大自然的岔路口：土壤的碳捕获困境

大自然的岔路口：土壤的碳捕获困境 研究人员确定了决定土壤是捕获碳还是以二氧化碳形式释放碳的关键因素，突出了分子相互作用和土壤化学的作用，可能有助于减缓气候变化的努力。Smectite粘土（如图所示）含有已知能在天然土壤中固碳的粘土矿物。资料来源：Francesco Ungaro通过结合实验室实验和分子建模，研究人员研究了有机碳生物分子与一种以捕获土壤中有机物而闻名的粘土矿物之间的相互作用。他们发现，静电荷、碳分子的结构特征、土壤中周围的金属养分以及分子间的竞争都对土壤捕集碳的能力（或无能）起着重要作用。新发现可以帮助研究人员预测哪些土壤化学成分最有利于捕获碳，从而有可能找到基于土壤的减缓人类造成的气候变化的解决方案。这项研究最近发表在《 美国国家科学院院刊》上。该研究的资深作者、西北大学的 Ludmilla Aristilde 说："土壤中储存的有机碳约为大气中碳含量的十倍。如果这个巨大的储存库受到干扰，将会产生巨大的连锁反应。目前有很多人在努力将碳封存起来，以防止它进入大气层。如果我们想这样做，那么我们首先必须了解其中的机制。"作为环境过程中有机物动力学方面的专家，Aristilde 是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授。王家兴是 Aristilde 实验室的博士生，也是论文的第一作者。西北大学本科生 Rebecca Wilson 是论文的第二作者。普通粘土土壤固碳量达 25000 亿吨，是地球上最大的碳汇之一，仅次于海洋。尽管土壤就在我们身边，但研究人员才刚刚开始了解它是如何从碳循环中锁碳固碳的。为了研究这一过程，阿里斯蒂尔德和她的团队研究了埃米土，这是一种已知能在天然土壤中固碳的粘土矿物。然后，他们研究了粘土矿物的表面如何与十种不同的生物大分子结合，其中包括氨基酸、与纤维素有关的糖和与木质素有关的酚酸，它们的化学性质和结构各不相同。"我们决定研究这种粘土矿物，因为它无处不在，"Aristilde 说。"几乎所有土壤都含有粘土矿物。而且，粘土普遍存在于半干旱和温带气候地区我们知道这些地区将受到气候变化的影响。"异性相吸阿里斯蒂尔德和她的团队首先研究了粘土矿物与单个生物分子之间的相互作用。由于粘土矿物带负电荷，带正电荷的生物分子（赖氨酸、组氨酸和苏氨酸）的结合力最强。但有趣的是，这种结合并非完全由静电荷决定。研究人员利用三维计算模型发现，生物分子的结构也发挥了作用。他说："在有些情况下，两个分子都带正电，但其中一个分子与粘土的相互作用比另一个更好。这是因为结合的结构特征也很重要。分子必须足够灵活，能够采用一种结构排列方式，使其带正电荷的成分与粘土对齐。例如，赖氨酸有一个带正电荷的长臂，可以用来固定自己。"朋友的帮助按照这种逻辑，人们可能会认为带负电荷的生物分子无法与粘土结合。但阿里斯蒂尔德和她的团队发现，周围的天然金属养分可以介入其中。带正电荷的金属（如镁和钙）在带负电荷的生物分子和粘土矿物之间架起了一座桥梁，形成了一种结合。即使是通常不会与粘土结合的生物分子，当镁存在时，也能够看到其结合率显著提高。因此，土壤中的天然金属成分可以促进碳捕集。虽然这是一个广泛报道的现象，但研究人员揭示了其结构和机制。混合与交融在研究单个生物分子与粘土矿物之间的相互作用时，研究人员发现结合是可预测和直接的。为了获得更接近真实世界环境的信息，阿里斯蒂尔德和她的团队将不同的生物分子混合在一起。"我们知道，环境中不同类型的生物分子是共存的，"阿里斯蒂尔德说。"因此，我们还进行了生物分子混合物的实验。虽然研究人员最初认为生物分子会相互竞争与粘土相互作用，但他们却发现了意想不到的行为。一个令人惊讶的转折是，即使是具有柔性结构的带正电荷的生物大分子也会受到抑制，无法与粘土矿物结合。虽然它们在单独存在时很容易与粘土结合，但生物大分子相互结合的冲动似乎取代了它们对粘土的吸引力。这在以前是没有过的。两种生物分子之间的吸引能量实际上高于生物分子对粘土的吸引能量。这导致吸附力下降。这改变了我们对分子如何在表面上竞争的看法。它们不仅仅是在争夺表面的结合位点。它们实际上可以相互吸引。下一步行动接下来，阿里斯蒂尔德和她的团队计划研究在包括热带气候在内的温暖地区发现的土壤中，生物分子是如何与矿物质相互作用的。在另一个相关项目中，他们的目标是探索有机物如何在河流和其他水系中迁移。阿里斯蒂尔德说："既然我们已经研究了主要存在于温带地区的粘土矿物，我们就想了解其他类型的矿物。它们是如何捕获有机物的？过程是相同还是不同？如果我们想让碳继续留在土壤中，那么我们就需要了解它们是如何组合的，以及这种组合是如何影响微生物的可及性的。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性

科学家正利用土壤微生物的DNA帮助提高气候模型的准确性 微生物模型利用广泛的基因组数据为土壤碳模拟提供动力。图片来源：Victor O. Leshyk 插图这个新模型使科学家们能够更好地了解某些土壤微生物如何有效地储存植物根系提供的碳，并为农业战略提供信息，以保护土壤中的碳，支持植物生长和减缓气候变化。"我们的研究证明了直接从土壤中收集微生物遗传信息的优势。在此之前，我们只掌握了实验室研究的少数微生物的信息，"论文第一作者、伯克利实验室博士后研究员吉安娜-马施曼（Gianna Marschmann）说。"有了基因组信息，我们就能建立更好的模型，预测各种植物类型、作物甚至特定栽培品种如何与土壤微生物合作，更好地捕集碳。同时，这种合作还能增强土壤健康"。最近发表在《自然-微生物学》杂志上的一篇新论文介绍了这项研究。论文的通讯作者是伯克利实验室的 Eoin Brodie 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的 Jennifer Pett-Ridge，后者领导着"微生物持久存在"土壤微生物组科学重点领域项目，该项目由能源部科学办公室资助，以支持这项工作。看见看不见的东西 - 微生物对土壤健康和碳的影响土壤微生物帮助植物获取土壤养分，抵抗干旱、疾病和虫害。它们对碳循环的影响在气候模型中的体现尤为重要，因为它们会影响土壤中储存的碳量或在分解过程中以二氧化碳形式释放到大气中的碳量。通过利用这些碳构建自己的身体，微生物可以将碳稳定（或储存）在土壤中，并影响碳在地下的储存量和储存时间。这些功能与农业和气候的相关性正受到前所未有的关注。然而，仅一克土壤中就含有多达100 亿个微生物和数千个不同物种，绝大多数微生物从未在实验室中被研究过。直到最近，科学家们才从实验室研究的极少数微生物中获得数据，为这些模型提供依据，其中许多微生物与需要在气候模型中体现的微生物无关。Brodie解释说："这就好比根据只生长在热带森林中的植物所提供的信息，为沙漠建立生态系统模型。"为了应对这一挑战，科学家团队直接利用基因组信息建立了一个模型，该模型能够适应任何需要研究的生态系统，从加利福尼亚的草原到北极解冻的永久冻土。该模型利用基因组深入了解土壤微生物的功能，研究小组将这种方法用于研究加利福尼亚牧场中植物与微生物组之间的相互作用。牧场在加州具有重要的经济和生态意义，占陆地面积的 40% 以上。研究重点是生活在植物根部周围的微生物（称为根圈）。这是一个重要的研究环境，因为尽管根区只占地球土壤体积的 1-2%，但据估计，根区储存了地球土壤中 30-40% 的碳，其中大部分碳是由根系在生长过程中释放出来的。为了建立这个模型，科学家们利用加州大学霍普兰研究与推广中心提供的数据，模拟了微生物在根部环境中的生长情况。不过，这种方法并不局限于特定的生态系统。由于某些遗传信息与特定的性状相对应，就像人类一样，基因组（模型所基于的）与微生物性状之间的关系可以转移到世界各地的微生物和生态系统中。研究小组开发了一种新方法来预测微生物的重要性状，这些性状会影响微生物利用植物根系提供的碳和养分的速度。研究人员利用该模型证明，随着植物的生长和碳的释放，由于根系化学和微生物性状之间的相互作用，会出现不同的微生物生长策略。特别是，他们发现，生长速度较慢的微生物在植物生长后期会受到碳释放类型的青睐，而且它们在利用碳方面的效率出奇地高这使它们能够在土壤中储存更多的这种关键元素。这一新的观测结果为改进模型中根系与微生物之间的相互作用提供了依据，并提高了预测微生物如何影响气候模型中全球碳循环变化的能力。"这些新发现对农业和土壤健康具有重要意义。通过我们正在建立的模型，我们越来越有可能利用对碳如何在土壤中循环的新认识。这反过来又为我们提供了可能性，使我们能够提出保护土壤中宝贵的碳的策略，从而在可行的范围内支持生物多样性和植物生长，以衡量其影响，"马施曼说。这项研究强调了利用基于遗传信息的建模方法来预测微生物性状的威力，有助于揭示土壤微生物组及其对环境的影响。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料

科学家设计出既坚硬又能隔热的新型混合材料 研究人员已经证明，他们有能力设计出既坚硬又能隔热的材料。这种特性的结合极为罕见，有望应用于一系列领域，如开发用于电子设备的新型隔热涂层。研究人员使用的是二维有机-无机混合包晶石材料的一个子集。这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成，如图所示。资料来源：北卡罗来纳州立大学 Jun Liu"但在有些情况下，需要既坚硬又绝缘的材料。例如，你可能想制造隔热涂层，以保护电子产品免受高温影响。从历史上看，这一直是个难题。我们现在已经发现了一系列既坚硬又具有出色隔热性能的材料。更重要的是，我们可以根据需要设计这些材料，以控制它们的硬度和导热性。"Liu说：研究人员正在研究一种被称为二维有机-无机混合包晶石（2D HOIP）的材料。本文共同通讯作者、北卡罗来纳大学教堂山分校化学与应用物理科学教授 Wei You 说："这些薄膜由高度有序的晶体结构中的有机层和无机层交替组成。我们可以调整无机层或有机层的成分。"本文共同通讯作者、德克萨斯农工大学材料科学与工程系助理教授 Qing Tu 说："我们发现，通过用苯环取代有机层中的部分碳-碳链，可以控制某些二维 HOIP 的弹性模量和导热性。基本上，在这个特定的层状材料子集中，我们添加的苯环越多，材料就越硬，隔热性能就越好。"Liu说："虽然发现这些材料本身就蕴含着一系列应用的巨大潜力，但作为研究人员，我们感到特别兴奋，因为我们已经确定了造成这些特性的机制，即苯环发挥的关键作用。"在实验中，研究人员至少发现了三种不同的二维 HOIP 材料，它们的导热性能越差，硬度越高。Liu说："这项工作令人兴奋，因为它为具有理想性能组合的工程材料提供了一条新的途径。"研究人员还发现了二维 HOIP 材料的另一个有趣现象。具体来说，他们发现，通过在有机层中引入手性（即使有机层中的碳链不对称），即使有机层的成分发生了重大变化，也能有效地保持相同的硬度和导热性。这提出了一些有趣的问题，即是否能够优化这些材料的其他特性，而不必担心这些变化会影响材料的刚度或导热性。论文发表在《ACS Nano》杂志上。曾在北卡罗来纳州立大学攻读博士学位的 Ankit Negi 是该论文的第一作者。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

绿色革命2.0：科学家利用人工智能创造碳捕捉植物

绿色革命2.0：科学家利用人工智能创造碳捕捉植物 索尔克研究所的科学家们正在利用一款名为 SLEAP 的人工智能软件来开发具有增强根系的植物，这些植物能够捕获和储存更多的碳，与全球应对气候变化的努力相一致。该工具大大提高了植物表型和基因型分析的效率和准确性，加快了有效碳封存植物的培育速度。资料来源：索尔克研究所为了设计这些拯救气候的植物，索尔克"利用植物计划"（Harnessing Plants Initiative）的科学家们正在使用一种名为SLEAP的先进的新型研究工具一种易于使用的人工智能（AI）软件，可以跟踪根系生长的多种特征。SLEAP 由索尔克研究员塔尔莫-佩雷拉（Talmo Pereira）创建，最初设计用于跟踪实验室中的动物运动。现在，佩雷拉与植物科学家、索尔克同事沃尔夫冈-布施（Wolfgang Busch）教授合作，将 SLEAP 应用于植物。SLEAP 和 sleap-roots 通过分析根的几何形状，预测植物根的不同部分如何相互连接。资料来源：索尔克研究所在发表于《植物表型组学》（Plant Phenomics）的一项研究中，Busch 和 Pereira 首次提出了一种使用 SLEAP 分析植物根系表型的新方案植物根系生长的深度和宽度、根系的庞大程度以及其他物理特性，而在使用 SLEAP 之前，对这些表型的测量非常繁琐。将 SLEAP 应用于植物已使研究人员建立了迄今为止最广泛的植物根系表型目录。此外，跟踪这些物理根系特征有助于科学家找到与这些特征相关的基因，以及多种根系特征是由相同基因决定的还是独立决定的。这样，索尔克团队就能确定哪些基因对他们的植物设计最有利。"这次合作真正证明了索尔克科学的特殊性和影响力，"佩雷拉说。"我们不只是'借用'不同学科的知识，而是真正把它们放在平等的地位上，以创造出比各部分之和更伟大的东西"。左起Talmo Pereira、Elizabeth Berrigan 和 Wolfgang Busch。资料来源：索尔克研究所在使用 SLEAP 之前，追踪植物和动物的物理特征需要耗费大量人力，从而减缓了科研进程。如果研究人员想要分析植物的图像，他们需要手动标记图像中属于植物和不属于植物的部分逐帧、逐部分、逐像素。只有这样，才能应用较早的人工智能模型来处理图像，并收集有关植物结构的数据。SLEAP 的独特之处在于它同时使用了计算机视觉（计算机理解图像的能力）和深度学习（训练计算机像人脑一样学习和工作的人工智能方法）。这两种方法的结合使研究人员能够在不逐个像素移动的情况下处理图像，而跳过中间的劳动密集型步骤，直接从图像输入跳转到定义的植物特征。第一作者 Elizabeth Berrigan 是 Busch 实验室的生物信息学分析师，她说："我们创建了一个在多种植物类型中验证过的强大协议，它减少了分析时间和人为错误，同时强调了可访问性和易用性 ，而且不需要对实际的 SLEAP 软件进行任何修改。"在不修改 SLEAP 基线技术的情况下，研究人员为 SLEAP 开发了一个可下载的工具包，名为sleap-roots（可在此处下载开源软件）。 有了sleap-roots，SLEAP 可以处理根系的生物特征，如深度、质量和生长角度。索尔克团队在多种植物中测试了sleap-roots软件包，其中包括大豆、水稻和油菜等农作物，以及模式植物拟南芥芥科开花杂草。在测试的各种植物中，他们发现基于SLEAP的新方法优于现有方法，注释速度快1.5倍，训练人工智能模型的速度快10倍，在新数据上预测植物结构的速度快10倍，而且准确率与以前相同或更高。这些表型数据，如植物根系在土壤中长得特别深，可以通过推断了解形成这种特别深的根系的基因。SLEAP 和 sleap-roots 可自动检测整个根系结构中的地标。资料来源：索尔克研究所这一步连接表型和基因型对于索尔克的任务至关重要，即创造出能更持久地保持更多碳的植物，因为这些植物需要根系设计得更深、更强壮。实施这一精确高效的软件将使"利用植物计划"能够以突破性的便捷和速度将理想的表型与目标基因联系起来。"我们已经能够创建迄今为止最广泛的植物根系表型目录，这确实加速了我们的研究，以创造出能应对气候变化的碳捕捉植物，"索尔克大学赫斯植物科学讲座教授布施说。"得益于 Talmo 专业的软件设计，SLEAP 的应用和使用非常简单，它将成为我实验室未来不可或缺的工具。"在创建SLEAP和sleap-roots时，可访问性和可重复性是Pereira考虑的首要问题。由于软件和sleap-ro ots工具包都是免费使用的，研究人员非常期待看到sleap- roots在世界各地的应用。他们已经开始与美国国家航空航天局（NASA）的科学家讨论，希望利用该工具不仅帮助指导地球上的碳吸收植物，还能研究太空中的植物。在索尔克，合作团队还没有准备好解散他们已经开始迎接新的挑战，利用 SLEAP 分析三维数据。在未来几年中，SLEAP 和sleap-roots 的完善、扩展和共享工作仍将继续，但其在索尔克"利用植物计划"中的应用已经在加速植物设计，并帮助研究所对气候变化产生影响。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：

科学家揭开北极湿地甲烷排放量激增之谜

科学家揭开北极湿地甲烷排放量激增之谜 畜牧业和化石燃料生产每年向大气中排放数吨甲烷，其作用已被充分研究。尽管不确定性更大，但量化自然湿地的排放量对于预测气候变化非常重要。科学家们预计，湿地甲烷排放量正在上升，因为北方地区和北极地区生态系统的气温正在以大约全球平均气温四倍的速度上升，但是很难说上升了多少，因为在这些广阔且经常被水淹没的环境中监测排放量一直非常困难直到现在。伯克利实验室研究科学家、资深作者朱清（音译）与伯克利实验室博士后研究员袁坤晓佳（音译）解释说："北方和北极环境富含碳，容易受到气候变暖的影响。本周发表在《自然-气候变化》上的一篇论文介绍了他们的研究方法。""气温升高会增加微生物活动和植被生长，"朱清说，"这与甲烷等气体的排放有关。通过了解甲烷的自然来源是如何变化的，我们可以更准确地监测温室气体，让科学家们了解当前和未来的气候变化状况。通过更准确地了解湿地在全球气候系统中发挥的作用，以及湿地甲烷排放量的增加方式和速度，这项研究可以提供一个科学基线，帮助理解和应对气候变化。"高纬度湿地：量化甲烷排放量及其变化情况尽管甲烷在大气中停留的时间远远少于二氧化碳（10 年对 300 年），但甲烷的分子结构使其使大气变暖的能力是二氧化碳的 30 倍。气温升高不仅会增强饱和土壤中甲烷释放微生物的活动，而且还会增加水渍土壤的面积，因为冰冻的土壤会解冻，更多的降水会以雨水而不是雪水的形式降下，这些微生物会在水渍土壤中茁壮成长。这就是为什么科学家们预计这些高纬度地区的甲烷排放量会增加，以及为什么迫切需要更准确地量化甲烷。出版物中的地图，显示了北极和北方地区湿地甲烷热点的具体位置和面积。资料来源：伯克利实验室测量温室气体释放的最常见方法是在一个室内的固定位置捕捉土壤中释放的气体，让它们在一定时间内积累。另一种方法是更自主的数米高的涡度协方差塔，它可以在生态系统的大片区域内通常是在湿地等难以到达的地方持续测量土壤、植物和大气之间的温室气体交换。伯克利实验室的研究团队结合使用这两种方法获得的数据，分析了北极-北方地区各湿地超过 307 年的甲烷排放数据，从而更好地了解了影响数百英亩土地和数分钟至数十年内甲烷排放的各种因素。研究小组发现，从 2002 年到 2021 年，这些地区的湿地平均每年释放 20 太克（teragrams）甲烷，相当于约 55 座帝国大厦的重量。他们还发现，自 2002 年以来，排放量增加了约 9%。此外，研究人员还考虑了北极和北方地区的两个"热点"地区，与周围环境相比，这两个地区的单位面积甲烷排放量要高得多。他们发现，大约一半的年均排放量来自这些热点地区，这有助于为缓解工作和未来的测量提供信息并确定目标。影响湿地排放的环境因素研究人员还调查了甲烷排放量增加的环境因素，发现有两个主要驱动因素：温度和植物生产力。气温升高会增加微生物的活动；当气温升高时无论是由于气候变化造成的平均气温升高，还是由于气候变异造成的某些特定年份的气温升高，都会在这一过程中释放出更多的甲烷。研究小组发现，温度是控制北极-北方生态系统湿地排放及其变化的主要因素。这可能会导致气候反馈，即微生物活动增加所产生的甲烷排放会提高大气温度，从而导致更多的甲烷排放，如此循环。植物生产力越高，土壤中的碳含量就越高，从而促进甲烷微生物的繁殖。研究人员发现，当植物的生产力更高、更活跃，释放出有助于微生物生长的基质时，湿地的甲烷排放量就会增加。研究小组还发现，湿地甲烷排放量最高的 2016 年也是高纬度地区自 1950 年以来最温暖的一年。由于甲烷在大气中的停留时间很短，因此可以相对较快地减少和清除，"朱解释说。"通过更准确地了解湿地在全球气候系统中发挥的作用，以及湿地甲烷排放量的增加方式和速度，这项研究可以提供一个科学基线，帮助理解和应对气候变化。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：