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      高群:從土壤微生物中找到“寶藏”
      2023-07-06   來源:人民日報海外版   

      高群:從土壤微生物中找到“寶藏”

      談起“雙碳”,你會想到什么?或許是大氣中的二氧化碳、氣候變化、綠色能源的應用……

      事實上,“雙碳”不僅與“天空”有關,也與“大地”密不可分——作為地球陸地生態系統中碳含量最大的生態系統,土壤的碳儲量約為大氣的2—3倍、植被的3—4倍,對于調控氣候變化和碳中和的實現具有重要意義。

      清華大學環境學院博士后高群就是一名與土壤打交道的科學家。她從土壤中的微生物入手,實現了碳排放的預測優化,尋找出減污降碳的新技術。用高群的話來說,她的研究就是從“挖土”到“挖寶藏”的過程。

      揭示土壤碳排放的奧秘

      “和人類一樣,土壤也會通過‘呼吸’排出二氧化碳,這就是土壤的碳排放過程。”高群介紹,保護土壤碳庫的大小和穩定性,是緩解氣候變化的重要舉措。

      《科學》雜志曾經將土壤稱為“最后的科學前沿”,揭示了土壤生物的多樣性、復雜性和重要性。近年來,土壤學科發展和科學地位不斷提升。特別是在全球氣候變化挑戰日益嚴峻的當下,土壤碳封存已被《聯合國氣候變化框架公約》列為實現長期碳中和的關鍵途徑之一。

      “土壤中大部分的碳儲量集中在高緯度地區特別是寒冷的冰凍地區。比如青藏高原就是我國重要的‘碳庫’,也是生態脆弱敏感區。”高群說,調控土壤碳含量,助力“雙碳”實踐,這是一個聽上去簡單,但實際上極其復雜的科學問題。

      利用青藏高原等地區的監測數據,高群所在的研究團隊對全球土壤碳排放的時空變異規律進行了探索。研究發現,過去30年間,全球的土壤碳排放在21世紀初期發生了短暫的“停頓”,這是因為此間全球氣候溫度的升高進入了停滯期。

      與此同時,高群等科學家還通過研究,揭示了氣候變化影響下青藏高原碳匯功能和變化特征,該成果被列為第二次青藏科考的重要進展之一。

      打造微生物碳循環模型

      土壤碳庫如此重要,它是如何形成并儲存在土壤中的?在傳統觀念中,人們認為植物的“枯枝落葉”是土壤碳儲存的主要來源。很多土壤碳庫模型也將植物中的木質素作為表征穩定碳庫的重要參數。

      然而,科學家們逐漸發現,土壤碳循環過程中有一批重要的“生力軍”——微生物。它們雖然個體微小,卻與人類和生態系統關系密切。

      “微生物是生態系統的分解者,它們通過分解有機物,把土壤中的有機碳變成無機的二氧化碳。”高群說。有趣的是,微生物還能通過合成代謝,將碳轉化成某種形式儲存于土壤中。

      “這一被稱為‘微生物碳泵’的過程,是一個現實可行又無環境風險的固碳途徑。”高群說。

      近年來,土壤微生物對碳循環和氣候變化的作用得到越來越多的關注。2019年,來自多個國家的33名科學家聯合撰文呼吁,將微生物科研融入主流氣候變化研究和氣候變化框架中,以應對人為造成的氣候變化問題。

      要想摸清微生物的奧秘并不容易。“微生物的碳循環過程非常微觀,我們看不見、摸不著。如何將微生物的功能特性納入到土壤碳庫模型中,這是一個國際難題。”高群說。

      經過數年的潛心研究,高群所在的科研團隊開發出了基于微生物功能基因的新型碳庫模型,這一成果推動了微生物組學與宏觀氣候變化生態學的融合,實現了對碳排放的預測優化,得到了世界上該領域很多科學家的廣泛認可。

      為“雙碳”尋找“天才”菌株

      我們常說的微生物,涵蓋了有益與有害的眾多微生物種類,包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類等在內的一大類生物群體。高群介紹,在1克土壤中,微生物的數量多達108—1012個,而人類目前已知的微生物只占1%,其余99%的微生物,其功能仍是不可知和不可預測的。

      既然微生物對固碳有重要作用,那么究竟是哪些微生物有這樣“神奇”的能力?高群的又一項研究,是把這樣的微生物找出來,讓它們在更多場景發揮作用。

      “我們通過多年的野外定位實驗,發現并篩選出了一部分在碳降解、碳固定方面起到重要作用的微生物,將他們的功能基因納入到模型中。”高群說,科研團隊挖掘出了一批具有雌激素降解功能的菌,通過將其與生物炭結合的方法,實現了土壤減污與降碳協同技術的初步研發。在實驗室條件下,生物炭平均可以使土壤的二氧化碳減排24%,而高效固碳酶在工業廢氣、汽車尾氣等固碳應用中有很好的產業化前景。

      “微生物是一筆巨大的隱形財富。”高群說,“我相信土壤中一定還存在著一些‘天才’菌株。如果能夠將它們的功能和應用發掘出來、解釋清楚、規模應用,一定會對‘雙碳’目標的實現起到重要作用。”

      在“沉默”中探索攻堅

      從大學開始,高群就與環境科學結下了緣分。“最初選擇環境專業,是覺得‘環境’這個詞看上去挺文藝,后來進入到土壤微生物領域,是因為微生物看上去很有神秘感。”在環境科學領域耕耘數年之后,高群對這一專業有了更多的認知和理解。

      “環境科技工作者的角色就像是給地球‘治病’的‘醫生’,通過治理水體、土壤、大氣、固體廢棄物污染,為地球的各個表面和圈層治療‘痼疾’。”高群說。

      與土壤和微生物打交道,是一個磨煉心性、坐冷板凳的過程。高群介紹,在減污降碳技術開發過程中,科研團隊為了追蹤雌激素在環境中的傳播足跡,需要沿著其可能的傳播鏈條,對各個環節的土壤進行大量采樣。采集土壤后,還要完成凍干、預處理以及后續的研磨和固相萃取等工作,最終把需要鑒別的污染物提取分離出來,再測定其濃度。

      “基礎研究需要很長時間的‘沉默成本’。”高群說,要坐好、坐穩基礎研究的冷板凳,既要有興趣,也需要情懷。近年來,國家出臺一系列政策支持基礎研究,支持青年科技人才挑大梁、擔重任,這給像高群一樣的科學家創造了機遇。

      “青年科學家要珍惜這個時代,肩負起自己的責任和使命。我會繼續沿著關鍵的科學領域進行深入研究,在微生物固碳、微生物介導的減污降碳等領域不斷探索、攻堅克難。”高群說。(劉峣)

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      標簽:土壤 微生物 碳排放

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