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《多伦多大学最新研究确定“超级明星”品种水稻能够减少肥料损失和降低环境污染》

  • 来源专题：农业立体污染防治
  • 编译者： 金慧敏
  • 发布时间：2016-08-29

  • 加拿大多伦多大学联合中国科学院开展了针对19种水稻品种的研究，其目的是筛选出哪些水稻品种具有更高的氮素利用效率。氮素被用作肥料，也被大多数作物无效吸收。在热带水稻田中，损失了50%-70%的氮肥，污染了附近水域或者淋失到了地下水中，这不仅对水生生物有害，而且是重要的温室气体来源。同时，氮素的成本也很高。加拿大克龙楚克教授首次发现了新的化学物质，是由水稻根部产生并释放出来的，能够直接影响土壤微生物的生理机制，而微生物的反应能够影响水稻氮素吸收，一些品种的水稻氮素吸收显著减少。研究人员只分析了一些中国、印度和东南亚的主要品种，具有很高的产量潜力、抗病性好。科学家希望通过这项研究改变亚洲的水稻生产策略。其中一个策略是希望通过政府的激励措施，比如税收，使农民采用“氮素友好”品种；或者采用新的育种策略，生产出更好的水稻品种。

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相关报告

  • 《Nature | 针对肥料管理或可降低氨排放》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-02-02
    • 2024年2月1日，南方科技大学郑一教授、香港科技大学冯志雄教授等在 Nature 期刊发表了题为Fertilizer management for global ammonia emission reduction 的研究论文。 大气中的氨是一种重要环境污染物，影响全球生态系统和人类健康。大约有51-60%的人为氨排放可追溯至作物栽种，其中一半与3种主要作物有关：水稻、小麦和玉米。但以高分辨率量化与具体耕地有关的氨排放的潜在减少很困难，且取决于如氮输入和本地排放等因素的细节情况。 该研究报告了在机器学习帮助下生成的对水稻、小麦和玉米作物氨排放的详细评估。这一数据集使人们能对具体耕地评估减排潜力，在这些作物的生长中有效管理肥料，能让大气中耕作带来的氨排放至多降低38%。 该研究基于包括气候、土壤特征、作物类型、灌溉、耕作和施肥操作等变量，使用机器学习建模了全球水稻、小麦和玉米农业的氮排放。为丰富模型信息，研究团队从对发表文献系统性回顾所得的2700项观察中开发出了一个氨排放数据集。研究团队用这一模型估计全球氨排放在2018年达到43亿公斤。研究团队计算出，根据模型指导在空间上优化肥料管理，可以让这三种作物的氨排放减少38%。优化策略包括在生长季节采用常规的耕作法，将增效肥料施放在更深的土壤中。 该研究发现，在施肥管理场景下，水稻作物能带来47%的总体减排潜力，玉米和小麦分别是27%和26%。在没有任何管理策略的场景下，研究团队计算出到2100年氨排放将升高4.6%-15.8%，最终数字取决于未来温室气体排放水平。
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  • 《吃雾的石墨烯复合材料可减少大气污染》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2019-12-05
    • 石墨烯旗舰公司与博洛尼亚大学，米兰理工大学，CNR，NEST，Italcementi HeidelbergCement Group，以色列理工学院，艾恩德霍芬技术大学和剑桥大学合作开发了石墨烯-二氧化钛光催化剂，其降解率最高可提高70％在实际污染物测试中，大气中的氮氧化物（NOx）比标准的二氧化钛纳米颗粒大。 大气污染是一个日益严重的问题，特别是在城市地区和欠发达国家。根据世界卫生组织的统计，每9例死亡中就有1例归因于空气污染引起的疾病。造成这种情况的主要原因是氮氧化物和挥发性化合物等有机污染物，它们主要是由汽车尾气和工业排放的。 为了解决该问题，研究人员一直在寻找从大气中去除更多污染物的新方法，而二氧化钛等光催化剂是实现这一目标的好方法。当二氧化钛暴露在阳光下时，它会降解氮氧化物（这对人体健康非常有害）和表面上存在的挥发性有机化合物，将它们氧化为惰性或无害的产品。 现在，在意大利海德堡水泥集团的Italcementi的协调下，从事光催化涂层研究的石墨烯旗舰团队开发了一种新型的石墨烯-二氧化钛复合材料，该复合材料的光降解性能比裸氧化钛要强得多。 Italcementi研究协调员Marco Goisis评论说：“我们响应了旗舰的要求，并决定将石墨烯与最常用的光催化剂二氧化钛偶合，以增强光催化作用。”他继续说：“光催化是我们必须破坏环境的最有效方法之一，因为该过程不会消耗光催化剂。这是被太阳光激活的反应。” 通过仅在水和大气压下在二氧化钛纳米粒子存在的情况下进行石墨的液相剥落（生成石墨烯的过程），他们创建了一种新的石墨烯-二氧化钛纳米复合材料，该复合材料可以被动涂覆在材料表面清除空气中的污染物。如果将涂料用于街道或建筑物墙壁上的混凝土，则无害的光降解产品可能会被雨或风洗掉，或手动清除。 为了测量光降解效果，该团队测试了新型光催化剂对NOx的影响，并记录了与标准二氧化钛相比氮氧化物的光催化降解方面的明显改善。他们还使用罗丹明B作为挥发性有机污染物的模型，因为其分子结构与汽车，工业和农业排放的污染物的分子结构极为相似。他们发现，在紫外线照射下，石墨烯-二氧化钛复合物比单独的二氧化钛降解的罗丹明B多40％。 “石墨烯与二氧化钛的偶联以粉末形式为我们提供了优异的结果-可以应用于不同的材料，其中混凝土是广泛使用的一个很好的例子，有助于我们实现更健康的环境。它的维护成本低且环保友好，因为它只需要太阳的能量，不需要其他输入。” Goisis说。但是，要在商业规模上使用它之前，还需要解决一些挑战。需要更便宜的批量生产石墨烯的方法。催化剂和主体材料之间的相互作用需要加深，并需要研究光催化剂在室外环境中的长期稳定性。 超快速瞬态吸收光谱法测量显示了从二氧化钛到石墨烯薄片的电子转移过程，降低了电荷复合速率并提高了反应性物质光产生的效率，这意味着更多的污染物分子可能会降解。 功能性泡沫和涂料的石墨烯旗舰工作包负责人冯新亮解释说：“应用于建筑的胶结基质中的光催化作用可通过减少NOx并实现表面的自我清洁而对减少空气污染产生重大影响。石墨烯可以帮助改善催化剂（如二氧化钛）的光催化性能并增强水泥的机械??性能在该出版物中，石墨烯旗舰合作伙伴通过一步法制备了石墨烯-二氧化钛复合材料在本模型研究中，所制备的复合材料显示出增强的光催化活性，与原始二氧化钛相比，降解的污染物最多比原始二氧化钛多40％，而与之相似的氮氧化物最多可降解70％而且，使用超快速瞬态吸收光谱法简要研究了这种改善的机理。” 作为全球最大的水泥生产商之一的海德堡水泥集团旗下的Italcementi公司全球产品创新总监Enrico Borgarello表示：“将石墨烯整合到二氧化钛中制成新的纳米复合材料是成功的。纳米复合材料显示出光催化性能的显着改善大气中NOx的降解增强了二氧化钛的作用。这是非常重要的结果，我们期待在不久的将来实现光催化纳米复合材料的使用，以改善空气质量。” 将石墨烯掺入混凝土的原因并不仅限于此。 Italcementi还在开发另一种产品-导电石墨烯混凝土复合材料，该产品已于今年2月的世界移动通信大会上展出。当作为地板的一层包括在内时，当电流通过时会释放热量。戈西斯评论道：“您无需使用储水箱或锅炉中的水就可以加热房间或人行道。这为未来的智慧城市-尤其是自感应混凝土-打开了创新之门，”它可以检测压力。混凝土结构中的应力或应变，并监视结构缺陷，如果结构完整性接近失效，则提供警告信号。 石墨烯旗舰产品的科学技术官兼管理小组主席Andrea C. Ferrari补充说：“现在越来越多的公司成为石墨烯旗舰产品的合作伙伴或准成员，因为他们认识到新的和潜在的潜力。在这项工作中，意大利建筑材料领域的负责人Italcementi展示了石墨烯在环境污染物降解中的明确应用，不仅可以带来商业利益，而且最重要的是，通过产生石墨烯可以给社会带来好处。在更清洁，更健康的环境中。” ——文章发布于2019年12月3日
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