量且環(huán)境不友好的氧化劑，存在選擇性低、官能團(tuán)兼容性差等弊端。因此，如何實(shí)現(xiàn)溫和條件下不飽和氮雜環(huán)高效氧化脫氫過(guò)程是合成和催化領(lǐng)域關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

近期，中國(guó)科學(xué)院青島能源所研究員楊勇帶領(lǐng)的低碳催化轉(zhuǎn)化研究組開(kāi)發(fā)出氧空位強(qiáng)化可見(jiàn)光催化氧化脫氫策略，實(shí)現(xiàn)了室溫條件下不飽和N-雜環(huán)芳烴的綠色可持續(xù)合成，催化效率高、底物使用范圍廣、官能團(tuán)兼容性好。該策略同時(shí)實(shí)現(xiàn)了具有高生物活性C-核苷類似物的首例光催化高效合成，也適用于可見(jiàn)光甚至日光照射下克級(jí)規(guī)模的合成，展現(xiàn)出實(shí)際應(yīng)用的潛力。此外，該催化劑在重復(fù)使用10次后，依舊保持高催化活性和穩(wěn)定性。

研究為不飽和氮雜環(huán)的合成提供了綠色高效的新催化策略，也為半導(dǎo)體光催化劑的設(shè)計(jì)及其在催化有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用提供了參考和理論基礎(chǔ)。

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排版 | 蘿卜娟

審核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 淡定珠子