蓝藻光驱固碳合成乙醇技术的发展回顾和未来展望

面对全球性的能源危机和环境污染,发展生物燃料是实现社会经济可持续发展的必然选择。生物乙醇是最具代表性和应用潜力的生物燃料产品之一,而以蓝藻为平台,利用太阳能和二氧化碳进行乙醇的直接合成可以同时达到固碳减排和生产可再生能源的效果。从技术角度,回顾了蓝藻光驱固碳合成乙醇技术的发展历程,从途径、底盘、改造策略等角度对其现阶段进展和遇到的问题进行了总结,进而对该技术的未来发展方向进行了展望。     

蓝细菌光驱固碳细胞工厂的合成生物学开发策略

光合生物制造技术是指以光合自养生物为底盘,通过光合固碳过程,将太阳能和二氧化碳直接转化为生物燃料和生物基化学品的全新生物制造模式。发展光合生物制造技术可以同时实现固碳减排和清洁生产。蓝细菌是极具潜力的微生物光合底盘,也为光合生物制造技术开发高效的光驱固碳细胞工厂提供了重要平台。着眼于未来的规模化应用需求,蓝细菌光驱固碳细胞工厂需要在物质能量转化效率、工业过程中的生长和生产稳定性以及与工程过程的适配性这三方面进一步提升。现从光能的捕集和利用、碳源的固定和转化、逆境胁迫的适应以及工程过程的适配这四个角度,介绍了如何应用合成生物学工具和策略,人工设计、开发进而优化蓝细菌光驱固碳细胞工厂,以满足光合生物制造技术大规模应用的需要;最后,总结、介绍了本领域的最新研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

生物固碳途径研究进展

生物固碳是地球碳循环过程的重要组成部分。自然界已经发现了六条天然生物固碳途径,但自然途径不仅能量利用效率低下,而且人工改造提升固碳效率难度大。随着合成生物学的发展,新的人工固碳途径不断涌现。相对于天然途径,人工固碳途径具有路线短、耗能少、原子经济性高等优点,有望在不久的将来能够替代天然固碳途径,实现固碳效率的大幅提高,是解决人类能源与环境问题的有效途径之一。主要总结了天然固碳途径和人工固碳途径的代谢原理和关键固碳酶的酶学特征,并对未来发展趋势进行展望。     

CO_2固定的合成生物学

将CO2转化为燃料或化学品,实现CO2的资源化利用,是缓解化石能源枯竭和温室效应这两大问题的有效途径之一.自养生物能够以光能/氢气/硫等为能量来源,在常温常压下将CO2转化为有机物,提供了一种CO2资源化利用的途径.利用经过代谢工程改造的自养生物(如蓝藻),已经可以实现从CO2生物合成十余种化学品,但整体固碳和转化效率尚低,不能满足工业应用的需求.本文首先介绍了目前已发现的6条天然生物固碳途径,重点从固碳途径及能量供给两方面总结了近年来生物固碳合成生物学研究取得的进展,并对生物固碳的前景和未来方向进行了展望.     

微生物固碳的电子供给策略研究进展北大核心CSCD

随着生物化工技术的不断发展成熟,通过改造微生物已可以实现二氧化碳、甲烷等温室气体的固定、转化和利用,而电子传递及能量供给对微生物固碳效率起着决定性的作用。本文首先分析了好氧性嗜甲烷菌、化能自养微生物等天然微生物细胞内外的直接、间接电子传递系统。在此基础上,围绕微生物固碳细胞工厂的构建,进一步介绍了基于光能、电能的人工电子供给策略及其对固碳过程中代谢通量、合成路径和供能效率的影响。最后针对微生物固碳的关键共性技术难点,简要展望了可行性的解决方案及相关应用前景。     

二氧化碳生物转化制甲烷技术研究进展

二氧化碳减量化与转化是当前业界关注及着手解决的重要问题,将二氧化碳作为资源转化为甲烷,有利于环境与社会的可持续发展。本文在分析二氧化碳转化为甲烷技术的基础上,重点介绍了国内外二氧化碳生物转化的研究与进展;总结了二氧化碳生物转化途径及其影响因素,分析了氢营养型、甲基营养型生物转化甲烷机理和生物转化能量来源;探讨了不同产甲烷菌微生物电合成产甲烷和氢气研究进展,总结了微生物电合成法、光合作用法和厌氧消化法等二氧化碳生物转化技术在反应器设计、电极材料选择、工艺条件优化及试验结果评估等方面取得的进展及存在的问题。重点就微生物电合成法的未来研究提出了增强微生物活性、提升氢气利用率、加快高效电极开发、提高能量效率、加强工业废气试验研究和强化光能转化等研究重点和发展方向,同时加强计算机模拟等交叉学科协同创新是促进二氧化碳生物转化技术进步的新方向。     

植物与微生物碳利用效率及影响因子研究进展

陆地生态系统碳循环是生物地球化学循环的关键过程之一。碳利用效率（carbon use efficiency,CUE）是描述生物用于形成生物量的碳占其所吸收总碳比例的一个定量指标,反映了生物的碳同化能力和固碳潜力,是研究生态系统碳循环中碳通量和碳分配模式的重要参数,能有效预测生物与周围环境之间的碳流通和碳反馈。目前,关于CUE的研究还不充分,尤其是对CUE及其影响因子的系统性综合论述还较少。为此,本文综述了国内外有关碳利用效率（植物碳利用效率（CUE_a）和微生物碳利用效率（CUE_h））的研究方法和研究进展,分析了CUE_a和CUE_h的异同、内在联系及作用机理。基于分析对今后的研究提出几点展望：（1）优化测量手段和计算方法,适当地调整参数,将模型方法与实测数据结合,使CUE的定量描述结果更准确;（2）结合不同尺度的研究结果,探究个体、种群、群落、生态系统等不同空间尺度和时间尺度上CUE的联系及变化规律,为碳循环和碳流通的时空变化规律提供新证据;（3）研究CUE对全球变化（如高温、干旱、CO₂浓度增加等）的响应,探讨CUE对未来气候情景的响应和适应机制;（4）开展有关物种丰富度或生物多样性的梯度变化对CUE的影响研究,阐释物种多样性减少或物种灭绝等现象对碳循环过程的影响,将生态系统物种多样性与生态系统功能相联系;（5）加强对CUE_h的研究,定量探究其与CUE_a的异同,并将二者结合起来,更全面地解释地上-地下生态系统碳的分配特征。同时适当开展动物CUE的研究,目前该类研究还缺乏系统性。     

黄土高原人工苜蓿草地固碳效应评估

苜蓿草地作为黄土高原草地的重要组成部分,在黄土高原草地生态系统碳循环占有重要地位。同时由于苜蓿具有固氮和固碳的双重作用,使它在低碳农业的发展中具有重要意义。本文以一年生（建植初期）、三年生（盛产期）、五年生（稳产期）和十年生（衰败期）的人工苜蓿草地为研究对象,利用地上地下生物量和土壤碳贮量,定量分析了人工苜蓿草地不同发育阶段的固碳能力;结合种植面积,对黄土高原区人工苜蓿草地的总固碳效应进行了评价。研究结果表明：苜蓿草地地上生物固碳能力以三年生和五年生最强,并显著高于其他年限;地下生物固碳和土壤固碳量均以十年苜蓿草地最高,且显著高于其他年限。总体而言,人工苜蓿草地以土壤固碳为主,并集中在0~80cm土壤,各年限0-80cm土层土壤固碳量分别占到总固碳量的41.02%、39.43%、41.56%、39.59%;而地下生物固碳主要发生在0~20cm土层,各年限该层生物固碳量分别占到地下生物总固碳量的45.74%、 55.68%、53.12%和 43.28%。苜蓿草地在整个生命周期中总固碳量随生长年限逐年增长,但增长速度不明显,各年限单位面积总固碳量分别为12.69kg/m2、13.49 kg/m2、13.31 kg/m2和14.83 kg/m2。估算得到黄土高原的人工苜蓿草地年总固碳量为1.430?1011 Kg（143.0 Tg）,其中地上、地下、土壤分别为5.43Tg、1.15Tg和136.4Tg。本研究结果为正确分析区域碳循环和发展低碳大农业提供了重要理论参考。     

保护性耕作对农田碳、氮效应的影响研究进展

作物产量的高低主要取决于土壤肥力,如何保持并提高土壤肥力是确保我国粮食安全和农业可持续发展的重要任务,也是众多学者关注的焦点。土壤有机碳和氮素是评价土壤质量的重要指标,其动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量。随着全球气候变化及环境污染问题的愈加突出,农田土壤固碳及提高氮效率成为各界科学家研究的热点。目前,保护性耕作已成为发展可持续农业的重要技术之一,对土壤固碳及氮素的利用具有很大的影响。深入了解保护性耕作对土壤有机碳固持与氮素利用效率提高的影响机制,对于正确评价土壤肥力有着重要意义。但由于气候、土壤及种植制度等条件不一致,关于保护性耕作对农田碳、氮效应结论不一。阐述了国际上保护性耕作对农田系统土壤有机碳含量变化及其分解排放(如CO₂和CH₄)、氮素变化及其矿化损失(如NH₃挥发、N₂O排放与氮淋失)和碳氮素相互关系(如C/N层化率)影响的研究进展,并分析了其影响因素和相关机理。尽管国内保护性耕作的研究已进行30 多年,但在土壤有机碳与氮素方面与国外相比依然有较大的差距。保护性耕作对土壤固碳与氮素利用的影响机制,碳素和氮素在土壤-植株-大气系统中的转移变化,及结合农事管理等综合评价其生态效应的研究很少。在此基础上,提出未来我国保护性耕作在土壤有机碳固定和氮素利用方面的重点研究方向:(1)在定位试验基础上进一步探讨保护性耕作对土壤有机碳及氮素利用的影响机制;(2)深入研究土壤有机碳和氮素的相互关系及其对土壤肥力的影响;(3)结合环境保护与土壤可持续管理对保护性耕作农田土壤固碳及氮素高效利用的系统评价研究;(4)加强保护性耕作对农田碳、氮效应的宏观研究,合理评价保护性耕措施下对农田碳、氮综合效应。     

蓝细菌光驱固碳合成蔗糖技术的发展与展望

生物炼制技术体系是缓解能源和环境危机,推动社会可持续发展的重要选择,而充足的糖原料供应是生物炼制的基础。蓝细菌光驱固碳合成蔗糖是一种潜力巨大的新型糖原料供应路线。基于高效的蓝细菌光驱固碳细胞工厂,可以在单平台上以太阳能为驱动将二氧化碳和水直接转化为蔗糖,过程简单、产品明确、易于提取,而且可以同时达到固碳减排和供应糖原料的效果,具有重要的研究和应用价值。本文回顾了蓝细菌光驱固碳合成蔗糖技术的发展现状,从合成机制、代谢工程策略、技术延伸应用等层面对其最新进展和所遇到的问题进行了总结介绍,并对该技术未来发展方向进行了展望。     

土壤碳库构成研究进展

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库的构成影响其累积和分解,并直接影响全球陆地生态系统碳平衡,同时也影响土壤质量变化。弄清土壤碳库的组分及构成,是进一步研究土壤碳库变化机制的关键。综述了土壤碳库的组分和构成,对有机碳库进行不稳定性有机碳库和稳定有机碳库归类,描述各类碳库的性质,并对各类碳库的分析测定方法进行了评述。提出在土壤碳构成中增加黑碳和煤炭(碳)以完善土壤有机碳构成框架。在未来研究中,应加强土壤无机碳及湿地土壤和新开发新复垦的重构土壤碳库构成及变化,各类碳库化学构成,交叉重叠的定量关系,碳库之间的转化及在土壤中的迁移,黑碳对土壤碳库稳定性及土壤质量的影响,煤开采扰动区煤炭(碳)对土壤质量的影响及环境效应等科学问题的研究。     

天山中段北坡森林土壤有机碳库稳定性组分沿海拔的分异规律

在高纬度高海拔区域气温增幅更大的背景下,高山亚高山森林土壤有机碳稳定性组分分配比关系以及由于此差异导致对增温的反馈效应均有待深入阐释。天山森林是以雪岭云杉(Picea Schrenkiana)为单优树种的温带针叶林,在天山北坡中山带(海拔约1760—2800 m)呈垂直落差超过1000 m的带状斑块分布,便于排除混交树种的影响,而量化土壤有机碳库稳定性组分分配比关系沿海拔的分异规律,及其对气候变化的响应情况。沿海拔梯度设置森林样地并分层采集土样,研究各土层土壤总有机碳库(C_SOC)、活性碳库(C_a)、缓效性碳库(C_s)、惰性碳库(C_p)、微生物量碳(MBC)在海拔梯度上的变化特征,通过碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)、土壤碳密度(SOCD),探讨天山森林土壤有机碳稳定性组分沿海拔的分异特征。结果表明：(1)随着海拔的升高,天山中段北坡云杉森林土壤C_a占比逐步升高,C_s和C_p占比逐步降低,这意味着天山中段北坡云杉...     

葡萄园生态系统碳源/汇及碳减排策略研究进展

葡萄园生态系统是农业生态系统的重要组成部分, 集中连片栽培的葡萄园具有重要的生态价值。开展葡萄园生态系统碳源/汇的研究, 是完整探讨葡萄园生态系统碳循环必不可少的内容。随着葡萄生态学研究的进一步深入, 如何直观地揭示葡萄园生态系统碳循环规律和碳汇功能已经成为葡萄生态学领域关注的热点问题。研究发现, 葡萄园生态系统固定大量碳, 将碳封存在葡萄果实等一年生器官、主干等多年生器官以及土壤碳库中。葡萄园生态系统碳输入量大于碳输出量, 是碳汇; 土壤是葡萄园生态系统最大的碳库, 占总碳储量的70%, 尤其是土藤界面; 覆盖和免耕作为葡萄园的碳减排策略, 可以减少碳排放, 提高葡萄园土壤肥力。基于此, 为了阐明葡萄园生态系统的碳汇价值, 该文围绕葡萄生态学最新研究进展, 系统回顾了葡萄园生态系统中碳循环规律、碳汇研究进展及碳减排策略, 为葡萄生态学的研究提供理论基础, 并对本领域未来的研究方向和应用前景进行展望。     

土壤有机碳分组方法及其在农田生态系统研究中的应用

农田土壤有机碳成分复杂,活性有机碳对管理措施具有敏感性,而惰性有机碳具有固碳作用.碳分组技术主要包括物理技术、化学技术和生物学技术.物理分组的依据是密度、粒径大小和空间分布,可分离出有机碳的活性组分和惰性组分.化学分组基于土壤有机碳在各种提取剂中的溶解性、水解性和化学反应性从而分离出各种组分:溶解性有机碳是生物可代谢有机碳,包括有机酸、酚类和糖类等;酸水解方法可将有机碳分成活性和惰性成分;利用KMnO4模拟酶氧化可分离出活性碳和非活性碳.利用生物技术可测定出微生物生物量碳和潜在可矿化碳.在不同农田管理措施下,有机碳组分的化学组成和库容会发生不同变化,对土壤有机碳沉积速率产生不同影响.为了探明土壤有机碳组分与碳沉积之间的定性或定量关系,今后应该加强对各种分组方法的标准化研究,探索不同分组方法的整合应用,针对不同农田管理措施,总结出适合的有机碳分组方法或联合分组方法.     

低碳经济计量模式

首先对"低碳经济"进行了讨论,进而提出了"碳循环经济"概念;对现有碳计量进行研究,提出了相应改进计算公式:碳绩效和碳经济密度。最后,对碳责任分担进行了探讨,提出了发达国家和发展中国家"责任共担、区别对待"的碳责任担负的计算模式。     

Biomass and carbon storage of the North American deciduous forest

Field measures of tree and shrub dimensions were used with established biomass equations in a stratified, two-stage cluster sampling design to estimate above-ground ovendry woody biomass and carbon storage of the eastern deciduous forest of North America. Biomass averaged 8.1 ± 1.4 (95% C.I.) kg/m² and totaled 18.1 ± 3.1 (95% C.I.) gigatons. Carbon storage averaged 3.6 ± 0.6 (95% C.I.) kg/m² and totaled 8.1 ± 1.4 (95% C.I.) gigatons. These values are lower than previous estimates commonly used in the analysis of the global carbon budget which range from 17.1 to 23.1 kg/m² for biomass and 7.7 to 10.4 kg/m² for carbon storage. These new estimates for the deciduous forest, together with earlier work in the boreal forest begin to reveal a pattern of overestimation of global carbon storage by vegetation in analyses of the global carbon budget. We discuss reasons for the differences between the new and earlier estimates, as well as implications for our understanding of the global carbon cycle.     

城市森林碳汇及其抵消能源碳排放效果——以广州为例

城市森林及其管理相关政策作为减少CO₂排放的有效策略得到了较为广泛的关注。采用材积源生物量方程与净初级生产力方法来定量分析了广州市城市森林碳储量和碳固定量,根据化石能源使用量及其碳排放因子核算了广州城市能源碳排放,最后评估了城市森林碳抵消效果。结果显示广州市城市森林碳储量为654.42×10⁴t,平均碳密度为28.81 t/hm²,而森林碳固定量为658732 t/a,平均固碳率为2.90 t·hm^-2·a^-1。2005-2010年广州市年均能源碳排放则达到2907.41×10⁴t。广州城市森林碳储量约为城市年均能源碳排放的22.51%,其通过碳固定年均能够抵消年均碳排放的2.27%,不过从城市森林综合效益来看其仍是城市低碳发展重要举措之一。分析了林型组成和林龄结构对于广州森林碳储量和碳固定量的影响,并从森林管理角度为城市森林碳汇提升提出建议。这些结果和讨论有助于评估城市森林碳汇在抵消碳排放中所起的效果。     

能源对北京市城市碳循环的影响

研究城市碳循环过程并阐明能源对碳循环的影响,可为城市节能减排政策的制定和实施提供参考依据。基于城市碳循环模型核算了2005—2014年北京市的碳储量和碳通量,并通过能源碳效应指数来探讨能源对城市碳循环的影响。结果表明人为碳储量是北京市总碳储量增加的主要驱动力。北京市的碳输入主要来自水平方向,表明北京市的发展在很大程度上依赖于外部环境的物质供给;北京市的碳输出主要是能源消耗产生的垂直碳输出。能源活动相关的碳通量占北京市总碳通量的比重,即能源碳效应,在2006年高达79.46%,而后开始呈波动下降的趋势。能源对北京市碳循环影响最大的是垂直输出方向,其次是水平输入方向,因此低碳城市建设需要加强对垂直碳通量和水平碳通量的调节和管理,尤其是与能源活动相关的碳通量,与此同时,保护自然植被和增加生态用地对提高城市碳减排能力也至关重要。     

常绿阔叶林与杉木林的土壤碳矿化潜力及其对土壤活性有机碳的影响

采用室内土壤培养法,比较分析了湖南省会同地区常绿阔叶林、杉木纯林土壤有机碳的矿化速率和累计矿化量,分析了有机碳矿化量与土壤活性有机碳初始含量的关系。结果表明:常绿阔叶林土壤有机碳矿化速率和累计矿化量均显著高于杉木纯林。在培养的第21天,在培养温度为9℃和28℃条件下,常绿阔叶林0～10和10～20cm土层的土壤有机碳累计矿化量为杉木纯林的1.7～2.7倍。常绿阔叶林土壤有机碳矿化释放的CO2-C分配比例高于杉木纯林。林地土壤有机碳矿化量受土壤微生物碳、可溶性有机碳初始含量的影响(P<0.01)。土壤有机碳矿化使土壤微生物碳增加而可溶性有机碳下降,但变化幅度均不大。温度从9℃升高到28℃后,林地土壤有机碳矿化速率提高3.1～4.5倍;2林地有机碳矿化对温度的敏感性无显著差异。