科学家在蓝藻中发现了一种新的酶功能 有望催生更好的碳捕捉作物

科学家在蓝藻中发现了一种新的酶功能 有望催生更好的碳捕捉作物 5月10日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的这项研究展示了一种名为羧基体碳酸酐酶（CsoSCA）的酶以前未知的功能，这种酶存在于蓝藻（又称蓝绿藻）中，能最大限度地提高微生物从大气中提取二氧化碳的能力。蓝藻因其在湖泊和河流中的有毒繁殖而广为人知。但这些蓝绿色的细菌分布广泛，也生活在世界的海洋中。虽然它们会对环境造成危害，但研究人员将它们形容为"微小的碳超级英雄"。通过光合作用，它们每年在捕捉全球约 12% 的二氧化碳方面发挥着重要作用。蓝细菌是一组光合细菌，通常被称为"蓝藻"，尽管它们是原核生物而不是真正的藻类。从海洋、淡水到裸岩，这些生物广泛存在于各种水生和陆地环境中。蓝藻以其进行含氧光合作用的能力而闻名，这意味着它们会产生氧气作为副产品，与植物类似。这一过程对地球上的生命至关重要，因为它为大气中氧气的产生做出了重要贡献。第一作者、澳大利亚国立大学博士研究员萨沙-普尔斯福德（Sacha Pulsford）介绍了这些微生物捕获碳的惊人效率。Pulsford女士说："与植物不同，蓝藻有一个称为二氧化碳浓缩机制（CCM）的系统，它能固定大气中的碳并将其转化为糖，其速度明显快于标准植物和农作物物种。"CCM 的核心是被称为羧基体的大型蛋白质区。这些结构负责封存二氧化碳，容纳 CsoSCA 和另一种叫做 Rubisco 的酶。CsoSCA 和 Rubisco 两种酶协同工作，显示出 CCM 的高效特性。CsoSCA 的作用是在羧基体内产生局部高浓度的二氧化碳，然后 Rubisco 可以吞噬这些二氧化碳，并将其转化为糖分供细胞食用。论文的主要作者、英国国立大学的本-朗博士说："到目前为止，科学家们还不清楚CsoSCA酶是如何受控的。我们的研究重点是揭开这个谜团，尤其是在遍布全球的一个主要蓝藻群中。我们的发现完全出乎意料。CsoSCA酶随着另一种名为RuBP的分子的旋律起舞，RuBP像开关一样激活了它。把光合作用想象成做三明治。空气中的二氧化碳是馅料，但光合作用细胞需要提供面包。这就是 RuBP。""就像做三明治需要面包一样，二氧化碳转化为糖的速度取决于 RuBP 的供应速度。CsoSCA酶向Rubisco提供二氧化碳的速度取决于RuBP的含量。当RuBP足够多时，酶就会开启。但是，如果细胞中的 RuBP 用完了，酶就会关闭，从而使系统高度调整和高效。令人惊讶的是，CsoSCA酶一直蕴藏在大自然的蓝图中，等待着被发现"。科学家们说，工程作物在捕获和利用二氧化碳方面的效率更高，这将大大提高作物产量，同时减少对氮肥和灌溉系统的需求，从而极大地促进农业发展，它还可以确保世界粮食系统更能适应气候变化。Pulsford 女士说："了解 CCM 的工作原理不仅能丰富我们对地球生物地球化学基本自然过程的认识，还能指导我们为世界面临的一些最大的环境挑战制定可持续的解决方案。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

更高的二氧化碳含量意味着病毒存活时间更长、感染范围更大

更高的二氧化碳含量意味着病毒存活时间更长、感染范围更大 图片显示电场将含有 COVID-19 病毒的液滴悬浮在空中。图片显示的是独特的 CELEBS 生物气溶胶装置中悬浮病毒液滴的俯视图，液滴直径约 2 厘米。"我们知道，SARS-CoV-2 和其他病毒一样，会通过我们呼吸的空气传播，"该研究的第一作者和共同通讯作者、该大学化学学院气溶胶科学高级助理研究员艾伦-哈德雷尔（Allen Haddrell）说。"但这项研究标志着我们在了解这种传播的确切方式和原因方面取得了巨大突破，而且关键的是，我们可以采取什么措施来阻止这种传播。"二氧化碳（CO2）是室内空间通风的良好指标，房间里的人数会影响二氧化碳的浓度。由于二氧化碳和呼吸道病毒都存在于呼出的空气中，因此将二氧化碳浓度作为病毒传播风险的替代指标是合理的。在这里，我们需要深入研究一下呼吸科学。呼出气体的高 pH 值（碱性）源自呼吸道分泌物。例如，唾液和肺液中的碳酸氢盐（一种碱性物质）含量较高。当碳酸氢盐蒸发成气态二氧化碳时，呼出气体中液滴的 pH 值会发生变化，但会受到相对湿度、液滴大小和环境二氧化碳浓度等因素的影响。由于 pH 值被认为是空气传播病毒传染性的一个驱动因素，研究人员探讨了环境二氧化碳浓度是否会影响空气传播病毒的稳定性（空气稳定性），进而影响其传播风险。在 COVID-19 大流行的背景下，二氧化碳监测仪被用来估算建筑物的通风量。正常室外空气中的二氧化碳含量约为百万分之 400；在通风良好的典型室内空间，二氧化碳浓度介于百万分之 400 到 1,000 之间。在通风不良、有人居住的空间，二氧化碳浓度可超过 2000 ppm，在较为拥挤的环境中，二氧化碳浓度可升至 5000 ppm 以上。通过改变空气中的二氧化碳浓度，使其介于百万分之 400 和 6500 之间，研究人员证实了二氧化碳浓度与空气传播病毒保持传染性时间长短之间的相关性。与典型的大气二氧化碳浓度（约 500 ppm）相比，二氧化碳浓度从 400 ppm 适度增加到 800 ppm（仍在通风良好的室内范围内），两分钟后所有 SARS-CoV-2 变体（Delta、Beta、Omicron）的病毒可吸入性都显著增加。在 800 ppm 和 6,500 ppm 之间，感染性没有差异。随着时间的推移，二氧化碳浓度的升高对 SARS-CoV-2 的感染性有很大影响。与正常空气相比，当二氧化碳浓度为 3000 ppm（与拥挤的房间相似）时，40 分钟后仍具有传染性的病毒数量约为正常空气的 10 倍。Haddrell说："这种关系揭示了为什么在某些条件下会发生超级传播事件。含有SARS-CoV-2病毒的呼出液滴的pH值较高，这可能是导致传染性丧失的主要原因。二氧化碳与飞沫作用时表现为酸性。这导致液滴的 pH 值降至较低的碱性，导致其中的病毒灭活速度减慢。"值得庆幸的是，研究人员提出的降低传染性的建议非常简单。Haddrell说："这就是为什么开窗是一种有效的缓解策略，因为它既能从物理上将病毒排出房间，又能使气溶胶液滴本身对病毒的毒性更强。"鉴于全球都在关注减少大气中的二氧化碳，而气候科学家预测二氧化碳在未来几十年将上升到550 ppm 以上，研究人员表示，他们的发现具有更广泛的意义。"因此，这些发现不仅对我们了解呼吸道病毒的传播，而且对我们环境的变化如何可能加剧未来大流行病的可能性，都具有更广泛的意义。我们的研究数据表明，大气中二氧化碳含量的上升可能会延长其他呼吸道病毒在空气中保持传染性的时间，从而增加它们的传播能力。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。 ... PC版： 手机版：

MIT科学家正尝试利用二氧化碳足迹发现潜在外星生命

MIT科学家正尝试利用二氧化碳足迹发现潜在外星生命 研究人员提出，如果一颗陆地行星的大气中二氧化碳含量比同一星系中的其他行星少很多，这可能是该行星表面存在液态水也可能是生命的迹象。更重要的是，这一新特征就在美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的观测范围之内。虽然科学家们已经提出了其他宜居迹象，但这些特征即使不是无法测量，也很难用现有技术测量。研究小组表示，这种二氧化碳相对耗尽的新特征是目前唯一可以探测到的宜居性迹象。麻省理工学院行星科学助理教授朱利安-德-维特（Julien de Wit）说："系外行星科学的圣杯是寻找宜居世界和生命的存在，但迄今为止人们谈论的所有特征都超出了最新天文台的能力范围。现在我们有办法找出另一颗行星上是否有液态水。这也是我们在未来几年内可以实现的目标"。在这幅插图中，美国宇航局詹姆斯-韦伯太空望远镜的多层遮阳板在天文台的蜂巢镜下伸展开来。韦伯望远镜是未来十年中最重要的天文台，为全世界成千上万的天文学家服务。它研究我们宇宙历史的每一个阶段。图片来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez研究小组的研究成果最近发表在《自然-天文学》上。de Wit 与英国伯明翰大学的 Amaury Triaud 共同领导了这项研究。他们在麻省理工学院的合著者包括本杰明-拉克姆、普拉杰瓦尔-尼劳拉、安娜-格利登-奥利弗-贾古茨、马特伊-佩奇、亚努什-佩特科夫斯基和萨拉-西格，以及伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的弗里德-克莱因、法国综合理工学院的马丁-图尔贝和波尔多天体物理实验室的弗兰克-塞尔西斯。迄今为止，天文学家已经探测到 5200 多个太阳系外的世界。利用目前的望远镜，天文学家可以直接测量行星到恒星的距离以及完成一个轨道所需的时间。这些测量结果可以帮助科学家推断行星是否在宜居带内。但是还没有办法直接确认一颗行星是否真的适合居住，也就是说它的表面是否存在液态水。在整个太阳系中，科学家可以通过观察"闪光" - 即从液体表面反射的闪光来探测液态海洋的存在。例如，在土星最大的卫星土卫六上就观测到了这些闪光或镜面反射，这有助于确认该卫星上有大型湖泊。然而，要在遥远的行星上探测到类似的微光，目前的技术还无法实现。不过，德威特和他的同事们意识到，还有一种近在咫尺的宜居特征可以在遥远的世界中探测到。特里奥德说："通过观察我们自己系统中的陆地行星，我们萌生了一个想法。"金星、地球和火星都有相似之处，即都是岩石行星，居住在相对于太阳而言较为温和的区域。地球是三颗行星中目前唯一拥有液态水的行星。研究小组还注意到另一个明显的区别：地球大气中的二氧化碳含量要少得多。我们假设这些行星是以类似的方式诞生的，如果我们现在看到一颗行星的碳含量少了很多，那么它一定是去了某个地方。唯一能从大气中移除这么多碳的过程是涉及液态水海洋的强大水循环。事实上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要而持久的作用。在数亿年的时间里，海洋吸收了大量的二氧化碳，几乎相当于今天金星大气中持续存在的二氧化碳量。这种行星级的效应使得地球大气中的二氧化碳含量大大低于其行星邻居。研究报告的合著者弗里德-克莱因（Frieder Klein）说："在地球上，大气中的大部分二氧化碳在地质时间尺度上被封存在海水和固体岩石中，数十亿年来，这有助于调节气候和宜居性。"研究小组推断，如果在一颗遥远的行星上检测到类似的二氧化碳消耗，那么这将是其表面存在液态海洋和生命的可靠信号。在广泛查阅了生物学、化学、甚至气候变化背景下的碳封存等多个领域的文献后，研究人员认为，如果我们探测到碳耗竭，那么它就很有可能是液态水和/或生命的强烈信号。寻找生命的路线图在他们的研究中，研究小组提出了一种通过寻找贫化二氧化碳特征来探测宜居行星的策略。这种搜索对"豌豆荚"系统最有效，在这种系统中，多个大小差不多的陆地行星的轨道彼此相对靠近，类似于我们的太阳系。研究小组提出的第一步是确认这些行星是否有大气层，方法很简单，就是寻找是否存在二氧化碳，预计二氧化碳在大多数行星大气层中占主导地位。"二氧化碳是一种非常强的红外线吸收体，很容易在系外行星的大气层中被探测到，"de Wit 解释说。"二氧化碳的信号可以揭示系外行星大气层的存在"。一旦天文学家确定一个星系中有多颗行星拥有大气层，他们就可以继续测量它们的二氧化碳含量，观察是否有一颗行星的二氧化碳含量明显低于其他行星。如果是这样，那么这颗行星很可能适合居住，也就是说它的表面有大量的液态水。但宜居条件并不一定意味着行星上有人居住。为了确定是否真的存在生命，研究小组建议天文学家寻找行星大气层中的另一个特征：臭氧。研究人员注意到，在地球上，植物和一些微生物会汲取二氧化碳，但汲取的量远不及海洋。不过，作为这一过程的一部分，生命形式会释放出氧气，氧气与太阳的光子发生反应，转化成臭氧一种比氧气本身更容易检测的分子。研究人员说，如果一个星球的大气层同时显示出臭氧和二氧化碳枯竭的迹象，那么这个星球很可能是一个宜居的、有人居住的世界。特里奥德说："如果我们看到臭氧，那么它很有可能与生命消耗二氧化碳有关。如果是生命，那就是灿烂的生命。它不仅仅是几个细菌。它将是一个星球规模的生物体，能够处理大量的碳，并与之相互作用。"据研究小组估计，美国宇航局的詹姆斯-韦伯太空望远镜将能够测量附近多行星系统中的二氧化碳，可能还包括臭氧，比如TRAPPIST-1一个围绕一颗明亮恒星运行的七大行星系统，距离地球仅40光年。"TRAPPIST-1 是我们可以利用 JWST 进行陆地大气研究的少数系统之一，"de Wit 说。"现在我们有了寻找宜居行星的路线图。如果我们齐心协力，就能在未来几年内完成颠覆性的发现。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家通过在田间施用固碳用岩尘以提高作物产量并减少温室气体

科学家通过在田间施用固碳用岩尘以提高作物产量并减少温室气体 在自然状态下，岩石在环境中分解时会自然吸收大气中的二氧化碳。岩石碎裂成的块数越多，可用于固碳的总表面积就越大，因此可吸收的二氧化碳量也就越大。然而，大多数岩石需要很长时间才能自行碎裂成小块。此外，为了让所有这些碎块都能吸收二氧化碳，它们必须分布在一个大范围内，全部暴露在大气中。这就是强化岩石风化的作用所在。该工艺是用机械将岩石粉碎成粉尘状，然后将其撒在农田里。农民不一定要花费额外的时间来做这些工作，因为这些粉尘可以与已经施用在农田里的肥料或其他添加剂一起撒播。在 2020 年的研究中确定，如果在全球范围内实施强化岩石风化，每年可从大气中吸收多达 20 亿吨（约 22 亿吨）二氧化碳。这比全球航空和海运每年排放的二氧化碳总和还要多得多。这些岩石可以从采矿作业等渠道获得，农民可以得到经济激励，在他们的田地里使用这些粉尘。如果仅靠金钱还不够，那么提高产量的承诺可能会有所帮助。迪米塔-埃皮霍夫博士在一块试验田里视察大豆 Ilsa Kantola，加州大学洛杉矶分校这项新研究在伊利诺伊大学能源农场进行，为期四年，研究对象是轮流种植玉米和大豆的田块。这些田地中的一些地块未经处理，作为对照组，而其他地块则每年以每公顷 50 吨（45 吨）的比例施用玄武岩粉尘。最终发现，经过处理的地块产量比对照地块高出 12% 至 16%。这一结果主要是由于玄武岩提高了土壤的 pH 值，进而增强了植物吸收土壤中已有养分的能力。此外，玄武岩在土壤中分解时，自身也释放出磷、钾和钙等养分。此外，经过玄武岩处理的地块上的植物含有更多的微量和大量营养元素，从而提高了它们对人类和牲畜的营养价值。固碳效果也得到了证实现在人们相信，施用碎石粉每年每公顷可以清除大气中大约三到四吨的二氧化碳。首席科学家、谢菲尔德大学戴维-比尔林（David Beerling）教授说："我们用来之不易的数据证明了增强风化法在现实世界中的碳清除潜力。这是了解这项技术在减缓气候变化的同时提高产量和改善土壤健康的巨大潜力方面迈出的一大步"。有关这项研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。 ... PC版： 手机版：

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料

新型反应堆系统将二氧化碳转化为可用燃料 锅炉的效率通常很高。因此，仅靠提高燃烧效率很难减少二氧化碳排放。因此，研究人员正在探索其他方法，以减轻锅炉排放的二氧化碳对环境的影响。为此，一个很有前景的策略是捕获这些系统排放的二氧化碳，并将其转化为有用的产品，如甲烷。要实施这一战略，需要一种特殊类型的膜反应器，即分配器型膜反应器（DMR），它既能促进化学反应，又能分离气体。虽然 DMR 已在某些行业中使用，但其在将二氧化碳转化为甲烷方面的应用，尤其是在锅炉等小型系统中的应用，仍相对较少。由日本芝浦工业大学的野村干弘教授和波兰 AGH 科技大学的 Grzegorz Brus 教授领导的一组日本和波兰研究人员填补了这一研究空白。他们的研究成果最近发表在《二氧化碳利用期刊》上。来自日本和波兰的研究人员开发出一种反应堆设计，可有效捕捉二氧化碳排放并将其转化为可用的甲烷燃料。这一突破可大幅减少温室气体排放，为实现碳中和的未来铺平道路。资料来源：日本 SIT 的野村干弘教授研究小组双管齐下，通过数值模拟和实验研究来优化反应器设计，以便将小型锅炉中的二氧化碳高效转化为甲烷。在模拟过程中，研究小组模拟了气体在不同条件下的流动和反应。这反过来又使他们能够最大限度地减少温度变化，确保在甲烷生产保持可靠的同时优化能源消耗。研究小组还发现，与将气体导入单一位置的传统方法不同，分布式进料设计可以将气体分散到反应器中，而不是从一个地方送入。这反过来又能使二氧化碳更好地分布在整个膜中，防止任何位置过热。野村教授解释说："与传统的填料床反应器相比，这种 DMR 设计帮助我们将温度增量降低了约 300 度。"除了分布式进料设计，研究人员还探索了影响反应器效率的其他因素，并发现一个关键变量是混合物中的二氧化碳浓度。改变混合物中的二氧化碳含量会影响反应的效果。"当二氧化碳浓度为 15%左右（与锅炉中的二氧化碳浓度相似）时，反应器生产甲烷的效果要好得多。事实上，与只有纯二氧化碳的普通反应器相比，它能多产生约 1.5 倍的甲烷，"野村教授强调说。此外，研究小组还研究了反应器尺寸的影响，发现增大反应器尺寸有助于为反应提供氢气。不过，需要考虑一个折衷的问题，因为提高氢气可用性的好处需要谨慎的温度管理，以避免过热。因此，这项研究为解决温室气体排放的主要来源问题提供了一个前景广阔的解决方案。通过利用 DMR，可以成功地将低浓度二氧化碳排放转化为可用的甲烷燃料。由此获得的益处不仅限于甲烷化，还可应用于其他反应，从而使这种方法成为高效利用二氧化碳的多功能工具，甚至适用于家庭和小型工厂。这项研究得到了波兰国家机构、克拉科夫 AGH 大学和日本科学促进会的资助。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

这块有5万年历史的冰块揭示了目前二氧化碳水平的真实状况

这块有5万年历史的冰块揭示了目前二氧化碳水平的真实状况 俄勒冈州立大学（OSU）和圣安德鲁斯大学（University of St Andrews）的科学家们与美国国家科学基金会（US National Science Foundation）合作，在一项新的研究中采用了这种大胆的方法，通过南极冰层中的微小气泡，揭开了大气中二氧化碳长达 5 万年的时间线，这些气泡在地球表面下数英里处被时间冻结。奥斯陆大学助理教授、该研究的第一作者凯瑟琳-温特（Kathleen Wendt）说："研究过去可以告诉我们今天有什么不同。今天的二氧化碳浓度变化速度确实是前所未有的。"研究小组利用通过钻探两英里（3.2 千米）深的南极西部冰原（WAIS）分水岭冰芯提取的冷冻样本，对冰块中保存的小块气体进行了化学分析，以清楚地了解大气中二氧化碳在许多许多年中的变化情况。研究人员发现，大气中的二氧化碳浓度曾有过远超过"正常"范围的升高期，但与我们现在所面临的情况相比，人为温室气体排放所造成的二氧化碳浓度就显得微不足道了。在 5 万年的时间里，大气中二氧化碳的自然消长确实在 55 年中增加了大约百万分之 14，每 7000 年左右增加一次。而现在，每隔五到六年，大气中的二氧化碳含量就会增加相同的数量。从根本上说，现在二氧化碳含量的增长速度是过去 5 万年任何时候的 10 倍。温特说："我们的研究确定了有史以来观测到的二氧化碳自然上升的最快速度，而今天主要由人类排放驱动的二氧化碳上升速度要高出10倍。"研究小组的分析为我们描绘了一幅清晰的地球大气二氧化碳历史波动的长期图景，其中还揭示了与北大西洋寒冷间歇（或海因里希事件）相吻合的峰值，而北大西洋寒冷间歇与突如其来的重大气候变化有关。"这些海因里希事件确实非同寻常，"这项研究的共同作者、美国俄亥俄州立大学副教授克里斯托-布伊泽特（Christo Buizert）说。"我们认为它们是由北美冰盖的剧烈崩塌引起的。这引发了一连串的连锁反应，包括热带季风、南半球西风以及从海洋中排出的大量二氧化碳。"现有的气候数据预测，随着地球变暖，这些西风可能会变得更强、更频繁，如果是这样的话，就会降低至关重要的南大洋吸收和容纳人类产生的二氧化碳的能力。可以说，随着地球持续变暖，这并不是科学家们希望看到的正反馈循环。温特补充说："我们依靠南大洋吸收我们排放的部分二氧化碳，但迅速增强的南风削弱了南大洋吸收二氧化碳的能力。研究人员总结说："本研究解析的大气二氧化碳上升速度和幅度为气候突变期间的碳循环变异性提供了重要的制约因素，并敦促人们警惕现代南大洋碳汇有可能因南大洋西风的持续极向增强而减弱。"这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。 ... PC版： 手机版：