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《群落结构和土壤pH值决定排水水稻土化能自养固定二氧化碳》

  • 来源专题：农业立体污染防治
  • 编译者： 金慧敏
  • 发布时间：2015-06-05

  • 以往的研究表明，微生物光合作用在稻田中起着潜在作用。但对排水稻田土壤碳自养固定者却知之甚少。中国科学院城市环境研究所研究人员联合中国科学院宁波城市环境的观察研究所的学者进行了缩微研究，利用来自5个稻田的土壤样本确定环境因素和量化参与自养碳固定的关键功能微生物类群。

    使用了稳定同位素探测与磷脂脂肪酸（PLFA）和分子生物学方法相结合。微生物13CO2的固定量是通过13C富集的脂肪酸甲酯的定量测定并介于21.28至72.48纳克13C（克，干土）-1间，相应比率（标记磷脂脂肪酸-C：总磷脂脂肪酸-C）介于0.06-0.49％间。除了在pH值7.8的对应量，集成13CO2到磷脂脂肪酸的量随着土壤pH值增加显著增加。磷脂脂肪酸和高通量测序结果表明革兰阴性菌或变形杆菌在固定13CO2中主导作用。相关性分析显示微生物群落结构和碳固定之间的关联显著。研究人员提供的土壤无机碳固定的微生物群落结构规则下的稻田土壤生态系统统计证据是自养固碳的直接证据。

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  • 《Cell：让细菌变成自养生物！靠消耗二氧化碳生长》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2019-12-04
    • 近日，据《Cell》杂志上的一项研究报道，以色列的研究人员创造出了一种新型大肠杆菌菌株，该菌株消耗二氧化碳作为能源，而不是有机化合物。这一成就凸显了细菌新陈代谢的惊人可塑性，并为未来的碳中和生物生产提供框架。 在这项研究中，研究人员的主要目标是建立一个方便的科学平台，以增强对二氧化碳的固定，这可以帮助解决与可持续生产食品和燃料以及二氧化碳排放引起的全球变暖等有关问题。大肠杆菌作为生物技术的主要力量，将其碳源从有机碳转化为二氧化碳是迈向建立这样一个平台的重要一步。 因此，研究人员利用新陈代谢的重新布线和实验室进化将大肠杆菌转化为自养生物。工程菌株从可再生资源电化学产生的甲酸盐中收集能量，因为甲酸盐是一种有机一碳化合物，不能作为大肠杆菌的碳源，所以不支持异养途径。研究人员还对该菌株进行了工程改造，以产生用于碳固定和还原以及从甲酸中收集能量的非天然酶。但是，仅凭这些变化不足以支持自养，因为大肠杆菌的代谢适应了异养生长。 为了克服这一难题，研究人员将适应性实验室进化作为一种代谢优化工具。通过将参与异养生长的中央酶失活，使细菌更依赖自养途径生长，还利用有限数量的木糖（有机碳的来源）在包含大量甲酸盐和10％二氧化碳的化学恒温器中培养细胞，以抑制异养途径。最初供应约300天的木糖可足够支持细胞增殖以启动进化。 在这种环境中，与依赖木糖作为生长碳源的异养生物相比，自养生物具有很大的选择性优势，它们将二氧化碳作为唯一碳源生产生物质，研究人员使用同位素标记证实了分离出的细菌是真正的自养细菌。 使用13C的同位素标记实验表明，所有生物质组分均由二氧化碳作为唯一碳源产生 为了使实验室进化的通用方法成功，研究人员必须将所需的细胞行为变化与适应性优势相结合。通过对进化的自养细胞的基因组和质粒进行测序发现，在进化过程中仅获得了11个突变：一类突变是影响编码与碳固定循环相关的酶的基因；第二类是在以前的自适应实验室进化实验中通常观察到突变的基因中发现的突变，这表明它们不一定对自养途径具有特异性；第三类是未知基因的突变。 这项研究首次描述了细菌生长方式的成功转化，使得肠道细菌以类似植物的方式生存。令人惊讶的是，进行这种转变所需基因改变的数量相对较小。
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  • 《加上高温高压 二氧化碳也能当发电“能手”》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2021-01-27
    • 关注国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项② 相比于水蒸气发电机组，sCO2发电是一项颠覆性技术，涉及到许多关键技术的研发，商业化还需一段时间，但它代表能源动力行业的发展方向。 徐进良 项目负责人、华北电力大学教授、教育部重点实验室主任 在日前闭幕的中央经济工作会议上，“做好碳达峰、碳中和工作”被列为2021年的重点任务之一。 在国家重点研发计划专项成果中，就有一批煤炭清洁高效利用和新型节能技术。科技日报记者从科技部高技术研究发展中心获悉，国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项部署的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目，由华北电力大学牵头，取得重要突破。超高参数二氧化碳（简称sCO2）燃煤发电系统采用高温高压二氧化碳代替水蒸气，实现动力循环和电力生产。项目最终完成发电效率51%的1000兆瓦（MW）级系统概念设计，为逐步推进大容量超高参数二氧化碳燃煤发电系统示范及应用奠定理论与技术基础。 与水蒸气发电相比，可实现快速升降负荷 为做好碳达峰与碳中和，中国承诺2030年左右使二氧化碳（CO2）排放达到峰值，争取2060年前实现碳中和，这就需要大幅减少CO2排放。 “一方面，发挥煤炭‘压舱石’作用，支撑清洁煤炭发电。另一方面，大力发展可再生能源，实现多能源互补，保证能源安全。”项目负责人、华北电力大学教授、教育部重点实验室主任徐进良在接受科技日报记者采访时表示。 可再生能源发电时大时小、不稳定，“变脸变得快”，导致弃风弃光现象的发生。煤炭发电要跟上这种“变脸”，就需要快速变负荷。 “超高参数二氧化碳煤炭发电由于热源温度高，相比于水蒸气发电机组，具有明显效率优势，减少了CO2排放。同时，sCO2发电机组设备少，体积小，机组惯性小，非常灵活，可实现快速升降负荷，这对于水蒸气发电来说是难以实现的。”徐进良说，sCO2发电对于平衡电网负荷波动，保持供给侧和需求侧平衡，具有重要意义，是未来发展方向。 基于此，国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项中的“超高参数高效二氧化碳燃煤发电基础理论与关键技术研究”项目应运而生。 既考虑原始创新，又考虑工程落地需求 记者获悉，项目旨在研究解决超高参数二氧化碳燃煤系统能量梯级利用、热力学循环及热学优化理论，以及关键部件能质转换与传递机理的关键科学问题，突破锅炉燃烧及污染物控制、换热器、透平及一体化系统设计等关键技术。 为什么要设定如此的目标？ “在我国发展sCO2燃煤发电过程中，基于我国国情及自主创新指导思想，走与国外不同的技术路线。我们既考虑原始创新，又考虑工程落地需求。”徐进良说。 在目标方面，我们要梳理sCO2煤炭发电和水蒸气发电，在热力系统构建、关键设备机理、设计、制造及运行方面，哪些是相同的，哪些是不同的，重点要攻克哪些技术难题？ “针对关键技术突破，形成系统的热力系统构建、关键设备工作机理、以及经过实验验证的理论和方法，支撑我国sCO2煤炭发电事业的发展。”徐进良说，通过研究，需回答采用sCO2煤炭发电在节省煤炭资源、降低二氧化碳排放及经济性方面的优势，这些分析需建立在定量数据基础上。 在循环热力系统的构建上取得突破 徐进良介绍，项目实施分两个阶段，第一阶段是2019年的中期验收。第二阶段是从中期验收到目前。 第一阶段在sCO2煤炭发电循环热力系统的构建上取得突破性进展。 “超高参数二氧化碳循环最初不是针对煤炭发电提出的。这个循环要用到煤炭发电上，出现了许多新的问题。在项目第一阶段，围绕循环流量大，锅炉管堵塞引起机组效率下降，以及如何实现烟气热量‘吃干榨净’等关键问题，项目提出了锅炉模块化设计以及能量复叠利用原理，彻底解决了循环构建方面的难题。”徐进良说。 第二阶段在关键部件能量传递转化上取得突破。 “最典型的是发现超临界流体的不均匀物质结构，颠覆了超临界流体具有均匀流体结构的常规认知，这一发现对于发展关键部件设计及运行技术意义重大，大幅提高关键设备设计精度并保证安全。”徐进良说。 超临界态是物质的一种状态，超临界流体在自然界和工程上广泛应用。项目关于超临界不均匀物质结构的研究也引起国际学术界关注，美国学者在发表的论文中，长篇幅正面引用及评价了本项目工作。 “本项目的工作指导了工程实际，项目理论指导了在华北电力大学建立的超高参数二氧化碳实验设施的建设，该实验台压力高达26兆帕（MPa），而国际上超高参数二氧化碳数据集中在8MPa左右，难以满足工程实际的需求，该实验台的建立弥补了国际上超高参数二氧化碳传热数据的不足。”徐进良说，另外，本项目成果还指导了我国建设的小容量超临界二氧化碳煤炭机组的研发。 以能解决关键科学技术问题为检验标准 在徐进良看来，项目取得关键突破有三个原因。 第一是“反四唯”的结果，项目实施不以发表论文和专利为指挥棒，而以能真正解决关键科学技术问题为检验成果的标准。为此，项目组克服困难，大胆创新，取得好的效果。 第二是管理体制的改革，使项目实施更顺利。科技部实行“放管服”改革，简化了项目管理，减少了各类表格的填写，科研人员有更多时间思考科学技术问题和做研究，提高了研发效率。 第三是项目组实行了“挂图施工”，项目负责人严格按时间节点，督促项目组成员完成研发任务，保证质量，保证各课题间的数据交汇等。 对于未来项目的攻关工作，徐进良认为，相比于水蒸气发电机组，sCO2煤炭发电是颠覆性技术，涉及到许多关键技术的研发，商业化还需一段时间，但它代表能源动力行业的发展方向。 徐进良建议，我国“十四五”期间，应围绕sCO2煤炭发电，建设综合性关键技术及系统集成平台，验证已取得的sCO2煤炭发电理论和方法，取得运行数据，系统评估材料的耐久性，评估sCO2煤炭发电在经济及环保方面的优势，为建设商业化的sCO2煤炭发电机组进行技术储备和奠定基础。 “同时，着手进行大型sCO2煤炭发电机组发电的设计工作。地方政府和企业也积极加入sCO2发电技术的研发行列，并开辟sCO2太阳能发电、sCO2中高温余热发电的新模式。”徐进良说。
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