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  γ-聚谷氨酸(γ-PGA)可以增加作物的产量,对肥料和水分起到很好的缓释作用,同时还可以改善土壤的保水性能及团粒结构、增强农作物的抗病能力,具有显著的保水保肥、增产节肥效果。γ-PGA作为一种优良的环保型高分子材料,主要由微生物通过液体发酵或固体发酵得来。但目前γ-PGA制备存在发酵碳氮源成本高、需氧量大以及提取纯化困难等众多问题,导致γ-PGA制备成本高昂,也限制了其在农业中的应用。因此,寻找经济廉价的农用γ-PGA高效发酵制备技术显得尤为重要,同时,为了解决农业废弃物资源化利用问题以及减少化肥使用量,研究人员拟以农业废弃物玉米秸秆和豆粕为主要基质利用微生物固体发酵生产γ-PGA,减少发酵成本,同时把发酵结束后含有γ-PGA的固体发酵基质直接用作生物有机肥料,减少化学肥料的使用,促进作物生长。  中国科学院成都生物研究所污染生物治理项目组硕士研究生房俊楠在导师、研究员闫志英的指导下,以自行分离筛选的一株高产的γ-PGA生产菌株B.amyloliquefaciensJX-6为目标菌株,并以农业废弃物玉米秸秆和豆粕为主要的发酵基质进行固体发酵实验研究。首先,对JX-6在灭菌条件下固体发酵生产γ-PGA的实验条件进行优化;其次,验证在最优发酵条件下JX-6固体发酵生产γ-PGA可重复性;最后验证在不灭菌条件下JX-6固体发酵生产γ-PGA的可行性。研究发现在灭菌与不灭菌的发酵条件下,目标菌株B.amyloliquefaciensJX-6均可合成产量可观的γ-PGA,其中,灭菌条件下γ-PGA的最高产量为166.99±1.94g/kg,不灭菌条件下为134.25±4.38g/kg。同时,利用扫描电子显微镜、粗纤维仪以及傅立叶红外光谱仪分别对灭菌条件和不灭菌条件下的固体发酵基质的表面形态变化、木质纤维素原料含量变化以及主要官能团的吸收峰值进行检测,发现在发酵前后,这三者均发生显著性的变化,且不灭菌的发酵条件较之灭菌的发酵条件对固体发酵基质的影响更大,这一结论也证实在不灭菌发酵条件下利用微生物固体发酵生产γ-PGA的可行性,为之后大规模固体发酵生产γ-PGA奠定基础。  该研究成果以房俊楠为第一作者、闫志英为通讯作者发表在国际期刊JournalofCleanerProduction上。  该研究得到中科院科技服务网络计划(KFI-STS-QYZD-098)、中科院战略生物资源服务网络计划(No.KFJ-BRP-009)、四川省重大科技项目(No.2018SZDZX0024)与中科院科技服务网络计划(KFJ-STS-QYZD-077)等的支持。   论文链接图1γ-PGA固体发酵工艺流程图2γ-PGA固体发酵过程微生物属种丰度变化

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  节理广泛存在于岩体中,是流体在岩石中的主要渗流通道,影响着岩体的力学特性和水力特征。节理剪切过程中的渗透率变化会影响流体在节理岩体中的流动。研究不同应力条件下,节理剪切过程中岩体节理渗透率演化规律及其机理,对石油、天然气和地热资源的开采以及二氧化碳地质封存等地质工程都具有重要意义。  针对以上问题,中国科学院武汉岩土力学研究所通过室内试验和数值模拟,对含节理花岗岩剪切过程中的渗透率变化进行研究。室内实验中,对6个含天然节理花岗岩试样分别在1.9-20MPa的法向应力条件下进行剪切(图1),获得不同应力条件下花岗岩节理渗透率演化规律。随后基于离散单元法对该实验过程进行数值模拟(图2),分析不同应力条件下微裂纹演化过程,揭示渗透率演化机理。  研究结果表明,法向应力对节理剪切过程中渗透率演化有着重要影响(图3)。在较低的法向应力下,剪切过程中节理的渗透率先上升后减小。而在较高的法向应力条件下,节理的渗透率在剪切过程中不断降低。结合数值模拟分析发现,该变化规律与不同法向应力造成的不同剪切机制有关(图4)。在低法向应力条件下,在剪切初期,节理上部岩块主要以沿节理面滑移为主,由于节理面凹凸不平,滑移使节理上部与下部的岩块由咬合变为非咬合,接触面接减小,有利于渗流通道的建立,因此渗透率增加。随着剪切应力的增大,剪切破坏影响增强,接触面增加,因此渗透率降低。而在高法向应力条件下,剪切破坏机制贯穿了整个剪切过程,随着剪切位移的增加生成大量磨损产物,堵塞渗流通道,节理渗透性不断减小。该研究结果可为相关实际工程设计和施工提供技术参考。  该研究相关成果已经在线发表于岩石力学期刊RockMechanicsandRockEngineering,第一作者为武汉岩土所直博生申海萌,指导老师为研究员李琦和李小春。该研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和岩土力学与工程国家重点实验室开放基金共同资助。  论文链接图1剪切渗流实验装置图2离散元数值模型图3不同应力条件下剪切过程中渗透率演化图4剪切过程中微裂纹,相对接触面积和SJ接触数的变化

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  苯并(a)芘作为一种典型的疏水性有机污染物,由于其在环境中的难降解性及其对生物体的遗传毒性和致癌性,一直受到人们的高度关注。高级氧化技术具有适用范围广、氧化能力强、能彻底氧化或矿化有机污染物,可以从源头上解决污染治理过程中的环境再污染问题,已广泛应用于水土中有机污染物的去除。SO4.-是近年来兴起的一种高级氧化技术,其与.OH相比,受pH、温度等因素影响相对较小,在环境中存在时间较长,逐渐成为一种可替代.OH的深度处理工艺。沉积物是环境中持水性有机污染物(POPs)最重要的汇。大量的研究已经表明,沉积物中有机质对POPs的吸附和解吸作用是控制着POPs在环境中的分配、迁移和归宿的主要因素。但目前关于有机质的结构、微孔以及解析动力学对吸附的BaP高级氧化降解的影响、以及BaP高级氧化过程,氧化产物在沉积物中的归趋等的研究都较少。  中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士卓陈雅和研究员冉勇等人,选择珠江口和南海海域中的五个沉积物,用过硫酸钠作为氧化剂,用14C示踪技术来研究不同沉积物吸附的BaP的解析情况以及受过硫酸钠的氧化情况。同时采用先进的固态13CP/MASNMR和CO2吸附技术对氧化前后样品有机质的结构和表面特性进行表征,以了解难降解有机质的结构和微孔对BaP的解析以及氧化降解的影响,研究论文发表在近期的WaterResearch上。研究结果表明:过硫酸钠会优先降解不稳定有机质(USOC)以及有机质上的芳香碳部分(Farom),而氧化后残留的稳定性有机质(STOC)富含脂肪碳(Faliph)。一级降解动力学模型可以很好地拟合过硫酸钠对BaP的降解过程(R2>0.997)。从河口沉积物到近海沉积物,BaP最大解析值、降解百分比以及降解速率k(h-1)值逐渐降低,且与STOC含量、Faliph含量以及Vo呈显著负相关。本研究的数据表明,过硫酸钠首先降解从USOC解吸出来的BaP,随着氧化持续进行也会对STOC吸附的BaP进行部分降解,而解吸到水相中的BaP几乎被完全降解。这项研究表明了有机质中的稳定性有机质、脂肪碳结构以及微孔体积对BaP的Na2S2O8氧化降解起到重要作用。研究结果可以为污染沉积物的BaP等有机污染的迁移、转化、归宿等提供科学依据,为污染沉积物的BaP等有机污染物的修复标准和修复技术等提供指导。研究结果发表在近期的WaterResearch国际期刊上。  文章链接图1.(a)不同沉积物中不稳定有机碳含量(USOC),稳定性有机碳含量(STOC)对总有机碳的相对贡献值;(b)在14C-BaP降解实验相同条件下的过硫酸根离子消耗动力学;(c)实验过程降中每个沉积物降解去除每毫克有机碳、脂肪碳或者芳香碳所需消耗的过硫酸根含量;(d)在0.5M的过硫酸盐处理条件下,吸附在不同沉积物(A1、A4、E2、E3和E5)上的7-14C-BaP降解矿化成14CO2动力学图2.五个沉积物(A1、A4、E3、E4和E5)样品氧化前后去矿级分(DM)的13CNMR全碳谱:其中图中细线代表CP/TOSS图谱;图中粗线代表CP/TOSS/DD。图3.沉积物中14C-BaP最大降解矿化14CO2百分比和速率常数k(h-1)与稳定性有机碳(STOC)、不稳定性有机碳(USOC)、Faliph-bulk,alkyC-bulk、Farom-oxidation和aromC-C-oxidation的关系值。其中Faliph-bulk和alkyC-bulk分别代表氧化后沉积物有机质中的脂肪碳和烷基碳含量;Farom-oxidation和aromC-C-oxidation分别代表氧化去除的芳香碳和非质子芳香碳的含量。图4.(a)放射性BaP标记的沉积物,在氧化744h后各项的最大氧化值和最大解析值;(b-d)沉积物中最大解析值分别于稳定性有机质(STOC)、脂肪碳(aliphtic)以及烷基碳(alkyC)部分的相对关系。

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  人口增长与城市化等多重背景下,如何在保障粮食安全的同时,最大限度地降低活性氮的环境影响是全球面临的巨大挑战。作为世界第一农业大国和最大规模的城市化国家,中国面临着比世界任何国家和地区更加严重的协调氮素在作物生产和环境保护中作用的挑战。同时,地区间的发展不平衡导致人口增长、食物消费结构变化、外来人口数量及食物贸易等方面存在较大差异,这些因素是如何影响不同类型城市食物系统氮输入的尚缺少足够的认识。深入了解国家、省级和典型城市尺度的食物系统氮投入驱动力、不同阶段氮利用效率及其时空变化特征与影响因素,对提升我国食物系统整体氮利用效率具有重要的意义。作为农业大国和快速城市化的发展中国家代表,中国的案例研究对于全球农业绿色发展和城市化可持续发展具有重要的参考价值。  鉴于此,中国科学院城市环境研究所城市生态过程与调控研究组针对国家、省级和典型城市食物系统开展了“三部曲”研究。(一)采用物质流和情景分析方法,发现过去二十多年间,食物消费结构、人口增长和城市移民分别贡献了我国52%、31%和17%的动物食物氮消费的增加,三个因素贡献了我国食物系统46%的氮增长;首次定量证实了城市移民通过影响居民食物消费结构对我国食物氮消费和食物系统氮投入的影响;(二)针对省级尺度作物、畜禽、食物等系统分别研究了1990-2017年各系统活性氮利用效率的时空变化,同时分析单位耕地面积氮投入、畜禽养殖结构、食物贸易等因素对三个系统氮利用效率的影响;发现:(1)单位耕地面积氮投入超过400kgNha-1,农田系统氮利用效率随投入量增加而下降;(2)按照推荐膳食指南,增加禽肉、蛋奶和水产品占总动物食物生产的比重,有助于显著提升畜禽系统氮利用效率;(3)随着人均净进口食物氮量的增加,省级尺度食物系统氮利用效率呈快速上升趋势;(4)考虑省级贸易,应采用虚拟氮利用效率来更加准确地评价省级尺度食物系统的氮利用;(三)以北京、天津、上海、重庆、厦门、长春和兰州等七个不同类型与地理区位、不同城市化发展水平的城市为研究对象,定量了本地人口增长、食物消费结构变化、本地城市化、外来人口迁移和农业措施分别贡献了2015年七个城市1.2–14.1%,-6.6–30.0%,0.6–8.2%,-7.7–131.0%和-43.8–12.8%的虚拟氮输入,同时发现虚拟氮利用效率能够更加准确地反映城市食物系统的氮利用及其对周边地区的影响。  研究结果分别以“DrivingforcesandimpactsoffoodsystemnitrogenflowsinChina,1990to2012”,“DrivingforcesofnitrogenflowsandnitrogenuseefficiencyoffoodsystemsinsevenChinesecities,1990to2015”和“Spatio-temporaldynamicsofnitrogenuseefficienciesinthefoodsystem,1990-2017”为题连续发表于环境领域期刊ScienceoftheTotalEnvironment上,高兵为第一作者(第二篇高兵和黄葳为共同第一作者),崔胜辉为通讯作者。该研究得到国家重大科学研究计划、中科院城市环境所青年人才领域前沿项目及国家自然科学基金等的资助。  论文链接:123图:国家尺度食物系统氮投入驱动力分析

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  地球电离层是指地球高空60~1000km高度中性大气被部分电离的区域。在低纬赤道,电离层等离子体动力学过程受行星际磁场Bz极性变化影响,其引起的行星际穿透电场可导致低纬电离层等离子体重新分布,造成电离层时空变化。电离层电子浓度总含量(TEC)是描述电离层的一个重要参量。基于GPS信标观测反演的电离层TEC已广泛应用于电离层区域大尺度变化研究。然而,由于GPS卫星运动造成电离层穿透点位置不停变化,观测的时间序列同时包含了随空间和时间的变化信息,利用GPS观测难以获取电离层TEC随空间和时间的精细变化。  近年来,我国发射了一系列北斗卫星开展全球组网。北斗卫星导航系统包括多颗地球同步轨道卫星,其电离层穿透点的位置几乎不变,这为研究电离层TEC的时空精细变化提供了可能。近年来,中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外站围绕南中国及周边地区的三个研究方向——电离层不均匀体/闪烁发生与跟踪、电离层扰动与激发源与电离层精细结构地域特性,致力于建设东亚/东南亚电离层不均匀体/闪烁观测网(IONISE,http://ionise.geophys.ac.cn/)。目前北京空间环境国家站已开发了多卫星信标TEC/闪烁自动观测系统,沿东经110度和北纬23度建设了“十字”观测链,并在我国海南和南海岛礁建立了多基地便携式电离层探测仪PDI。这些使得IONISE具备大范围、密集的电离层固定穿透点TEC探测能力(图1)和对电离层运动的快速探测能力,可获取我国南部及周边地区电离层时空精细变化。  2018年4月20日,一次中等强度的磁暴发生(SYM-H达到-86nT),行星际磁场Bz极性呈现周期变化。地质地球所研究员李国主等利用IONISE北斗同步卫星TEC和PDI快速多普勒探测,发现低纬电离层TEC在很大的经度范围内同步出现周期性的增强现象(图2)。他们联合PDI多普勒、地磁ΔH和行星际磁场Bz数据开展分析,发现低纬电离层TEC周期性的增强与等离子体周期性的向下漂移密切相关(图3):在行星际磁场Bz极性的多次变化期间,有多次行星际西向穿透电场驱使大范围经度区的低纬电离层等离子体向下运动,造成电离层顶部密度下降,高的纬度顶部电离层等离子体向低的纬度运动填充该低密度区域,从而造成低纬电离层TEC的增加。在磁暴期间,以往观测的低纬电离层TEC增加一般解释为行星际东向穿透电场抬升电离层,由等离子体的向上运动导致。他们的观测给出了磁层-低纬电离层电动力学耦合影响电离层结构变化的另外一种可能过程。  研究成果发表于国际期刊GeophysicalResearchLetters。  论文链接  图1IONISE电离层TEC/闪烁接收机位置(三角形)和北斗同步卫星电离层固定穿透点的位置(圆点)  图2沿北纬17度、北纬21.5度和东经112度的电离层固定穿透点观测的垂直TEC随时间的变化图3不同频点垂直探测电离层多普勒速度、地磁ΔH、行星际磁场Bz、电离层TEC、F层临频和虚高随时间的变化

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  病原菌水污染仍然是威胁人类健康的全球性问题。目前水处理中使用的消毒方法存在有害消毒副产物产生的弊端,因此有必要开发绿色杀菌材料,在避免副产物形成的同时,保障污染水消毒的安全性和高效性。  中国科学院南京土壤研究所通过共沉淀及离子交换法将玉米秸秆炭、磁性粒子和季鏻盐耦合,成功制备出一种简便、绿色的抗菌材料——磁性生物质炭/季鏻盐(MBQ)。研究结果表明:MBQ具有高效的抗菌性能,在投加量仅为20mg/L时,即可100%杀灭水体中106CFU/mL的病原菌(E.coli和S.aureus);季鏻盐与生物质炭表面的活性位点以共价键结合,在水体中缓慢释放时间超过72h,实现了季鏻盐杀菌剂的长效杀菌;同时磁性粒子的引入,能够实现MBQ材料的磁性回收和再生利用。并揭示了MBQ对大肠杆菌的杀菌机理:MBQ通过静电力“捕获”病原微生物,在物理损伤、炭诱导产生的活性氧自由基的氧化胁迫及释放的季鏻盐协同作用下,细胞膜结构完整性及通透性丧失,胞内物质大量流失,最终导致菌体死亡。  以上研究结果已在Carbon期刊上发表,博士生付玉豪为论文第一作者,研究员王芳为论文通讯作者,该工作同时申请国家发明专利一项。研究工作得到国家自然科学基金等资助。  文章链接MBQ高效抗菌性能

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