一碳气体利用微生物及其基因工程改造

一碳气体主要包括CO、CO_(2)和CH_(4)等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO_(2)与CH_(4)是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响。利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品。近年来,运用CRISPR/Cas9等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径。本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子ClosTron法、CRISPR/Cas基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考。     

湖泊生态系统碳汇特征及其潜在碳中和价值研究

为了应对气候挑战,达成碳达峰远景目标,需要正确评估自然资源碳中和价值。湖泊作为具有独特生态、人文价值的地理单元,因碳循环强度高、碳排放总量大,是传统意义上的碳源。通过梳理近期相关研究成果,对比不同类型湖泊碳汇/源状况,湖泊生态系统以一系列碳汇特征表现出潜在的碳中和价值。强烈的光合作用可以使水体CO₂欠饱和,但由呼吸-光合作用、碳酸盐岩溶蚀作用带来的水体碱度、CO₂分压pCO₂提高也有利于湖泊碳汇增益。CO₂在水体中大量溶解,积极参与到湖泊碳循环,将pCO₂高于40 Pa作为判断湖泊为碳源的依据可能忽视了水体碱度上升带来的碳汇。在湖泊沉积物中有机碳的累积受到生态系统光合-呼吸作用的影响,当异养微生物群落能及时分解沉入湖底的衰亡组织、有机质时,沉积物中有机碳不会大量累积,当呼吸对光合的相对滞后,有机碳才会大量累积。湖泊生态系统的生产力决定了固碳能力,是湖泊发挥碳汇效益的重要“碳库”。由水生植物固定下的CO₂总量不如浮游植物,但在过程中发挥了“压舱石”般的稳定作...     

长江上游弥陀漫滩水体鱼类食物网动态的季节性变化

长江上游是我国鱼类生物多样性最为丰富的地区之一,漫滩作为河流生态系统的重要组成部分对维持区域鱼类生物多样性具有重要作用。于2019年丰水期(8月份)和枯水期间(11月份)应用碳、氮稳定同位素技术并结合Bayesian混合模型和SIBER分析方法,对长江上游弥陀漫滩水体鱼类食物网结构动态的季节性变化特征进行了研究。结果显示：丰水期基础碳源的δ¹³C、δ¹⁵N平均值分别为-23.02‰和2.58‰,范围分别为-31.01‰—-11.2‰(δ¹³C)和-0.51‰—6.84‰(δ¹⁵N);枯水期其δ¹³C、δ¹⁵N平均值分别为-21.93‰、7.22‰,范围分别为-26.31‰—-15.36‰(δ¹³C)和4.89‰—8.81‰(δ¹⁵N)。丰水期鱼类食物网能量主要依赖于外源性营养物质,食物链长度达到3.6级;枯水期内源性营养物质是食物网能量的主要贡献者,食物链长度为2.6级。相对于枯水期,丰水期间鱼类群落拥有更大的生...     

黄土高原土壤水分-有机碳-微生物耦合作用研究进展

黄土高原植被恢复后土壤水分、有机碳和微生物群落发生了非同步性演变。土壤微生物是各种生命活动的载体,在土壤水-碳耦合过程中参与了一系列的氧化与还原反应,因此,土壤微生物在水-碳耦合关键过程中起着重要的调节作用,三者存在着密切的耦合关系。尽管关于植被恢复后土壤水分和有机碳变化的研究已开展较多,但是由于土壤微生物活动和群落结构复杂性和易变性,这给土壤微生物介导的水-碳耦合研究带来了相当大的困难。迄今为止,黄土高原植被恢复后土壤水、碳、微生物三者之间的耦合关系缺乏总体性的融合,大多数研究只能假设各个生物化学过程是相对独立的,对土壤水、碳、微生物耦合的认知仍存在局限性。由此,首先对黄土高原植被恢复进程、土壤水分过程和有机碳变化分别进行了综述,结合已有的理论和证据进一步概括了黄土高原土壤有机碳、微生物群落对降水格局的响应。最后整合植被、土壤和微生物界面等关键生态过程,总结了黄土高原土壤水-碳-微生物耦合界面过程,采用HYDRUS-2D模型(水文过程模型)和ORCHIDEE模型(生态系统碳模型),并融入土壤微生物种群生长动态,基于稳定碳、水同位素技术和DNA探针技术,初步构建了黄土高原土壤水-碳-微...     

降解剂对森林凋落物可溶性有机碳含量的影响及凋落物降解模式比较研究

森林凋落物是森林生态系统中可溶性有机碳(DOC)的主要来源,在生态系统碳循环过程中起重要作用。以帽儿山地区胡桃楸、兴安落叶松以及胡桃楸-兴安落叶松人工林凋落物为研究对象,通过液体发酵培养将纤维素高效降解真菌Peniophora intranata与Sarocladium strictum制成单一(A菌剂、B菌剂)及混合菌剂(C菌剂),测定野外条件下经降解剂处理的凋落物基质在不同时期的DOC含量,分析降解剂对不同类型森林凋落物DOC动态变化的影响,并比较各凋落物基质降解模式异同。结果表明：(1)凋落物基质DOC含量在降解剂处理后均随降解时间增加呈下降趋势,且下降幅度大小表现为混合基质>胡桃楸基质>落叶松基质;在最初的1个月,各凋落物基质DOC含量均显著高于其他降解时期DOC含量。(2)经混合菌剂处理后的胡桃楸基质DOC含量相较于2种单一菌剂处理后的胡桃楸基质DOC含量低,而经混合菌剂处理后的兴安落叶松基质与胡桃楸-兴安落叶松基质的DOC含量未表现出相同的显著性。(3)经3种菌剂处理后的胡桃楸基质降解模式均相同,经B菌剂与C菌剂处理的落叶松基质降解模式相同,经A菌剂与C菌剂处理...     

不同林型地表甲虫食性及营养级关系：基于碳氮稳定同位素分析

土壤动物联结着生态系统地上与地下部分的物质循环和能量流动,对生态系统的结构、功能及过程起着重要的调控作用。地表甲虫作为典型的大型土壤动物,在食物网中占有重要的位置,因此对不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N同位素特征及营养关系研究对了解森林土壤动物的食性特征进而保护森林生物多样性是十分必要的。采集了小兴安岭凉水自然保护区6种不同林型的地表甲虫共10科31种,利用稳定同位素技术测定了甲虫中的δ¹³C、δ¹⁵N含量,并分析不同林型内地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值及营养级差异。结果表明6、7月份不同林型地表甲虫的δ¹³C、δ¹⁵N值差异显著(P<0.05),其中δ¹³C值在原始阔叶红松林和次生白桦林显著高于落叶松人工林和阔叶红松择伐林。δ¹⁵N值在阔叶红松择伐林显著高于其他5种林型。不同林型地表甲虫的营养级差异显著(P<0.05),林型内各物种营养级差异不显著(P...     

武汉城市圈县域空间横向碳生态补偿研究——基于土地利用碳收支差异

认识和探讨区域土地利用碳收支并构建碳生态补偿模式,对于引导区域低碳协调发展、促进实现碳中和目标具有重要理论和现实意义。探究基于土地利用碳收支的碳生态补偿原理,并以武汉城市圈县域为实证研究对象,依据区域土地利用碳收支差异,在碳中和目标下估算城市圈各县(市、区)的碳生态补偿标准,明确碳生态补偿支付或受偿次序。结果表明：(1)研究期内城市圈各县(市、区)土地利用净碳排放空间差异显著。土地利用净碳排放呈现“西高东低,南北低中心高”的空间分布特点,且该空间分布特征逐渐强化;(2)武汉城市圈有14个碳生态补偿支付区,大多位于城市圈中部和西部地区,其中包括5个优先支付区、6个次级支付区、3个潜在支付区;(3)武汉城市圈有25个碳生态补偿受偿区,大多位于城市圈东部及外围地区,其中包括5个优先受偿区、9个次级受偿区、11个潜在受偿区,并针对不同类型支付和受偿区提出差别化的低碳发展对策建议。     

林火干扰对广东木荷林生态系统碳库的影响

森林碳库在调节CO₂浓度及减缓温室效应中发挥重要作用。选择广东木荷林为研究对象,通过相邻样地法,进行植被生物量、凋落物生物量和土壤样品的采样与分析,研究不同林火干扰强度对生态系统各碳库(植被、凋落物和土壤有机碳)及生态系统碳库产生的变化规律和空间分布格局及其影响因素。结果表明:(1)植被碳密度随着林火干扰强度增强而减少,但不同组分的植被碳密度表现不同,乔木碳密度在不同林火干扰强度下变化与植被碳密度变化一致,而草本碳密度则呈现相反的变化趋势。相同林火干扰强度下,植被各组分碳密度均以乔木层降低幅度最大。林火干扰均显著降低了凋落物碳密度(P<0.05),并随林火干扰强度的增加其降低幅度增大,但不同林火干扰强度对凋落物碳密度的影响有所差异。林火干扰降低了土壤有机碳密度,且降低幅度随土层深度增加而逐渐变小。(2)林火干扰有效改变了生态系统碳库的空间分布格局。对照样地木荷林土壤有机碳库占比为61.59%,重度林火干扰后,土壤有机碳库占比为70.96%呈上升趋势,占生态系统碳库的优势地位,而植被和凋落物碳库占比呈下降趋势,处于生态系统碳库的次要地位。(3)双因素方差分析表明,林火干扰强度和土层深度及其交互作用均对土壤有机碳密度有显著影响。林火干扰强度解释了土壤有机碳密度变异的8.78%,土层深度解释了土壤有机碳密度变异的70.29%,林火干扰强度和土层深度之间的交互作用解释了土壤有机碳密度变异的8.16%。研究发现:林火干扰降低了生态系统碳库,且随林火干扰强度增加,生态系统碳库减少幅度增大。轻度林火干扰对森林生态系统碳库的影响差异不显著,而中度和重度林火干扰对森林生态系统碳库的影响差异显著。研究结果对深化亚热带森林固碳效应的影响机制提供理论支撑。     

“双碳”目标下山水林田湖草沙一体化保护和修复工程优先区与技术策略研究

巩固与提升生态系统碳汇能力是实现碳达峰、碳中和目标的重要途径之一。生态保护修复对生态系统固碳增汇有着重要影响。2016—2021年,财政部、自然资源部、生态环境部在我国27个省(自治区、直辖市)共支持了三批山水林田湖草生态保护修复工程试点和第一批山水林田湖草沙一体化保护和修复工程,共35个山水工程。通过分析已部署的35个山水工程布局的空间特征和碳汇效益,结合国家重点关注的生态保护修复区域、全国重要生态系统保护和修复重大工程分布、生态系统碳汇重要区域和敏感区域,探索“双碳”目标下山水工程布局优先区及生态保护修复技术策略。研究发现山水工程的碳汇效益具有空间差异性,且山水工程优先区主要依次分布在青藏高原生态屏障区、东北森林带、长江重点生态区(含川滇生态屏障)、南方丘陵山地带、黄河重点生态区(含黄土高原生态屏障)、北方防沙带等的森林、高原草地、荒漠、岩溶地区等区域。基于此,提出未来山水工程在不同区域的技术策略。在森林生态系统为主地区,不仅要提高森林覆盖度、森林质量,还应当加强生物多样性的保护和土壤碳汇能力的提升;在高原草原及冻土地区应加强草地退化和冻土监测,提高草地质量;在西北荒漠化地区加强碳...     

陆地生态系统碳通量面临的挑战与机遇——基于涡度协方差测定

区域和全球涡度协方差网络提供了基于陆地-大气生态系统间最大的综合性原位碳通量观测数据集。这些数据目前已成为自下而上核算陆地生态系统碳平衡的基础,但部分测量数据合理性问题引起通量界广泛关注。通过梳理近40年研究进展,总结了涡度协方差测量原理,系统地分析了仪器局限性和环境因素潜在影响,讨论了不同碳通量组分填补存在的争议、生态系统冬季休眠期的净碳吸现象违背生理学知识、夜间湍流发展不充分对生态系统呼吸的低估等,并由此产生数据偏移和测量滞后时间等。通过阐述涡度协方差测量原理和数据处理存在的缺陷与争议,提出了适当的改进措施以限制(或降低)数据测量产生的不确定性,旨在为后续监测精度提升和探究陆地生态系统碳循环及其对环境因子的响应提供理论支撑。