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李琳研究组在污水处理生物气溶胶逸散规律与机制方面取得新进展
污水及其处理过程逸散的生物气溶胶包含细菌、真菌和病毒等微生物，对区域生态环境、人类健康等均存在潜在危害。特别是近年大规模呼吸道传染性疾病的频繁爆发，引起了全球关于生物气溶胶传播途径的极大关注。然而对于污水处理过程中生物气溶胶的产生机制、逸散规律和其影响因素尚不十分清楚。李琳研究组在国家自然科学基金重大项目、国际（区域）合作与交流项目、面上项目(52091545、52041004、41961134033、51878650、51478456)、环境保护公益项目（201509008）等项目的资助下，全面解析了全球13个国家、37个城市的市政污水厂生物气溶胶中可培养细菌、真菌全球多样性、区域丰度及决定性因素；系统分析了我国典型区域不同村镇污水处理模式下生物气溶胶的分布与逸散特征；深入研究了生物气溶胶的产生过程与机制；综合评估了污水处理过程生物气溶胶的潜在致病风险。结果表明：（1）市政集中污水厂生物气溶胶中潜在致病微生物种群结构呈现明显地域异质性，污水水质是造成差异的主要因素；（2）村镇污水处理生物气溶胶的逸散规律与污水治理模式密切相关，地埋式一体化污水处理设施可有效减少生物气溶胶的产生与扩散；（3）气泡破裂后空腔崩塌形成射滴是微孔曝气产生生物气溶胶的主要机制；盘面卷带形成向心加速度是表面曝气产生生物气溶胶的主要原因；（4）呼吸吸入是人体暴露生物气溶胶引起健康风险的主要途径，其中气溶胶粒子携带的潜在致病微生物会加剧暴露风险。该研究结果为污水处理过程生物气溶胶的有效防控提供科学依据。相关研究成果发表在Water Research（Ying Wang et al. 2024(258):121764; Yunping Han et al. 2024(256):121646; Jun Zhan et al. 2024(254):121359; Yanjie Wang et al. 2023(231):119624; Yunping Han et al. 2020(170):115324; Yanjie Wang et al. 2019(163):114862; Kaixiong Yang et al. 2019(149):596-606）、Journal of Hazardous Materials（Yunping Han et al. 2020(391):122256）。生态环境研究中心刘俊新研究员、李琳研究员、郭雪松副研究员、韩云平副研究员分别为这些文章的主要作者和通讯作者。(a) 市政污水厂逸散特征与潜在风险 (b) 村镇污水处理设施逸散特征及传输 (c) 曝气方式的影响机制图1 污水处理过程生物气溶胶逸散规律论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121764https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121646https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121359https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119624https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115324https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.114862https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.027https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122256水污染控制实验室2024年5月23日<!--!doctype-->
2024-05-23
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魏源送研究组在高盐废水膜过程的结垢机制研究取得新进展
随着工业废水循环利用要求的提升，零排放（ZLD）与水回用已成为工业可持续发展与绿色转型的必然要求，膜分离技术是ZLD的核心。但高盐工业废水的盐含量高且组成复杂，同时存在硅、有机物、微生物等复杂组分，且不同组分间存在复杂的物化与生物作用，导致结垢过程与机制复杂，因此，膜结垢是限制膜脱盐过程稳定运行的难点。揭示ZLD系统的膜结垢机制有利于开发膜结垢控制技术。然而，目前膜结垢机制及其控制研究主要关注单一或简单二元的膜结垢体系，其成核与结晶机制无法推广到实际复杂工业废水的ZLD系统。 针对ZLD系统中膜结垢的复杂过程与机制，魏源送研究组与德国杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授、比利时鲁汶大学Bart Van der Bruggen教授合作，以膜蒸馏（MD）与纳滤（NF）的两个潜力ZLD技术为对象，基于实际工业废水的关键组成，解析了不同组分在膜结垢过程中的关键作用，阐明了不同驱动力膜过程的结垢模式差异及其机制，主要结果如下：1）揭示了MD过程从异质结晶到同质结晶转变的三阶段结垢过程，阐明了高盐条件下体相结晶是MD的关键结垢机制，明确了有机物和硅对MD膜结垢的关键影响。2）明确了NF的主要结垢机制为表面结晶，解析了硅酸盐与镁形成无定型的硅酸镁类复合物是NF结垢的关键污染物。3）揭示了有机物在膜结垢的双面作用，一方面促进膜的初期污染与结垢，另一方面可通过晶面的定向吸附及络合作用阻碍钙盐的体相结晶，体现出一定的阻垢作用。4）系统比较了压力驱动膜（如，NF）与热驱动膜（如，MD）过程的差异化结垢模式及机制，解析了温度、操作压力、剪切速率和产水驱动力是结垢模式变化的关键原因，揭示了有机物和硅在MD和NF过程的作用差异。该研究结果加深了对ZLD处理实际高盐废水过程的膜结垢机制的理解，并可为高盐废水在管路运输、蒸发结晶及膜处理等过程的结垢控制提供借鉴，为膜技术在ZLD系统处理实际高盐废水提供科技支撑。图11 膜脱盐过程混合结垢解析研究 相关研究成果发表在Water Research（Libing Zheng et. al 2024:121671 (In press); Libing Zheng et. al 2024(250):121023; Libing Zheng et. al 2023(238):120032）。郑利兵副研究员为论文第一作者，生态环境中心魏源送研究员、杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授和鲁汶大学Bart Van der Bruggen为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(52270081)、国家重点研发计划(2021YFC3201403)、德国洪堡学者项目、欧盟玛丽居里学者项目(101059796)等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121671https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120032https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121023水污染控制实验室2024年5月15日
2024-05-15
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国家重点研发计划项目“区域土壤重金属污染的环境效应和风险管控”年度会议召开
5月9日，国家重点研发计划项目“区域土壤重金属污染的环境效应和风险管控”年度会议在中国科学院生态环境研究中心召开。江桂斌院士、中心副主任宋茂勇研究员、中国21世纪议程管理中心项目主管杨帆出席会议。项目专家组、项目及各课题负责人、项目研究骨干共50余人参会。江桂斌院士发表讲话，要求项目组成员认真学习，贯彻落实科技部以及各位领导专家的意见和建议，持续提升项目研究质量，力争产出重大成果。宋茂勇研究员代表生态环境研究中心致辞。项目负责人徐明与课题负责人向专家组汇报了项目与课题年度进展。专家组听取汇报后，认为总体进展达到阶段预期目标，强调在项目实施过程中，要始终聚焦总体目标，从环境管理的角度出发，重点方法创新与技术创新，突出研究增量。江桂斌院士讲话合影环境化学与生态毒理学国家重点实验室2024年5月11日<!--!doctype-->
2024-05-11
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贺泓院士课题组在Cu基小孔分子筛催化剂NH3-SCR反应机制方面取得新进展
氮氧化物（NOx）是酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列环境污染问题的关键前体污染物，对生态环境和人类健康造成严重危害。氨选择性催化还原（NH3-SCR）方法是NOx控制最有效的技术之一。目前，以Cu-SSZ-13为代表的Cu基小孔分子筛催化剂由于其优异的NH3-SCR性能和水热稳定性等优点，已经成功商业化应用于机动车尾气NOx的净化处理。二聚Cu物种是该催化剂体系低温NH3-SCR反应的主要活性位点，而活性Cu物种在分子筛中的笼间迁移是形成Cu二聚体的前提条件和关键步骤。然而，分子筛骨架的微观结构特征对活性Cu物种笼间迁移的影响机制仍不十分清楚。贺泓院士课题组与华南理工大学陈培榕副教授课题组合作通过量子化学理论计算、原位阻抗光谱（in situ IS）及原位漫反射紫外可见光谱（in situ DRUVS）等方法研究发现，在Cu-SSZ-13催化剂上的NH3-SCR反应过程中，分子筛骨架Brønsted酸性位点（Al位点）的空间分布特征是影响活性Cu物种（即[Cu(NH3)2]+络合物）笼间迁移的关键因素，（局域）富Al骨架结构有利于[Cu(NH3)2]+络合物的笼间扩散，进而形成高活性二聚Cu物种、促进低温NH3-SCR反应。该研究发现为Cu-SSZ-13等Cu基小孔分子筛催化剂上的NH3-SCR反应过程提供了新的认识，并为进一步优化改进分子筛催化剂的脱硝性能指明了可行方向。图1. Brønsted酸性位点空间分布对活性Cu离子移动性的作用机制示意图研究成果以“Spatial Distribution of Brønsted Acid Sites Determines the Mobility of Reactive Cu Ions in the Cu-SSZ-13 Catalyst during the Selective Catalytic Reduction of NOxwith NH3”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（JACS）期刊上。生态中心博士后符瑜、博士生丁文庆和华南理工大学博士生雷华荣为论文共同第一作者，生态中心何广智研究员、单玉龙副研究员和华南理工大学陈培榕副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（22276202和52270112）、国家自然科学基金基础科学中心项目（22188102）和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13725大气环境与污染控制实验室2024年4月22日<!--!doctype-->
2024-04-22
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贺泓院士课题组在Cu基小孔分子筛催化剂NH3-SCR反应机制方面取得新进展
氮氧化物（NOx）是酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列环境污染问题的关键前体污染物，对生态环境和人类健康造成严重危害。氨选择性催化还原（NH3-SCR）方法是NOx控制最有效的技术之一。目前，以Cu-SSZ-13为代表的Cu基小孔分子筛催化剂由于其优异的NH3-SCR性能和水热稳定性等优点，已经成功商业化应用于机动车尾气NOx的净化处理。二聚Cu物种是该催化剂体系低温NH3-SCR反应的主要活性位点，而活性Cu物种在分子筛中的笼间迁移是形成Cu二聚体的前提条件和关键步骤。然而，分子筛骨架的微观结构特征对活性Cu物种笼间迁移的影响机制仍不十分清楚。 贺泓院士课题组与华南理工大学陈培榕副教授课题组合作通过量子化学理论计算、原位阻抗光谱（in situ IS）及原位漫反射紫外可见光谱（in situ DRUVS）等方法研究发现，在Cu-SSZ-13催化剂上的NH3-SCR反应过程中，分子筛骨架Brønsted酸性位点（Al位点）的空间分布特征是影响活性Cu物种（即[Cu(NH3)2]+络合物）笼间迁移的关键因素，（局域）富Al骨架结构有利于[Cu(NH3)2]+络合物的笼间扩散，进而形成高活性二聚Cu物种、促进低温NH3-SCR反应。该研究发现为Cu-SSZ-13等Cu基小孔分子筛催化剂上的NH3-SCR反应过程提供了新的认识，并为进一步优化改进分子筛催化剂的脱硝性能指明了可行方向。图1. Brønsted酸性位点空间分布对活性Cu离子移动性的作用机制示意图 研究成果以“Spatial Distribution of Brønsted Acid Sites Determines the Mobility of Reactive Cu Ions in the Cu-SSZ-13 Catalyst during the Selective Catalytic Reduction of NOxwith NH3”为题，发表于Journal of the American Chemical Society（JACS）期刊上。生态中心博士后符瑜、博士生丁文庆和华南理工大学博士生雷华荣为论文共同第一作者，生态中心何广智研究员、单玉龙副研究员和华南理工大学陈培榕副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目（22276202和52270112）、国家自然科学基金基础科学中心项目（22188102）和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的资助。 论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c13725大气环境与污染控制实验室2024年4月22日
2024-04-22
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“水质风险控制工程学”基础科学中心启动会在苏州召开
3月19日，由南京大学牵头、生态环境研究中心和广东工业大学共同承担的国家自然科学基金委员会（以下简称“基金委”）“水质风险控制工程学”基础科学中心项目启动会在苏州顺利召开。基金委工程与材料科学部主任曲久辉院士、处长杨静研究员出席启动会。由曲久辉、李家彪、朱利中、徐祖信、王桥、王振常、余刚、俞汉青、汪华林9名院士和杨敏研究员、胡洪营教授组成的咨询专家委员会全体成员参加了会议。项目负责人任洪强院士，以及骨干杨志峰院士、胡承志研究员、谭倩教授和罗义教授分别汇报了研究任务与实施方案。南京大学副校长王振林教授致辞，他表示，南京大学将全力支持项目实施，努力打造高水平示范性基础科学研究中心。曲久辉院士指出，水质风险控制研究具有重要的科学意义，项目组要聚焦科学前沿，实现任务间统筹与支撑，在风险认知、调控技术和管控策略方面实现系统性突破，建立全新的水污染控制技术体系。杨静处长强调，基础科学中心在基金委人才类项目中定位最高、资助强度最大、影响力最广，旨在充分发挥科学基金制度的优势和特色，整合国内优势科研资源，瞄准世界科技前沿，围绕国家重大需求，推动学科深度交叉融合，取得世界一流水平的原创性成果，抢占国际科学发展的制高点。她希望该中心打造成为引领国际水污染控制工程研究的学术高地、创新高地和人才高地。“水质风险控制工程学”基础科学中心是环境工程学科首个批准立项的基础科学中心项目。该项目聚焦物质和能量耦合驱动下的水质风险成因与调控机制，拟突破水质风险控制工程学的核心理论与关键技术，推动我国由“水环境质量控制”向“水生态健康保障”的跨越式转变。生态环境研究中心承担“碳污与水质风险协同控制原理”的研究任务，拟揭示水质风险转化的分子机制，提出水质达标与风险减降协同控制技术原理和短程低耗的水质风险控制工艺原理，将采用人工智能、合成生物学等新方法，着力突破水质风险控制的材料与装备等关键技术，为下一代水厂建设提供科技支撑。最后，曲久辉院士、杨静处长与项目依托单位代表共同为“水质风险控制工程学”基础科学中心及分中心揭牌。项目组将按照咨询专家的意见，更加深刻理解工程学的科学内涵，致力突破科学前沿，通过多学科交叉和理论、技术突破，从微观机理认知、中观方法和技术、宏观效应和调控三个尺度，建立水质风险控制工程学体系；努力克服传统束缚，开创环境工程科学研究新思维、新方法、新路径、新模式，为水生态环境高质量保护、建设美丽中国贡献力量。项目牵头单位南京大学科技处处长姜田教授主持会议，生态环境研究中心科技开发处处长张洪研究员以及项目主要骨干参加了会议。环境水质学国家重点实验室科技开发处2024年3月29日<!--!doctype-->
2024-03-29
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宋茂勇研究组在光催化还原CO2调控方面取得新进展
光催化转化CO2不仅可以减少温室气体的排放，还可以将CO2转化为可再生的能源。如何同步提升还原产物的选择性和产率是CO2催化还原反应的重大挑战之一。基于此，中国科学院生态环境研究中心宋茂勇研究团队围绕CO2光催化还原高效生成单一产物CO开展了系统研究。 Z-或S-型异质结催化剂可通过加速电子传递提升CO2的转化效率，但在生成2电子产物CO的同时不可避免的生成8电子产物CH4。该研究团队提出通过减慢电子传递速率提升CO2还原产物选择性的反应策略。研究发现，增加TiO2组分可以减慢Ӏ型异质结TiO2/BiVO4的电子传输速率，当TiO2与BiVO4的摩尔比为4时，实现了CO2向CO的100%选择性转化。在此基础上，研究团队进一步构建了负载Cu单原子TiO2/BiVO44催化剂，在保持100%选择性的情况下将CO产率提升了3.83倍。机制研究揭示CO的100%选择性主要得益于载体TiO2/BiVO4-4的低速电子传输，而Cu单原子则通过吸附活化CO2提升了CO产率。这种将异质结与单原子耦合的两步调控策略，实现了还原产物CO的选择性和产率同步提高，有望解决光催化还原CO2生成的C1/C2+产物一直面临的低选择性和低产率问题。图1 异质结耦合单原子同步提高光催化CO2还原产物CO选择性和产率的机制示意图。 相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。博士生陈程为第一作者，宋茂勇研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划（2021YFA0910300）和国家自然科学基金委杰出青年基金和面上基金（22125606和22241604）的支持。论文连接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c14590环境纳米技术与健康效应重点实验室2024年03月26日
2024-03-26
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陈利顶团队在农业面源污染治理管理政策研究方面取得新进展
城市与区域生态国家重点实验室陈利顶团队通过对已有文献数据整理和进一步的分析，以不同的常规施氮量为基础，用百分比的形式确定蔬菜生产的减量施氮。研究成果为制定区域减氮计划提供合理依据，帮助缓解蔬菜高产与氮流失之间的矛盾。该成果以“Determining optimal range of reduction rates for nitrogen fertilization based on responses of vegetable yield and nitrogen losses to reduced nitrogen fertilizer application”为题发表于《Science of the Total Environment》（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171523）。中国生产和消费着全球一半以上的蔬菜，随着经济的发展、生活水平的提高、饮食结构的改善，蔬菜的需求还在持续增加。然而，调查表明不同气候、土壤等生长环境条件下，不同蔬菜品种需氮量相差非常大，但农户都普遍过量施用化肥。蔬菜生产投入化肥超过1000 kg/ha，是粮食作物生产的3倍以上，但其中氮肥利用率低于30%。大量的氮流失给生态环境造成严重威胁。为控制蔬菜生产中过量氮投入，当前主要有2种方法来确定施氮量。一是通过田间试验，构建不同施氮量与产量和氮流失之间的关系，然后根据目标产量和氮流失确定施氮量；二是基于生产过程中的所有的氮输入和氮输出得到的氮平衡，来确定需氮量。然而这些方法由于需要农户投入额外的时间和资金，对知识门槛要求较高，使得其应用推广十分有限。因此，我们提出农户以自身常规施肥量为基础，按百分比减量施用就能达到保持产量的同时减少氮流失的效果。本研究收集了102篇文献共1123条数据，这些数据包括常规施肥量及减量施肥量下的蔬菜产量和氮流失（包括通过淋溶、径流、氨挥发产生的流失和氮沉积）。由于不同区域气候和地理差异对蔬菜生产影响较大，收集的数据被划分为4个区域，包括：北方干旱半干旱地区和黄土高原区（NSL），东南季风区（SMZ），温带季风区（TMZ）以及西南地区（SWZ）。将每个实验施氮量与其对应的常规施氮量的结果作为一对数据进行后续的分析，施氮比例与结果响应计算公式分别为：结果显示，施氮比例与产量响应的关系均呈现的是开口向下的一元二次方程，达到最高产量的施肥量小于常规施肥量；施氮比例与氮流失响应的关系呈现的是指数方程，氮流失量及流失速度都随着施氮比例增加而增加。因此，以保证产量为前提，以氮流失增加速度小于氮投入增加速度为标准，确定各区域的最佳施氮范围分别为：SMZ为40-66%；SWZ为54-80%；TMZ为51-67%，其中在NSL显示减氮可能明显影响产量，减氮潜力较小，因此暂不推荐减氮。结果表明，在各区域的最佳施氮范围内，蔬菜产量变化不大，氮流失减少达40%左右。最后，本研究运用分层Meta分析法探究了各区域的最佳施氮范围在大棚和露地、是否增加管理措施以及不同蔬菜品种之间的适用性。结果表明：①无论是在大棚或露地，蔬菜产量整体都不下降，且对氮流失响应变化不显著；②由于管理措施作用的多样性以及各地块对其适应性不同，增加管理措施会增加产量和氮流失响应的不确定性，因此在选择增加管理措施时需谨慎；③不同蔬菜品种对产量响应变化具有显著影响，大部分品种在最佳施氮量范围产量不会下降，但对于部分产量会下降的品种应谨慎确定减氮量范围。本研究所整理的数据可在文章链接中获取。欢迎广大田间试验研究人员及各地蔬菜种植户采纳试用，为减氮的推广提供宝贵的实践经验（联系人：冯青郁，电子邮件：qyfeng18@rcees.ac.cn）。城市与区域生态国家重点实验室2024年3月26日<!--!doctype-->
2024-03-26
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欧阳志云团队牵头编制的生态系统评估系列国家标准发布
在全国生态状况变化（2000-2005-2010-2015-2020）调查评估、国家重点研发计划项目、国家质量基础（NQI）的共性技术研究与应用专项等项目长期支持下，欧阳志云团队发展了生态系统评估理论，构建了生态系统格局-质量-服务-问题-胁迫评估技术体系，基于上述成果编制了六项国家标准。在前期已经发布两项标准的基础上，2024年3月15日国家市场监督管理总局（国家标准化管理委员会）批准了另外四项标准（《中华人民共和国国家标准公告（2024年第1号》）。欧阳志云团队长期开展生态系统评估研究，承担了全国与青藏高原等区域的生态系统调查评估，揭示了全国生态系统格局、质量、服务、问题及其演变趋势，为重点生态功能区规划、生态保护红线划定、国家公园空间布局、生态转移支付、生态产品价值实现机制等国家生态保护政策的制定与实施提供了科学基础和依据。生态系统评估系列标准是基于团队长期开展全国与区域生态系统评估研究工作的系统性总结。生态系统格局、质量、服务、问题评估系列标准的发布，不仅可以推动全国与区域生态系统评估规范化、标准化，还为将生态效益纳入经济社会评估体系、识别区域生态修复空间、区域保护目标确定与生态风险管控，以及生态补偿等政策设计提供提供科学方法。附系列国家标准已发布情况：1、《生态系统评估 生态系统格局与质量评价方法》（GB/T42340-2023），2023年3月17日发布，2023年7月1日实施；2、《生态系统评估 生态系统服务评估方法》（GB/T 43678-2024），2024年3月20日发布，2024年7月1日实施；3、《生态系统评估 陆地生态退化评估方法》（GB/T 43680-2024）2024年3月20日发布，2024年7月1日实施；4、《生态系统评估 陆地生态资产核算技术指南》（GB/T 43677-2024），2024年3月20日发布，2024年7月1日实施；5、《城市生态系统监测技术指南》（GB/T 43679-2024），2024年3月20日发布，2024年7月1日实施；6、《城市生态系统综合评估指标体系及计算方法》（GB/T43235-2023）， 2023年9月7日发布，2024年1月1日实施。城市与区域生态国家重点实验室2024年3月22日
2024-03-22
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土壤环境科学与技术实验室在植物固氮微生物组研究中取得进展
过去一个多世纪以来，化学合成氮肥在保障全球粮食供应和人口增长方面作出了巨大贡献。然而，每年生产化学氮肥所消耗的能量达农业生产总耗能的一半。同时，大量化学氮肥施用导致的土壤退化、温室气体排放和地下水硝酸盐污染等问题对环境和人类健康，以及全球粮食可持续生产都带来巨大挑战。地球上所有植物的叶片总面积高达109平方公里，植物叶表和叶内含有包括固氮菌在内的微生物细胞高达1026个，对植物的氮素供应、生长促进和生产力维持都具有重要意义。认识并利用这些微生物有可能为解决上述问题提供重要方案。为此，朱永官院士应邀在Trends in Plant Science期刊发表了题为“Harnessing biological nitrogen fixation in plant leaves”的综述论文（Zhu et al., 2023），全面评估了叶际生物固氮对全球氮循环的贡献，并基于对12.7万个固氮菌扩增子序列的meta分析，评估了植物叶际固氮微生物的多样性特征，发现不同生态系统的植物叶内和叶表存在着丰富的固氮菌群落，主要由如鞘氨醇单胞菌目（Sphingomonadales）、根瘤菌目（Rhizobiales）、假单胞菌目（Pseudomonadales）、伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）和芽孢杆菌目（Bacillales）等组成，在不同宿主植物和环境条件下有所不 同。论文进一步鉴别了植物叶际固氮微生物群落中的核心菌群为如甲基杆菌属（Methylobacterium）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、固氮菌属（Azotobacter）等，这些类群兼具有促进植物生长、提高植物抗逆境和抗病性、促进养分循环等功能，对植物健康具有重要意义。图1. 不同生态系统中植物叶际固氮微生物的分布和驱动因子论文同时梳理了固氮微生物适应不同生态系统和宿主植物叶际环境的生态策略，阐明了影响叶际生物固氮和固氮微生物的主要因素（图1），进一步提出了综合利用多种技术手段加快对叶际固氮微生物研究，发展基于植物微生物组策略解决农业施肥的环境负面影响的研究框架和实现途径，包括(1)向作物叶面直接接种高效的固氮菌和其他有益微生物，需要发展合适的载体和益生元物质，开发适应强和功效稳定的nano-fertilizers；(2)利用培养组学和不依赖培养的策略（如PANOMICS、单细胞组学和拉曼光谱耦合15N稳定同位素探测技术等），快速识别和表征复杂环境中的关键固氮菌群，开发适应性和稳定性更强的合成微生物菌群（SynCom）进行应用；(3)结合利用基因编辑技术（如CRISPR）等加强对固氮菌与植物叶际互作过程的理解，以设计更有效的手段调控叶际微生物组，促进生物固氮和植物健康（图2）。该研究得到了国家重点研发和自然科学基金项目的资助，中国农业大学彭静静副教授，中科院植物分子卓越中心王二涛研究员，德国马普陆地微生物研究所Werner Liesack教授等参与了该项研究。图2 定向操控和利用叶际固氮菌微生物的研究框架和方法步骤接以上工作，张丽梅研究员课题组近年围绕农业系统中土壤-作物连续体上微生物群落的构建过程和调控原理开展了系列研究，揭示了作物类型和生长发育阶段对根际和作微生物组的组成和功能具有强烈的选择效应。在最近的研究中，他们发现土壤-植物连续体上固氮微生物群落与细菌和真菌类似，也主要由部位生态位决定，但植物所处的不同地理位置所代表的土壤、气候和大气环境差异塑造了不同的固氮微生物物种库，进而对植物部位固氮微生物的群落构建产生了深刻的影响，使得大多数部位的固氮微生物群落受地点的影响强于受作物种类和生长发育时期的影响（图3）。通过溯源分析发现，根际土壤和空气分别是植物根部和叶表固氮微生物的重要来源，解释量分别为77.7%和54.2%。玉米、小麦和大麦不同部位（叶、根和果实）的固氮微生物群落主要由甲基杆菌（Methylobacterium）, 固氮螺菌（Azospirillum），慢生根瘤菌（Bradyrhizobium） 和根瘤菌（Rhizobium）组成，并由少量属于甲基杆菌属和固氮螺菌属的优势类群主导。通过宏基因组分箱，该研究进一步鉴定出玉米叶际中存在较多与硝酸盐还原过程和固氮作用电子传递过程相关的宏基因组片段（MAGs），表明作物叶际微生物存在活跃的氮代谢过程，这些微生物对生物固氮及氮循环的贡献值得深入探究。该项研究近期发表于美国微生物学会旗下期刊mSystems上（Xiong et al., 2024），研究得到中国科学院战略先导计划项目资助，朱永官院士、贺纪正研究员和澳大利亚西悉尼大学Brajesh K. Singh教授等指导和参与了该项工作。图3 土壤-作物连续体上固氮微生物群落装配特征a.不同地点/土壤形成的固氮微生物物种库影响植物部分固氮菌群落装配；b. 玉米叶际氮循环相关MAGs组成)论文1链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136013852300167X论文2链接:https://journals.asm.org/doi/10.1128/msystems.01055-23土壤环境科学与技术实验室2024年3月22日<!--!doctype-->
2024-03-22
