科研進(jìn)展
  • 《廣東高等植物名錄及其地理分布》正式出版
    ????近日，由華南植物園植物科學(xué)研究中心植物分類與多樣性研究團(tuán)隊(duì)宋柱秋博士、陳又生研究員主編的《廣東高等植物名錄及其地理分布》，由河南科學(xué)技術(shù)出版社正式出版發(fā)行。????廣東省位于我國(guó)華南地區(qū)，全年溫暖，雨量充沛，屬于東亞季風(fēng)氣候。廣東省植物多樣性非常高，物種數(shù)在全國(guó)各省區(qū)中排名第六，區(qū)系以熱帶亞熱帶過渡性為整體特點(diǎn)?！稄V東植物志》第1至9卷（1987~2011年）和《廣東苔蘚志》（2013年）共記載廣東省高等植物6864種。然而，由于分子系統(tǒng)學(xué)蓬勃發(fā)展，以及植物分類學(xué)修訂和野外調(diào)查工作的持續(xù)開展，廣東省高等植物編目信息發(fā)生了較多變化，主要包括:（1）物種不斷被發(fā)現(xiàn)和描述。（2）一些分類群的學(xué)名發(fā)生了變動(dòng)。（3）廣東省分布新記錄也不斷被報(bào)道。針對(duì)上述問題，作者團(tuán)隊(duì)基于約600篇文獻(xiàn)資料，大量的標(biāo)本數(shù)據(jù)和圖像庫的圖片以及野外調(diào)查等數(shù)據(jù)，并對(duì)學(xué)名進(jìn)行統(tǒng)一了的校對(duì)，編撰了《廣東高等植物名錄及其地理分布》?！稄V東高等植物名錄及其地理分布》共收錄廣東省高等植物七大類，即角苔類植物、苔類植物、蘚類植物、石松類植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物72371條分布記錄，共計(jì)374科2293屬8184種(含種下等級(jí))。廣東省本土野生高等植物350科1832屬6921種，其中苔蘚植物(包括角苔類、苔類和蘚類) 96科272屬865種，石松類和蕨類植物36科122屬647種，裸子植物7科17屬34種，被子植物211科1421屬5375種；包含種數(shù)最多的科依次是禾本科、蘭科、豆科、莎草科、茜草科、唇形科、菊科、薔薇科、樟科和苦苣苔科。廣東省入侵植物58科204屬325種，歸化植物65科214屬267種，以及常見栽培植物128科444屬671種。每種植物均提供了廣東省縣市級(jí)分布，以及相應(yīng)分布的憑證依據(jù)。憑證依據(jù)包括文獻(xiàn)、標(biāo)本和圖像。同時(shí)，本書也提供了廣東省高等植物的分布存疑種和排除種的物種名錄,共計(jì)184科553屬913種，供后續(xù)進(jìn)一步研究。值得注意的是，書中收錄廣東省新增分布的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物10余種，其中大部分為作者團(tuán)隊(duì)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)（參見圖版）。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，《廣東植物志》和《廣東苔蘚志》收錄有高等植物6864種，其中學(xué)名已經(jīng)發(fā)生變動(dòng)的有1597種（包括處理為異名或?qū)W名拼寫有變化），比例高達(dá)23%。與《廣東植物志》和《廣東苔蘚志》相比較，書中也新增收錄了21個(gè)科，270個(gè)屬，1999個(gè)種。也嘗試分別從地理分布、植物類別、采集者或者采集組合等方面對(duì)廣東植物標(biāo)本數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次評(píng)估。這些數(shù)據(jù)將為《廣東植物志》(彩圖版)的編撰提供基礎(chǔ)資料和系統(tǒng)框架，同時(shí)可供植物學(xué)、林學(xué)及生態(tài)學(xué)工作者和愛好者參考使用。該書的出版獲得了廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省林業(yè)局項(xiàng)目“廣東省國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)蘭科、桫欏科野生植物收集、繁殖與遷地保育”和廣州市科技局社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目的資助?！稄V東高等植物名錄及其地理分布》封面廣東省新增分布的部分國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物：A.海南重樓Paris dunniana，B.浙江金線蘭Anoectochilus zhejiangensis，C.大根蘭Cymbidium macrorhizum，D.串珠石斛Dendrobium falconeri，E.河南石斛D. henanense，F(xiàn).道縣野橘Citrus daoxianensis
    2025-01-05
  • 《南嶺種子植物名錄》正式出版
    近日，由華南植物園植物科學(xué)研究中心李世晉、羅世孝及廣東省林業(yè)局梁曉東主編的《南嶺種子植物名錄》，由光明日?qǐng)?bào)出版社正式出版發(fā)行。南嶺是我國(guó)南方最重要的生態(tài)屏障，也是中國(guó)十大生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一，更是具有重要國(guó)際地位的生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)。南嶺是地球同緯度上唯一的“綠洲”和物種“博物館”，是地質(zhì)、生態(tài)與人文的“多重寶庫”，一直是科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū)。自創(chuàng)始人陳煥鏞院士開始，中國(guó)科學(xué)院華南植物園幾代分類學(xué)家都極為重視南嶺植物區(qū)系的研究。在2011年出版的《南嶺植物名錄》收錄了南嶺地區(qū)維管植物6205種及種下類群，其中種子植物5687種及種下類群?；谇捌诠ぷ鳎覀冎匦乱罁?jù)各大標(biāo)本館館藏標(biāo)本數(shù)據(jù)，經(jīng)各類群專家審核，整理收錄南嶺地區(qū)種子植物208科1463屬5566種及種下類群。鑒于南嶺地區(qū)苔蘚類和蕨類植物在標(biāo)本采集和分類群考證等方面尚需類群專家進(jìn)行專業(yè)性整理，本書暫未收錄上述類群。清查南嶺種子植物“家底”是一個(gè)不斷完善的過程，中國(guó)科學(xué)院華南植物園（華南國(guó)家植物園）和廣東省林業(yè)局多年來持續(xù)支持南嶺植物多樣性的調(diào)查與研究，積累了豐富的材料，培養(yǎng)了相關(guān)專家。得益于前期積累，分類學(xué)專家同大數(shù)據(jù)信息專家合作整理了國(guó)內(nèi)外31個(gè)重要標(biāo)本館的數(shù)字化標(biāo)本記錄，在此基礎(chǔ)上逐步完成了該名錄的編寫。該書的前期海量數(shù)據(jù)的處理由徐洲鋒工程師及其指導(dǎo)的李紅艷助理完成，后期各類群的審訂則由全國(guó)近50名專家完成。該名錄編制前后分別得到了中國(guó)科學(xué)院華南植物園\華南國(guó)家植物園，廣東省林業(yè)局，南嶺生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性研究院（韶關(guān)）等單位大力支持。本書的出版可為南嶺的相關(guān)規(guī)劃建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，亦可為從事與植物相關(guān)的人士提供參考。該書的出版得到了廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃：華南植物遷地保護(hù)與資源利用關(guān)鍵技術(shù)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究旗艦項(xiàng)目：廣東省植物多樣性全域調(diào)查與評(píng)估的支持?！赌蠋X種子植物名錄》封面
    2025-01-05
  • 華南植物園揭示報(bào)春花屬植物花粉-胚珠數(shù)目的變異模式及影響因素
    有花植物的花粉和胚珠數(shù)目在物種間和物種內(nèi)廣泛變異，在植物繁殖成功中起關(guān)鍵作用，能夠影響異花傳粉的成功率、種子產(chǎn)量、對(duì)后代的遺傳貢獻(xiàn)以及子代適應(yīng)度。探究花粉和胚珠變異的原因能夠使我們了解生態(tài)和繁殖因素如何塑造有性生殖資源的分配。然而少有研究在系統(tǒng)發(fā)育框架下，探討環(huán)境因素和花性狀等對(duì)近緣物種間花粉和胚珠數(shù)目的變異的影響。研究以中國(guó)西南山地廣泛分布的報(bào)春花屬植物為研究對(duì)象，解析了其花粉和胚珠數(shù)目的變異模式和影響因素。報(bào)春花屬植物約500種，廣泛分布于北半球山地，中國(guó)的西南山地是其現(xiàn)代的多樣性分布中心，分布范圍從海拔50m 到5000m。報(bào)春花是典型的蟲媒花和二型花柱物種，在群體中有兩種花型，在雌雄器官高度上相互異位。二型花柱特性能夠促進(jìn)花粉精確傳遞并且促進(jìn)異交，是研究花多態(tài)性平衡選擇和有性生殖資源分配的模式。此外，二型花柱還會(huì)演化為能夠主動(dòng)自花傳粉的同型花柱類型。研究人員收集了報(bào)春花屬73個(gè)物種（包含二型花柱和同型花柱）99個(gè)群體的花粉和胚珠數(shù)據(jù)，花性狀數(shù)據(jù)和群體海拔數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)發(fā)育的框架下探討配子變異的影響因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）無論是否考慮物種間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，物種的長(zhǎng)柱花和短柱花的單花花粉量都與分別與其海拔高度呈顯著正相關(guān)?？赡艿慕忉屖歉吆０挝锓N需要產(chǎn)生相對(duì)更多的花粉，以應(yīng)對(duì)不確定的傳粉環(huán)境。（2）在所有物種中，長(zhǎng)柱花都產(chǎn)生小而多的花粉，短柱花產(chǎn)生大而少的花粉。物種間花粉大小與其對(duì)應(yīng)的花柱長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)，這有助于維持兩種花型間雄性適合度的平衡和花型多態(tài)性。（3）物種的胚珠數(shù)目在物種內(nèi)花型間沒有差異，也不受物種海拔高度影響，然后表現(xiàn)出很強(qiáng)的系統(tǒng)發(fā)育信號(hào)。（4）從二型花柱（異交）向同型花柱轉(zhuǎn)變（自交），伴隨著花粉數(shù)目顯著減少。在自交條件下，選擇傾向于降低花粉數(shù)目以減少資源投入，支持自交綜合征的假說。該研究通過報(bào)春花屬物種的比較分析強(qiáng)調(diào)了影響植物花粉和胚珠產(chǎn)生的內(nèi)在和外在因素之間的復(fù)雜交互作用，并強(qiáng)調(diào)了分別考慮花粉和胚珠數(shù)據(jù)的重要性。以報(bào)春花屬為代表的二型花柱植物在有性生殖方面存在典型的形態(tài)與功能的趨同演化，是進(jìn)化生物學(xué)的經(jīng)典議題之一。未來通過被子植物多譜系的比較研究，有望進(jìn)一步理解功能性狀多次起源機(jī)制與適應(yīng)意義。中國(guó)科學(xué)院華南植物園植物分類與多樣性研究團(tuán)隊(duì)“動(dòng)植物互作與生態(tài)適應(yīng)專題組”的袁帥副研究員和西華師范大學(xué)講師曾桂為論文的共同第一作者，張奠湘研究員為通訊作者。多倫多大學(xué)Spencer C.H. Barrett 教授，華南植物園羅世孝研究員、徐源副研究員、郝凱助理研究員參與了研究。感謝中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所鐘莉博士，大理大學(xué)蔣顯鋒博士，云南大學(xué)張杰博士，貴州師范大學(xué)朱興福博士，江西省科學(xué)院劉淑娟博士在樣品收集中提供的便利。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院華南植物園青年人才專項(xiàng)的支持。相關(guān)研究成果已在線發(fā)表在Journal of Systematics and Evolution（JSE）（《植物分類學(xué)報(bào)》）上。論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/js?e.13146圖1. 報(bào)春花屬物種及其二型花柱特性。A 西南地區(qū)代表山地峨眉山廣泛分布的12種報(bào)春花屬物種；B 迎陽報(bào)春的花結(jié)構(gòu)特征，分別展示長(zhǎng)柱花，短柱花以及同型花。紅色箭頭分別指示柱頭和花藥圖2. 基于三個(gè)葉綠體片段的報(bào)春花屬物種系統(tǒng)發(fā)育樹。右側(cè)展示的條形圖分別代表配子數(shù)目及花性狀數(shù)據(jù)。
    2025-01-05
  • 華南植物園揭示中華刺蕨復(fù)合群的遺傳結(jié)構(gòu)和物種劃定
    石松類和蕨類植物因其形態(tài)多樣性和復(fù)雜的種群結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期以來在物種界定上存在挑戰(zhàn)，尤其是在物種劃分和分類方面仍有許多爭(zhēng)議。中國(guó)科學(xué)院華南植物園王發(fā)國(guó)研究員等科研人員近期開展的一項(xiàng)研究，利用基因組學(xué)方法對(duì)中華刺蕨 Bolbitis sinensis 物種復(fù)合群進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)物種劃分方法提供了有力的補(bǔ)充。中華刺蕨復(fù)合群包括三個(gè)已知物種：中華刺蕨,云南刺蕨B. × multipinna,和長(zhǎng)耳刺蕨 B. longiaurita，這些物種主要分布在我國(guó)云南省。它們具有相似的形態(tài)特征，使得傳統(tǒng)分類學(xué)方法很難有效區(qū)分這些物種。傳統(tǒng)上，這三個(gè)物種基于形態(tài)特征被認(rèn)為是獨(dú)立物種，但由于其形態(tài)相似性，這一物種界定面臨較大挑戰(zhàn)（圖1）。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)收集了來自五個(gè)種群的 65 個(gè)個(gè)體樣本，采用限制性位點(diǎn)關(guān)聯(lián)DNA測(cè)序（RAD-seq）技術(shù)獲取基因組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育和遺傳多樣性分析。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，研究發(fā)現(xiàn)，B. sinensis 物種復(fù)合群中的三個(gè)物種并未形成獨(dú)立的單系群體，而是根據(jù)其地理分布形成了不同的遺傳簇（圖2）。補(bǔ)蚌（BB）和普藤（PT）種群表現(xiàn)出較強(qiáng)的遺傳分化，而南貢山（NG）、南拼（NP）和勐侖（ML）種群則存在較強(qiáng)的基因流動(dòng)（圖3）。在遺傳多樣性分析中，研究表明勐侖（ML）種群的核苷酸多樣性最高，而補(bǔ)蚌（BB）種群則遺傳多樣性最低。遺傳分化（Fst）分析進(jìn)一步顯示，BB 和 PT 種群的遺傳分化最為顯著，而 NG、NP 和 ML 種群之間的分化較小，暗示這些種群之間的基因流動(dòng)較為頻繁。研究人員認(rèn)為，B. sinensis 物種復(fù)合群中的三個(gè)物種并非獨(dú)立物種，因?yàn)闆]有足夠的證據(jù)支持其存在不同的進(jìn)化譜系。觀察到的形態(tài)差異可能是由于環(huán)境因素或種群間基因流動(dòng)的結(jié)果，而這些差異并不代表物種的獨(dú)立性。不同種群之間的遺傳多樣性和分化模式表明，地理距離和基因流動(dòng)在塑造 B. sinensis 物種群體遺傳結(jié)構(gòu)中起著重要作用。NG、NP 和 ML 種群中的高遺傳多樣性和低遺傳分化表明這些種群之間有持續(xù)的基因流動(dòng)，而 BB 和 PT 種群之間的較高分化可能是由于其有限的擴(kuò)散能力。該研究結(jié)果為實(shí)蕨屬，尤其是 B. sinensis 物種復(fù)合群的進(jìn)化關(guān)系和種群遺傳學(xué)提供了新的視角。研究結(jié)果質(zhì)疑了本屬傳統(tǒng)的基于形態(tài)特征的物種劃定方法，并強(qiáng)調(diào)了基因組數(shù)據(jù)在解決蕨類植物分類不確定性中的作用。研究人員也指出，本研究?jī)H限于云南省的五個(gè)種群，若能夠在 B. sinensis 物種群體的整個(gè)分布范圍內(nèi)進(jìn)行更為全面的采樣，將為物種的進(jìn)化歷史和遺傳多樣性提供更完整的圖景。此外，進(jìn)一步研究基因流動(dòng)的具體機(jī)制和模式將有助于揭示觀察到的遺傳模式背后的進(jìn)化過程。相關(guān)研究結(jié)果已近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊plants（《植物》）上。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。文章鏈接：https://doi.org/10.3390/plants13141987圖 1. 中華刺蕨復(fù)合群在野外的形態(tài)及其葉脈樣式。(A,B) Bolbitis sinensis植株及葉脈樣式；(C,D) B. × multipinna 植株及葉脈樣式；(E,F) B. longiaurita 植株和葉脈樣式；(a,b) 顯示在 B. × multipinna 中觀察到的基部延長(zhǎng)的裂片和分離的葉脈。圖2. 中華刺蕨復(fù)合群的系統(tǒng)發(fā)育樹和網(wǎng)狀分析。(A) 35棵最大似然一致樹的密度樹；(B) 代表性數(shù)據(jù)集所構(gòu)建的最大似然樹，分支上方的數(shù)字為 1000 次重復(fù)計(jì)算的自展支持率，不同顏色的圓圈表示支持率超過 50% 的節(jié)點(diǎn)；(C) 基于p1-r0.60 數(shù)據(jù)集進(jìn)行的網(wǎng)狀分析圖。圖3. 中華刺蕨復(fù)合群的種群結(jié)構(gòu)分析。(A) 使用 35 個(gè) SNP 數(shù)據(jù)集進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，RF 距離和 CV 誤差的分布；(B) 使用代表性數(shù)據(jù)集進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，展示K = 2 時(shí)的遺傳組成；(C) 兩個(gè)代表性數(shù)據(jù)集（p1-r0.60,p3-r0.70）的主成分分析圖。
    2025-01-05
  • 南海所科研團(tuán)隊(duì)研究揭示印度-亞洲大陸兩階段“弧–陸”碰撞模式
    近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室談曉冬研究員團(tuán)隊(duì)與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李亞林教授團(tuán)隊(duì)合作在“印度-亞洲大陸碰撞以及新特提斯洋閉合過程”重大科學(xué)問題上取得了新的進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于Tectonics（《大地構(gòu)造學(xué)》）期刊上。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所博士生王子豪為論文第一作者，談曉冬和李亞林為共同通訊作者。印度-亞洲大陸碰撞起始時(shí)間和位置是認(rèn)識(shí)大陸碰撞與高原隆升之間的耦合關(guān)系、俯沖碰撞事件如何影響區(qū)域氣候以及全球變化、新特提斯洋俯沖深部過程及大陸碰撞協(xié)調(diào)機(jī)制等一系列科學(xué)問題的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，而準(zhǔn)確恢復(fù)碰撞前的古板塊邊界有助于解決印度-亞洲大陸碰撞的爭(zhēng)議。研究團(tuán)隊(duì)以拉薩地體林周盆地始新世帕那組火山巖為研究對(duì)象，通過氬-氬同位素定年以及古地磁學(xué)研究，揭示了約53 百萬年的帕那組火山巖穩(wěn)定的褶皺前的特征剩磁方向，古緯度估計(jì)為31.4°N（28.9°N-33.9°N）。并且以地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變特征和沉積巖古地磁傾角淺化為切入點(diǎn)，結(jié)合相鄰構(gòu)造單元的古地磁數(shù)據(jù)以及高原內(nèi)部羌塘地塊、拉薩地塊分別在三疊紀(jì)中晚期和白堊紀(jì)中期與亞洲大陸碰撞拼合以及白堊紀(jì)末期高原內(nèi)部強(qiáng)烈地殼變形和短縮等地質(zhì)資料，對(duì)林周盆地晚白堊世以來的古地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合評(píng)估。分析結(jié)果表明，拉薩地體在晚白堊世位于約24°N，隨后在約53 百萬年前抵達(dá)與現(xiàn)今緯度近似的位置。這一重建結(jié)果不支持一個(gè)“巨大”且“靜止不動(dòng)”的晚白堊世–始新世亞洲大陸南緣。結(jié)合多學(xué)科視角下大印度北向延伸寬度的恢復(fù)（小于1000 km），以及新特提斯洋洋內(nèi)俯沖系統(tǒng)的證據(jù)，本研究的古地磁約束強(qiáng)烈支持印度–亞洲大陸兩階段“弧–陸”碰撞模式。即大印度和洋內(nèi)島弧俯沖系統(tǒng)在晚古新世–早始新世（約58-53 百萬年前）于約8°N發(fā)生碰撞，最終的陸–陸碰撞則發(fā)生在始新世與漸新世之交（約36-31 百萬年前）。這種碰撞模式能夠協(xié)調(diào)高原內(nèi)滯后長(zhǎng)達(dá)約20 百萬年的與碰撞相關(guān)的構(gòu)造和沉積響應(yīng)。這項(xiàng)研究對(duì)于理解大陸碰撞與高原隆升之間的耦合關(guān)系、俯沖碰撞事件對(duì)區(qū)域氣候及全球變化的影響、以及新特提斯洋俯沖深部過程和大陸碰撞協(xié)調(diào)機(jī)制等科學(xué)問題具有重要意義。圖1?本研究報(bào)道的帕那組火山巖特征剩磁方向圖2?林周盆地晚白堊世–始新世古地磁數(shù)據(jù)與地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變模型的一致性檢驗(yàn)支持較高的古緯度結(jié)果圖3?根據(jù)板塊邊界古緯度變化曲線重建新特提斯洋閉合及印度–亞洲大陸碰撞的兩階段過程相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，南方海洋科學(xué)與工程廣東實(shí)驗(yàn)室（廣州）重點(diǎn)專項(xiàng)，以及第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目等支持。文章信息：Wang,Z.,Tan,X.,Li,S.,Li,Y.,Xiao,S.,Guo,Z.,et al. (2024). New 40Ar/39Ar dating and paleomagnetism of the Pana Formation rocks from the Linzhou basin,Lhasa block: Implications for the India-Asia collision. Tectonics,43,e2024TC008687.文章鏈接：https://doi.org/10.1029/2024TC008687
    2024-12-30
  • 廣州地化所吳駿宏，鐘音等–EST: 一種可持續(xù)性的非生物—生物還原脫氯修復(fù)技術(shù)
    ????氯代烯烴作為一種廣泛分布于地下環(huán)境中的鹵代有機(jī)污染物，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)峻的威脅。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，開發(fā)可持續(xù)的原位脫氯修復(fù)技術(shù)已成為治理氯代烯烴污染地下水的關(guān)鍵任務(wù)。微生物修復(fù)技術(shù)以其環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)脫穎而出，通過引入大量有機(jī)電子供體（例如乳酸、乳化植物油等），促進(jìn)脫鹵微生物，特別是氯呼吸菌（OHRB）的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氯代烯烴的徹底脫鹵和無害化處理。然而，有機(jī)電子供體易被沖刷出處理區(qū)域，其發(fā)酵產(chǎn)物可能引起地下水質(zhì)惡化和生物量過度增長(zhǎng)導(dǎo)致的含水層堵塞。納米零價(jià)鐵（nZVI）作為一種廣泛應(yīng)用于污染地下水和土壤原位修復(fù)的材料，其表面易被氧化或鈍化，這不僅降低了電子利用效率，也增加了應(yīng)用成本。最新研究表明，通過表面硫化處理的納米零價(jià)鐵（S-nZVI）能夠提升材料的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性。S-nZVI能夠降低氧化還原電位并提供電子，以支持微生物還原脫氯過程。將S-nZVI與OHRB結(jié)合使用，可能成為一項(xiàng)極具潛力的氯代乙烯污染地下水和土壤修復(fù)技術(shù)。盡管如此，S-nZVI與OHRB之間的相互作用機(jī)制以及它們對(duì)氯代乙烯還原脫氯的具體影響，目前尚不完全明確。????基于此，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士生吳駿宏在鐘音研究員、彭平安院士的指導(dǎo)下，將含有脫鹵擬球菌Dehalococcoides（Dhc）的培養(yǎng)物與硫化納米零價(jià)鐵（S-nZVI）結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四氯乙烯（PCE）的高效非生物-生物協(xié)同降解。該降解過程涉及三個(gè)主要途徑：1）通過非生物氫解途徑轉(zhuǎn)化為乙烯；2）通過非生物β-消除途徑生成乙炔，隨后乙炔進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙烯；3）通過生物還原脫氯途徑轉(zhuǎn)化為氯乙烯和乙烯（見圖1）。定量分析結(jié)果顯示，氯乙烯的濃度高于乙炔，這表明在該組合系統(tǒng)中，生物還原脫氯是PCE降解的主要途徑。在不額外添加有機(jī)電子供體的情況下，該組合系統(tǒng)的PCE降解效率優(yōu)于單一系統(tǒng)。隨著PCE的多次添加，系統(tǒng)的降解速率逐漸提升，經(jīng)過五次重復(fù)添加PCE后，PCE在6天內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全降解。通過16S擴(kuò)增子測(cè)序和定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，在五次重復(fù)添加PCE之后，Dhc的相對(duì)豐度從5.2%激增至91.5%，生物量從1.79×106 cells/mL增加到1.39×108 cells/mL，提高了78倍（圖2）。S-nZVI通過與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，為Dhc提供了豐富的電子供體，從而有效促進(jìn)了Dhc的生長(zhǎng)和PCE的生物還原脫氯過程。圖1 單次添加PCE在4種處理組的降解動(dòng)力學(xué)(A-D)和PCE的脫氯途徑(E)圖2?組合系統(tǒng)中多次添加PCE對(duì)PCE降解動(dòng)力學(xué)、Dhc的絕對(duì)豐度(A)及微生物群落結(jié)構(gòu)(B)的影響此外，S-nZVI通過向揮發(fā)性有機(jī)酸（VFAs）生成微生物供應(yīng)電子，促進(jìn)了VFAs的產(chǎn)生，這為Dhc的生長(zhǎng)提供了必需的碳源，例如乙酸，進(jìn)而有效促進(jìn)了Dhc的生長(zhǎng)。宏基因組分析表明，Desulfovibrio、Syntrophomonas、Clostridium和Mesotoga是組合系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)VFAs生成的微生物種類（圖3）。圖3 組合系統(tǒng)中參與VFA生成的屬水平優(yōu)勢(shì)物種及其物種的相對(duì)豐度?為了深入理解組合系統(tǒng)的電子流向和電子利用效率，我們采用電子流平衡分析法對(duì)系統(tǒng)中電子的分配進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，S-nZVI產(chǎn)生的電子當(dāng)量主要用于PCE的脫氯反應(yīng)和Dhc的生長(zhǎng)，分別占據(jù)了68.1%和6.8%的電子當(dāng)量（見圖4），這一比例顯著高于使用有機(jī)電子供體時(shí)脫氯過程所占的電子當(dāng)量百分比（12–22%）。這一發(fā)現(xiàn)表明，該組合系統(tǒng)具有更高的電子利用效率，能夠更有效地引導(dǎo)系統(tǒng)中的電子流向脫氯過程，而非其他途徑。圖4?組合系統(tǒng)中消耗的Fe0的電子當(dāng)量分布本項(xiàng)研究揭示了S-nZVI、Dhc以及VFA生成微生物降解氯代烯烴的協(xié)同機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)氯代烯烴污染地下水的可持續(xù)性原位修復(fù)提供了重要的理論依據(jù)。相關(guān)研究成果以副封面文章發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Environmental Science & Technology》上（圖5）。吳駿宏為文章第一作者，鐘音為通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（42077285、42377220）、廣州市科技項(xiàng)目（2024A04J6534）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目（2023B0303000007）和海南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（ZDYF2023SHFZ171）等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。圖5 入選ES&T副封面?論文信息：Junhong Wu（吳駿宏），Yin Zhong*（鐘音），Yirong Deng（鄧一榮），Sen Yang（楊森），Heli Wang（王賀麗），Qian Yang（楊倩），Dan Li（李丹），Jianzhong Song（宋建中），Huanheng Zhang（張煥亨），Ping’an Peng（彭平安），2024. Sustainable Abiotic–Biotic Dechlorination of Perchloroethene with Sulfidated Nanoscale Zero-Valent Iron as Electron Donor Source. Environmental Science & Technology,58(47),20931-2094.論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10948?
    2025-01-02
  • ?廣州能源所在居民生活能源碳排放相關(guān)研究方面取得新進(jìn)展
    近期，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所能源戰(zhàn)略與碳資產(chǎn)研究中心蔡國(guó)田研究員團(tuán)隊(duì)在居民生活能源碳排放相關(guān)研究領(lǐng)域取得了新的研究成果。近期，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所能源戰(zhàn)略與碳資產(chǎn)研究中心蔡國(guó)田研究員團(tuán)隊(duì)在居民生活能源碳排放相關(guān)研究領(lǐng)域取得了新的研究成果。鑒于不同區(qū)域在資源稟賦、主體功能、產(chǎn)業(yè)格局以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等方面存在顯著差異，區(qū)域經(jīng)濟(jì)梯度差異為區(qū)域間居民生活變遷轉(zhuǎn)移提供了內(nèi)在動(dòng)力。同時(shí)，區(qū)域間社會(huì)變遷導(dǎo)致的城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)模和生活方式差異的逐漸擴(kuò)大，對(duì)區(qū)域間家庭部門居民資源利用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，進(jìn)而促使區(qū)域居民生活碳排放格局發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，在梳理區(qū)域碳排放責(zé)任時(shí)，必須考慮終端消費(fèi)的家庭部門，以實(shí)現(xiàn)更加公平和客觀的減排責(zé)任劃分，并在區(qū)域宏觀層面協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的可持續(xù)利用。研究聚焦于區(qū)域間城鄉(xiāng)居民生活碳排放的建模與應(yīng)用研究，旨在擴(kuò)展和完善我國(guó)在該領(lǐng)域的研究思路和模型方法，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，為居民低碳消費(fèi)和城市的低碳發(fā)展提供理論支撐。研究詳細(xì)展現(xiàn)了粵港澳大灣區(qū)（GBA）及周邊城市（PC）的城市級(jí)居民碳排放量分析過程，研究過程涵蓋了指導(dǎo)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集、分析和解釋等環(huán)節(jié)，采用城市級(jí)核算和時(shí)空分析方法。城市級(jí)核算利用消費(fèi)數(shù)據(jù)、夜燈數(shù)據(jù)和排放系數(shù)計(jì)算每個(gè)城市的能源代謝和二氧化碳排放量，隨后通過時(shí)空分析運(yùn)用LMDI模型，探究居民碳排放隨時(shí)間和空間變化的驅(qū)動(dòng)力和變化趨勢(shì)。圖1 居民生活能源碳排放研究框架的代謝角度解構(gòu)研究結(jié)果顯示，2010年至2020年間，居民碳排放量幾乎翻了一番，能源代謝率增長(zhǎng)了1.5倍。在這些因素的分解中，總體家庭增長(zhǎng)和能源代謝率是影響大灣區(qū)碳排放上升的主要正向驅(qū)動(dòng)因素，分別貢獻(xiàn)了60%和32%。不同地區(qū)之間存在顯著差異，主要驅(qū)動(dòng)因素包括能源代謝率、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和家庭數(shù)量增加。針對(duì)大灣區(qū)城市發(fā)展的不同需求，研究提出了針對(duì)性的政策建議，包括通過數(shù)字技術(shù)建立居民減碳行為的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)核算體系、通過采用遠(yuǎn)程辦公最大限度地減少通勤時(shí)間、使用節(jié)能家用電器和倡導(dǎo)采用智能家居技術(shù)推動(dòng)城市間碳減排協(xié)調(diào)治理等。研究揭示了粵港澳大灣區(qū)居民生活碳排放特征，確定了關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素和影響，并為大灣區(qū)及周邊城市的低碳城市發(fā)展和政策制定提供了政策建議。圖2 粵港澳大灣區(qū)及周邊城市碳排放變化研究引入了社會(huì)代謝理論，并采用了多種指標(biāo)和方法（如MuSIASEM方法和LMDI方法等）來綜合評(píng)價(jià)粵港澳大灣區(qū)家庭生活機(jī)制下，社會(huì)代謝及其綜合發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于碳排放的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。該方法拓展了居民生活能源碳排放的核算范圍，使得研究結(jié)果更加全面和準(zhǔn)確。研究揭示了家庭部門在碳排放中的重要地位，并指出了影響家庭碳排放的關(guān)鍵因素，有助于引導(dǎo)家庭部門采取更加節(jié)能和低碳的生活方式，從而降低碳排放量。針對(duì)不同地區(qū)的家庭能源利用模式差異，可以制定差異化的減排政策，以實(shí)現(xiàn)更加公平和有效的碳減排，有助于推動(dòng)我國(guó)在碳排放雙控領(lǐng)域的深入研究和有效實(shí)踐。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部人文社科基金、廣東省聯(lián)合基金、廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果以The impact of energy metabolic pattern on household carbon emissions: a spatio-temporal perspective in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area為題，發(fā)表于Sustainable Cities and Society期刊。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scs.2024.106094
    2024-12-31
  • “地球宜居性的深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制”重大研究計(jì)劃2024年度學(xué)術(shù)交流會(huì)暨2025年指南研討會(huì)在廣州順利召開
    年度交流會(huì)暨指南研討會(huì)的召開進(jìn)一步明確了重大研究計(jì)劃的總體目標(biāo)，促進(jìn)了項(xiàng)目組成員之間學(xué)術(shù)交流和合作，確定了下一年度項(xiàng)目指南發(fā)布的重點(diǎn)，為今后該重大研究計(jì)劃順利開展奠定良好基礎(chǔ)。2024年12月21日至22日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委）交叉科學(xué)部“地球宜居性的深部驅(qū)動(dòng)機(jī)制”重大研究計(jì)劃2024年度學(xué)術(shù)交流會(huì)暨2025年指南研討會(huì)在廣州順利召開。重大研究計(jì)劃指導(dǎo)專家組和管理工作組，以及來自全國(guó)30多所高校、科研院所的200余名專家學(xué)者參加會(huì)議。自然科學(xué)基金委交叉科學(xué)部副主任付雪峰，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱廣州地化所）黨委書記、副所長(zhǎng)張海祥致辭，王強(qiáng)副所長(zhǎng)主持開幕式。張海祥書記在致辭中強(qiáng)調(diào)，作為重大研究計(jì)劃依托單位，廣州地化所將全力配合自然科學(xué)基金委，為項(xiàng)目部署和實(shí)施提供支撐保障，同時(shí)鼓勵(lì)各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者積極申報(bào)相關(guān)項(xiàng)目，共同推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)科學(xué)的重大理論創(chuàng)新。徐義剛院士回顧了本重大研究計(jì)劃的立項(xiàng)背景、實(shí)施方案、總體目標(biāo)和核心科學(xué)問題等。他指出，本計(jì)劃旨在破解地球宜居性之謎，助力國(guó)家深地戰(zhàn)略。希望此次交流會(huì)能夠強(qiáng)化項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)，明確項(xiàng)目管理的基本要求，為實(shí)現(xiàn)重大研究計(jì)劃的總體目標(biāo)提供有力支持。隨后，2024年度資助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人分別作項(xiàng)目開題匯報(bào)，主要圍繞項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)，重點(diǎn)介紹了擬開展的工作內(nèi)容、預(yù)期成果及未來對(duì)本重大研究計(jì)劃的貢獻(xiàn)。指導(dǎo)專家組對(duì)會(huì)議報(bào)告進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)，并對(duì)后續(xù)研究工作提出了建設(shè)性意見。會(huì)議期間，指導(dǎo)專家組和管理工作組進(jìn)行了2025年度項(xiàng)目指南專題研討。年度交流會(huì)暨指南研討會(huì)的召開進(jìn)一步明確了重大研究計(jì)劃的總體目標(biāo)，促進(jìn)了項(xiàng)目組成員之間學(xué)術(shù)交流和合作，確定了下一年度項(xiàng)目指南發(fā)布的重點(diǎn)，為今后該重大研究計(jì)劃順利開展奠定良好基礎(chǔ)。
    2024-12-27
  • 深圳先進(jìn)院?|?陳業(yè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)高性能酵母誘導(dǎo)系統(tǒng)(Metabolic Engineering & Adv. Funct. Mater. )
    近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳業(yè)團(tuán)隊(duì)于國(guó)際期刊Metabolic Engineering發(fā)表研究論文"Versatile xylose and arabinose genetic switches development for yeasts"。該研究利用來自曲霉菌種的轉(zhuǎn)錄激活因子XlnR和AraRA以及細(xì)菌轉(zhuǎn)錄阻遏因子XylR和AraRR，在酵母中開發(fā)了基于廉價(jià)誘導(dǎo)劑的高誘導(dǎo)強(qiáng)度，低泄漏的木糖和阿拉伯糖誘導(dǎo)系統(tǒng)。近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳業(yè)團(tuán)隊(duì)于國(guó)際期刊Metabolic Engineering發(fā)表研究論文"Versatile xylose and arabinose genetic switches development for yeasts"。該研究利用來自曲霉菌種的轉(zhuǎn)錄激活因子XlnR和AraRA以及細(xì)菌轉(zhuǎn)錄阻遏因子XylR和AraRR，在酵母中開發(fā)了基于廉價(jià)誘導(dǎo)劑的高誘導(dǎo)強(qiáng)度，低泄漏的木糖和阿拉伯糖誘導(dǎo)系統(tǒng)。釀酒酵母作為重要的真核模式生物和細(xì)胞工廠，已經(jīng)有大量的天然或人工誘導(dǎo)系統(tǒng)被開發(fā)。但是，用于實(shí)際生產(chǎn)的大規(guī)模發(fā)酵的誘導(dǎo)系統(tǒng)依然局限于內(nèi)源的半乳糖(GAL)系統(tǒng)。然而，半乳糖誘導(dǎo)系統(tǒng)存在若干不足，主要表現(xiàn)在對(duì)葡萄糖的抑制作用導(dǎo)致生長(zhǎng)與生產(chǎn)過程難以分離，以及復(fù)雜的內(nèi)源調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在不同營(yíng)養(yǎng)條件下導(dǎo)致誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)行為的復(fù)雜性。此外，基因表達(dá)的誘導(dǎo)依賴于易降解且成本較高的半乳糖。D-木糖和L-阿拉伯糖作為農(nóng)業(yè)廢棄物（如秸稈）水解產(chǎn)物的主要組分，具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)。鑒于釀酒酵母無法天然降解這些糖類，它們成為理想的專一性誘導(dǎo)劑，可用于生產(chǎn)大量化學(xué)品或蛋白質(zhì)。自2015年以來，科學(xué)家已經(jīng)在酵母中開發(fā)了一些木糖基因表達(dá)誘導(dǎo)系統(tǒng)。過往的木糖誘導(dǎo)系統(tǒng)大多基于原核生物的阻遏轉(zhuǎn)錄因子XylRR構(gòu)建，但是這些系統(tǒng)都有一個(gè)普便存在的問題：最大誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄水平偏低，且轉(zhuǎn)錄因子的濃度需要細(xì)調(diào)以避免引發(fā)宿主生長(zhǎng)毒性。內(nèi)在調(diào)控原理-阻遏轉(zhuǎn)錄因子的去阻遏以及原核生物與真核生物的轉(zhuǎn)錄激活機(jī)制的截然不同，決定了很難改造已有的木糖轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)系統(tǒng)。文章上線截圖絲狀真菌是生態(tài)環(huán)境中的分解者，具有強(qiáng)大的分解代謝能力，因此研究團(tuán)隊(duì)著重在這類菌種中篩選能響應(yīng)木糖及阿拉伯糖的轉(zhuǎn)錄激活因子。通過構(gòu)建基于熒光報(bào)告基因的篩選系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)最終找到了來自構(gòu)巢曲霉和黑曲霉的轉(zhuǎn)錄激活因子-XlnR (AN7610)和AraRA (An04g08600)，能在釀酒酵母中分別劑量響應(yīng)木糖及阿拉伯糖并啟動(dòng)下游基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。為克服天然啟動(dòng)子的局限性，如序列冗長(zhǎng)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控信號(hào)多樣及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，研究團(tuán)隊(duì)采用結(jié)構(gòu)緊湊的釀酒酵母ADH2強(qiáng)誘導(dǎo)型啟動(dòng)子作為基礎(chǔ)，將XlnR的結(jié)合一致性序列xlno替換ADR1的結(jié)合序列，成功開發(fā)出響應(yīng)木糖的半合成啟動(dòng)子，顯著增強(qiáng)了木糖誘導(dǎo)下的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)。通過構(gòu)建TSS與TATA-box、TATA-box與poly(A)區(qū)域間隔序列的文庫，并調(diào)整轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序（motif）的數(shù)量，成功開發(fā)出具有廣泛動(dòng)態(tài)范圍的全合成誘導(dǎo)啟動(dòng)子。基于轉(zhuǎn)錄激活因子的誘導(dǎo)系統(tǒng)通常泄漏水平較高，為應(yīng)對(duì)泄漏水平較高的問題，研究團(tuán)隊(duì)引入了原核生物的轉(zhuǎn)錄阻遏抑制信號(hào)，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)錄激活/抑制的雙調(diào)控系統(tǒng)。這一創(chuàng)新使得木糖雙調(diào)控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展至4000倍以上，且最大誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活性達(dá)到釀酒酵母強(qiáng)組成型啟動(dòng)子TDH3活性的兩倍以上。同樣阿拉伯糖雙調(diào)控誘導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)300倍，最大誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄活性與TDH3啟動(dòng)子活性相當(dāng)。重要的是，農(nóng)業(yè)廢棄物如玉米芯未經(jīng)處理的水解物也可以充分激活該木糖誘導(dǎo)系統(tǒng)。最后，研究團(tuán)隊(duì)綜合比較了本研究開發(fā)的木糖及阿拉伯糖誘導(dǎo)系統(tǒng)與釀酒酵母中常用的誘導(dǎo)系統(tǒng)（天然系統(tǒng)如GAL系統(tǒng),Cu2+誘導(dǎo)啟動(dòng)子PCUP1,甲硫氨酸抑制啟動(dòng)子PMET3以及基于雌激素受體ER的合成誘導(dǎo)系統(tǒng)LexA-ER-VP16/B112），證實(shí)木糖雙調(diào)控系統(tǒng)就調(diào)控嚴(yán)謹(jǐn)性，誘導(dǎo)激活水平、動(dòng)態(tài)范圍、誘導(dǎo)速度和對(duì)宿主的生長(zhǎng)影響方面優(yōu)于現(xiàn)有系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了這兩套誘導(dǎo)系統(tǒng)在高滴度（>100 mg/L）芳樟醇生產(chǎn)中的實(shí)用性，同時(shí)證實(shí)了使用玉米芯水解物作為唯一碳源和誘導(dǎo)劑來源，也能實(shí)現(xiàn)高滴度芳樟醇的生產(chǎn)。最后，團(tuán)隊(duì)也證明了基于XlnR的木糖誘導(dǎo)系統(tǒng)可遷移到工業(yè)菌株如畢赤酵母、病原菌如光滑念珠菌和白色念珠菌（CUG支系酵母）。在畢赤酵母中，基于XlnR的木糖誘導(dǎo)系統(tǒng)的最大誘導(dǎo)水平高于其經(jīng)典的甲醇誘導(dǎo)系統(tǒng)，并證實(shí)了其用于生產(chǎn)分泌蛋白的實(shí)用性。本研究不僅為酵母提供了強(qiáng)大的遺傳開關(guān)，還提出了一種將激活/抑制信號(hào)整合到合成啟動(dòng)子中的通用策略，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。木糖及阿拉伯糖誘導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)策略，設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用本文第一作者是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院助理研究員郭淑慧，通訊作者是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員陳業(yè)。該工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。團(tuán)隊(duì)相關(guān)亮點(diǎn)成果通過與該研究相似的轉(zhuǎn)錄因子重構(gòu)結(jié)合合成啟動(dòng)子方法，以及對(duì)于轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)量、DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域及啟動(dòng)子模塊的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以在釀酒酵母及大腸桿菌中對(duì)于任意轉(zhuǎn)錄信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化?；谠摲椒?，陳業(yè)團(tuán)隊(duì)與湖南大學(xué)的合作成果，以"On-Chip Engineered Living Materials as Field-Deployable Biosensing Laboratories for Multiplexed Detection"為題，已在Advanced Functional Materials期刊上發(fā)表，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士黎欣睿完成了細(xì)胞傳感器的開發(fā)。原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416830基于微流控芯片的現(xiàn)場(chǎng)可部署的ELM生物傳感實(shí)驗(yàn)室（ELMlab-on-Chip）設(shè)計(jì)原理<!--!doctype-->
    2024-12-30
  • 深圳先進(jìn)院 | 合成生物學(xué)與環(huán)境工程相結(jié)合開創(chuàng)藻類處理畜牧業(yè)廢水新紀(jì)元（Bioresource Technology）
    畜牧業(yè)每年將生產(chǎn)240億噸廢水，廢水的排放導(dǎo)致水資源的嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。此外，集中飼養(yǎng)動(dòng)物的大型農(nóng)場(chǎng)需要大量使用激素和抗生素，對(duì)周圍的淡水生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生負(fù)面影響。畜牧業(yè)每年將生產(chǎn)240億噸廢水，廢水的排放導(dǎo)致水資源的嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化。此外，集中飼養(yǎng)動(dòng)物的大型農(nóng)場(chǎng)需要大量使用激素和抗生素，對(duì)周圍的淡水生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生負(fù)面影響。比如，畜牧業(yè)廢水中的厭氧消化后的出水的主要特點(diǎn)包括1）氨氮濃度高（1000-2000 mg/L），2）抗生素種類繁多，且3）碳氮比（C/N<1）往往低于傳統(tǒng)活性污泥所需的營(yíng)養(yǎng)比例（C/N >5）。因此，厭氧消化后的水不利于后續(xù)活性污泥法的反硝化過程的進(jìn)行，從而導(dǎo)致總氮濃度偏高。另一方面，目前研究藻類處理法存在的問題包括：1）無法適應(yīng)高氨氮以及多類型抗生素所帶來的毒性問題，2）藻類的收集也是目前比較關(guān)注的問題；3）其較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期和廢水處理時(shí)間勢(shì)必會(huì)大大增加大規(guī)模連續(xù)式反應(yīng)系統(tǒng)的水利停留時(shí)間，從而影響整個(gè)水廠的建造和運(yùn)營(yíng)成本。近日，由中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所的Howard H. Chou課題組，成都信息工程大學(xué)的張輝課題組以及美國(guó)克萊姆森大學(xué)的陳寰課題組在Bioresource Technology期刊發(fā)表重要研究成果"Two-stage continuous cultivation of microalgae overexpressing cytochrome P450 improves nitrogen and antibiotics removal from livestock and poultry wastewater"。研究發(fā)現(xiàn)，一種小球藻（Chlorella vulgaris）通過定向進(jìn)化可以適應(yīng)在含有高氨氮和低碳氮比的畜牧業(yè)厭氧消化廢水中生長(zhǎng)。并且本次研究采用了一種設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）相結(jié)合的研究模式優(yōu)化了利用該菌株來處理廢水的連續(xù)工藝，以實(shí)現(xiàn)加速氨氮的去除和縮短水利停留時(shí)間（HRT）。與此同時(shí)，經(jīng)過改造的菌株還有效地去除了廢水中的多種抗生素。該研究通過生理、化學(xué)、代謝物、轉(zhuǎn)錄組和遺傳分析，闡明了小球藻在廢水中生存的耐受性、氨氮去除和抗生素降解的機(jī)制。最終研究表明，在小球藻中過表達(dá)新鑒定的P450酶可以改善氨氮、有機(jī)氮和抗生素的降解。這項(xiàng)研究為開發(fā)基于微藻的工藝以改善畜牧業(yè)中的氮和水循環(huán)提供了寶貴的見解。同時(shí)，在合成生物學(xué)和環(huán)境工程層面，該研究也為后續(xù)優(yōu)化藻類污水處理技術(shù)提供了新的思路和發(fā)展方向。文章上線截圖清潔的水源和食物是人類健康和全球可持續(xù)發(fā)展相互關(guān)聯(lián)的重要資源。工業(yè)化養(yǎng)殖利用大量清潔水，同時(shí)產(chǎn)生大量廢水，對(duì)淡水供應(yīng)造成負(fù)擔(dān)。據(jù)估計(jì)，畜牧業(yè)每年為了生產(chǎn) 560 億頭牲畜供消費(fèi)會(huì)產(chǎn)生 240 億噸廢水，預(yù)計(jì)到 2050 年消費(fèi)量將超過 1000 億頭牲畜 （Sepúlveda-Mu?oz et al.,2023）。為了滿足這種日益增長(zhǎng)的需求，人們建立了大規(guī)模的集中飼養(yǎng)農(nóng)場(chǎng)，需要大量使用激素和抗生素 （Vaishnav et al.,2023）。然而，廢水往往在未進(jìn)行有效營(yíng)養(yǎng)管理的情況下排放，導(dǎo)致全球 64-97% 的富營(yíng)養(yǎng)化 （Silva-Gálvez et al.,2024）?？股卦趶U水中的積累及向環(huán)境的釋放可能會(huì)對(duì)抗生素耐藥性產(chǎn)生潛在的不利影響，加劇與耐藥病原體相關(guān)的現(xiàn)有問題 （Wang et al.,2021）。因此，畜牧業(yè)廢水管理不當(dāng)會(huì)對(duì)周圍的淡水生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康和安全產(chǎn)生負(fù)面影響。傳統(tǒng)的畜牧業(yè)廢水處理過程采用兩步法。首先，利用厭氧消化來極大地降低化學(xué)需氧量 （COD）。然后，使用好氧活性污泥氧化去除剩余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。厭氧消化步驟至關(guān)重要，因?yàn)楦?COD 會(huì)抑制污泥的生長(zhǎng) （Wang et al.,2016）。厭氧消化還有一個(gè)額外的好處，那就是以沼氣的形式創(chuàng)造綠色能源。在中國(guó)，每年通過加工牲畜糞便生產(chǎn) 145 億立方米沼氣 （Ran et al.,2021）。然而，厭氧消化后殘留的總氮（TN）較高，尤其是氨氮可高達(dá) 1000-2000 mg/L，使得厭氧消化出水中的碳氮比（COD/TN）較低，污泥沒有足夠的碳源進(jìn)行生長(zhǎng)，從而降低了第二步中活性污泥去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力 （Zhang et al.,2022）?；谖⒃宓奶幚砉に嚕浜锰幵谟谖⒃濯?dú)特的生理和代謝途徑使得其可以通過固定 CO2合成有機(jī)碳源，從而生長(zhǎng)在低 COD/TN的污水環(huán)境中。然而，微藻對(duì)于高氨氮和復(fù)合型抗生素廢水的適應(yīng)能力較差，同時(shí)目前基于微藻的處理工藝需要較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間 （HRT），約為 8-12 天 （de Mendon?a et al.,2018），這限制了它們?cè)谏虡I(yè)工藝中的廣泛應(yīng)用。為此，本研究旨在探索小球藻去除畜牧業(yè)厭氧廢水中的氮和抗生素的潛在機(jī)制。并通過設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）策略，將環(huán)境工程和合成生物學(xué)方法相結(jié)合，用以去除廢水中的氮和異類污染物以及縮短水力停留時(shí)間。定向進(jìn)化小球藻對(duì)畜牧業(yè)廢水的處理利用定向進(jìn)化技術(shù)，篩選到了新型小球藻（M5）能夠快速地去除廢水中的總氮（TN）,氨氮（NH4-N）和總磷（TP）。在鴨場(chǎng)厭氧廢水中實(shí)現(xiàn)了 192 mg TN/L/d、177 mg NH4-N/L/d 和 2 mg TP/L/d 的去除率，在養(yǎng)豬場(chǎng)厭氧廢水中實(shí)現(xiàn)了 160 mg TN/L/d、125 mg NH4-N/L/d 和 6 mg TP/L/d 的去除率 （圖1a 和b）。與之前發(fā)表的研究相比，在TN含量高出 4 倍的情況下，M5對(duì)TN去除率仍舊高出 8 倍 （Wang et al.,2016）。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)M5可有效去除鴨場(chǎng)廢水中的強(qiáng)力霉素、磺胺甲氧噠嗪、環(huán)丙沙星和磺胺嘧啶（圖 1c）。在豬場(chǎng)廢水中，也可有效去除磺胺甲氧噠嗪、磺胺二甲嘧啶、強(qiáng)力霉素、土霉素、磺胺間甲氧嘧啶、培氟沙星、金霉素和四環(huán)素（圖 1d）。圖 1. 畜禽廢水的批量處理工藝。處理（a）鴨場(chǎng)和（b）豬場(chǎng)廢水時(shí)細(xì)胞密度、化學(xué)需氧量 （COD）、總氮（TN）、銨氮（NH4-N）、總有機(jī)氮（TON）和總磷（TP）濃度的變化。M5 處理后（c）鴨場(chǎng)和（d）豬場(chǎng)廢水中抗生素的去除率連續(xù)反饋式處理系統(tǒng)的搭建為了能夠讓 M5 投入商業(yè)應(yīng)用，并且與傳統(tǒng)的活性污泥法的水力停留時(shí)間相匹配（HRT=4-6天），我們利用了 DBTL 策略來建立了一套新型兩級(jí)連續(xù)反饋式處理系統(tǒng)（CFP）。經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的觀察，CFP工藝在水力停留時(shí)間為4天的情況下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的污染物降解率，其中在鴨場(chǎng)廢水中的去除率為 334 mg TN/L/d、306 mg NH4-N/L/d 和 4 mg TP/L/d，在豬場(chǎng)廢水中的去除率為 213 mg TN/L/d、213 mg NH4-N/L/d 和 10 mg TP/L/d。即使在將系統(tǒng)總工作體積減少43% 后，使用CFP工藝的 NH4-N 去除率仍比搖瓶實(shí)驗(yàn)高出 70%。另一方面，在對(duì) CFP 系統(tǒng)中抗生素濃度的分析表明，林可霉素、恩諾沙星、磺胺甲氧噠嗪、螺旋霉素、磺胺嘧啶和泰樂菌素的去除效果均有所改善（圖 2f、g）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該套工藝已經(jīng)可以和傳統(tǒng)的活性污泥法的處理效率不相上下了，甚至在總氮的處理方面比污泥法更勝一籌。圖 2. 連續(xù)反饋工藝處理畜牧業(yè)廢水。（a）連續(xù)反饋系統(tǒng)示意圖。處理（b、c）鴨場(chǎng)厭氧消化廢水（DFWD）和（d、e）養(yǎng)豬場(chǎng)厭氧消化廢水（PWD）后，I 和 II 階段的細(xì)胞密度、化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、銨氮（NH4-N）和總磷（TP）濃度。從（f）DFWD 和（g）PWD 中抗生素去除率新型P450酶用于畜牧業(yè)廢水處理為了進(jìn)一步探索 M5 降解廢水的潛在機(jī)理，我們通過轉(zhuǎn)錄組測(cè)序挖掘了高表達(dá)的 P450 酶，其中經(jīng)過分析和比對(duì)，發(fā)現(xiàn)了一段完整的高表達(dá) P450 酶的基因（A23292）。為了驗(yàn)證這段基因的潛在功能，將其重新在未進(jìn)化的原始小球藻（M2）細(xì)胞體內(nèi)進(jìn)行了過表達(dá)實(shí)驗(yàn)。研究表明 A23292 過表達(dá)的小球藻細(xì)胞（M2+N）足以耐受畜牧業(yè)廢水中的抑制化合物。經(jīng)過M2過表達(dá)密碼子優(yōu)化的 A23292 處理后（M2+CO），鴨場(chǎng)和豬場(chǎng)廢水中的氨氮去除率分別提高了 11 倍和 5 倍（圖 3a、b）。因此，氨氮去除率的提高可能是由于 A23292 從廢水中去除了生長(zhǎng)抑制化學(xué)物質(zhì)，從而促進(jìn)了更高的細(xì)胞生長(zhǎng)，從而加速了氨氮的去除。在 A23292 過表達(dá)后，鴨場(chǎng)和豬場(chǎng)廢水中實(shí)現(xiàn)的 NH4-N 去除率分別為 470 mg NH4-N/L/d 和 240 mg NH4-N/L/d。另一方面，M2 過表達(dá)密碼子優(yōu)化的 A23292 后，林可霉素、恩諾沙星和泰樂菌素的去除率分別提高了 60%、40% 和 130%（圖 3c）。這些增加表明A23292參與了這些抗生素的水解作用。?圖 3. 細(xì)胞色素 P450 對(duì)畜牧業(yè)廢水的解毒測(cè)試。通過 M2 與空載體對(duì)照（M2+EV）、M5、過表達(dá)天然 A23292 的 M2（M2+N）和過表達(dá)密碼子優(yōu)化的 A23292 的 M2（M2+CO），去除（a）鴨場(chǎng)和（b）豬場(chǎng)廢水中的化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、銨氮（NH4-N）、總有機(jī)氮（TON）和總磷（TP）。（c）在 BG-11 中，通過過表達(dá)密碼子優(yōu)化的 A2329 的 M2 抗生素（500 μg/L）去除率本研究主要提供了兩種改進(jìn)基于藻類的高氨氮畜牧業(yè)厭氧消化廢水的處理方法。一種方法是基于合成生物學(xué)改造，通過過表達(dá)密碼子優(yōu)化后的 P450 酶來增強(qiáng)對(duì)有毒物質(zhì)的解毒。另一種是基于 DBTL 策略，開發(fā)通過細(xì)胞回流步驟來增強(qiáng)細(xì)胞的毒性耐受性并保持細(xì)胞繁殖能力。這兩種方法已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上得到驗(yàn)證，并且為以下學(xué)科領(lǐng)域和工程方面提供了一些新的思路和應(yīng)用：1）通過蛋白質(zhì)工程改進(jìn)小球藻 P450 酶的活性；2）分析結(jié)構(gòu)并探索 P450 酶在其他類型廢水中的潛在功能；3）可以研究基于藻類的 CFP 工藝與活性污泥工藝的結(jié)合進(jìn)一步去除 COD 和 TN。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的博士后肖睿為文章的第一作者，正高級(jí)工程師Howard H. Chou為文章的通訊作者。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的支持。參考文獻(xiàn)Ran,C.,Zhou,X.,Yao,C.,Zhang,Y.,Kang,W.,Liu,X.,Herbert,C.,Xie,T. 2021. Swine digestate treatment by prior nitrogen-starved Chlorella vulgaris: The effect of over-compensation strategy on microalgal biomass production and nutrient removal. Science of The Total Environment,768,144462.Sepúlveda-Mu?oz,C.A.,de Godos,I.,Mu?oz,R. 2023. Wastewater Treatment Using Photosynthetic Microorganisms. Symmetry,15(2),525.Silva-Gálvez,A.L.,López-Sánchez,A.,Camargo-Valero,M.A.,Prosenc,F.,González-López,M.E.,Gradilla-Hernández,M.S. 2024. Strategies for livestock wastewater treatment and optimised nutrient recovery using microalgal-based technologies. Journal of Environmental Management,354,120258.Vaishnav,S.,Saini,T.,Chauhan,A.,Gaur,G.K.,Tiwari,R.,Dutt,T.,Tarafdar,A. 2023. 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    2024-12-30