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从土壤微生物中找到“宝藏”

冯杰

2023年07月11日 07:32

高群
人民日报海外版

谈起“双碳”,你会想到什么?或许是大气中的二氧化碳、气候变化、绿色能源的应用……

事实上,“双碳”不仅与“天空”有关,也与“大地”密不可分——作为地球陆地生态系统中碳含量最大的生态系统,土壤的碳储量约为大气的2—3倍、植被的3—4倍,对于调控气候变化和碳中和的实现具有重要意义。

清华大学环境学院博士后高群就是一名与土壤打交道的科学家。她从土壤中的微生物入手,实现了碳排放的预测优化,寻找出减污降碳的新技术。用高群的话来说,她的研究就是从“挖土”到“挖宝藏”的过程。

揭示土壤碳排放的奥秘

“和人类一样,土壤也会通过‘呼吸’排出二氧化碳,这就是土壤的碳排放过程。”高群介绍,保护土壤碳库的大小和稳定性,是缓解气候变化的重要举措。

《科学》杂志曾经将土壤称为“最后的科学前沿”,揭示了土壤生物的多样性、复杂性和重要性。近年来,土壤学科发展和科学地位不断提升。特别是在全球气候变化挑战日益严峻的当下,土壤碳封存已被《联合国气候变化框架公约》列为实现长期碳中和的关键途径之一。

“土壤中大部分的碳储量集中在高纬度地区特别是寒冷的冰冻地区。比如青藏高原就是我国重要的‘碳库’,也是生态脆弱敏感区。”高群说,调控土壤碳含量,助力“双碳”实践,这是一个听上去简单,但实际上极其复杂的科学问题。

利用青藏高原等地区的监测数据,高群所在的研究团队对全球土壤碳排放的时空变异规律进行了探索。研究发现,过去30年间,全球的土壤碳排放在21世纪初期发生了短暂的“停顿”,这是因为此间全球气候温度的升高进入了停滞期。

与此同时,高群等科学家还通过研究,揭示了气候变化影响下青藏高原碳汇功能和变化特征,该成果被列为第二次青藏科考的重要进展之一。

打造微生物碳循环模型

土壤碳库如此重要,它是如何形成并储存在土壤中的?在传统观念中,人们认为植物的“枯枝落叶”是土壤碳储存的主要来源。很多土壤碳库模型也将植物中的木质素作为表征稳定碳库的重要参数。

然而,科学家们逐渐发现,土壤碳循环过程中有一批重要的“生力军”——微生物。它们虽然个体微小,却与人类和生态系统关系密切。

“微生物是生态系统的分解者,它们通过分解有机物,把土壤中的有机碳变成无机的二氧化碳。”高群说。有趣的是,微生物还能通过合成代谢,将碳转化成某种形式储存于土壤中。

“这一被称为‘微生物碳泵’的过程,是一个现实可行又无环境风险的固碳途径。”高群说。

近年来,土壤微生物对碳循环和气候变化的作用得到越来越多的关注。2019年,来自多个国家的33名科学家联合撰文呼吁,将微生物科研融入主流气候变化研究和气候变化框架中,以应对人为造成的气候变化问题。

要想摸清微生物的奥秘并不容易。“微生物的碳循环过程非常微观,我们看不见、摸不着。如何将微生物的功能特性纳入到土壤碳库模型中,这是一个国际难题。”高群说。

经过数年的潜心研究,高群所在的科研团队开发出了基于微生物功能基因的新型碳库模型,这一成果推动了微生物组学与宏观气候变化生态学的融合,实现了对碳排放的预测优化,得到了世界上该领域很多科学家的广泛认可。

为“双碳”寻找“天才”菌株

我们常说的微生物,涵盖了有益与有害的众多微生物种类,包括细菌、病毒、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体。高群介绍,在1克土壤中,微生物的数量多达108—1012个,而人类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预测的。

既然微生物对固碳有重要作用,那么究竟是哪些微生物有这样“神奇”的能力?高群的又一项研究,是把这样的微生物找出来,让它们在更多场景发挥作用。

“我们通过多年的野外定位实验,发现并筛选出了一部分在碳降解、碳固定方面起到重要作用的微生物,将他们的功能基因纳入到模型中。”高群说,科研团队挖掘出了一批具有雌激素降解功能的菌,通过将其与生物炭结合的方法,实现了土壤减污与降碳协同技术的初步研发。在实验室条件下,生物炭平均可以使土壤的二氧化碳减排24%,而高效固碳酶在工业废气、汽车尾气等固碳应用中有很好的产业化前景。

“微生物是一笔巨大的隐形财富。”高群说,“我相信土壤中一定还存在着一些‘天才’菌株。如果能够将它们的功能和应用发掘出来、解释清楚、规模应用,一定会对‘双碳’目标的实现起到重要作用。”

在“沉默”中探索攻坚

从大学开始,高群就与环境科学结下了缘分。“最初选择环境专业,是觉得‘环境’这个词看上去挺文艺,后来进入到土壤微生物领域,是因为微生物看上去很有神秘感。”在环境科学领域耕耘数年之后,高群对这一专业有了更多的认知和理解。

“环境科技工作者的角色就像是给地球‘治病’的‘医生’,通过治理水体、土壤、大气、固体废弃物污染,为地球的各个表面和圈层治疗‘痼疾’。”高群说。

与土壤和微生物打交道,是一个磨炼心性、坐冷板凳的过程。高群介绍,在减污降碳技术开发过程中,科研团队为了追踪雌激素在环境中的传播足迹,需要沿着其可能的传播链条,对各个环节的土壤进行大量采样。采集土壤后,还要完成冻干、预处理以及后续的研磨和固相萃取等工作,最终把需要鉴别的污染物提取分离出来,再测定其浓度。

“基础研究需要很长时间的‘沉默成本’。”高群说,要坐好、坐稳基础研究的冷板凳,既要有兴趣,也需要情怀。近年来,国家出台一系列政策支持基础研究,支持青年科技人才挑大梁、担重任,这给像高群一样的科学家创造了机遇。

“青年科学家要珍惜这个时代,肩负起自己的责任和使命。我会继续沿着关键的科学领域进行深入研究,在微生物固碳、微生物介导的减污降碳等领域不断探索、攻坚克难。”高群说。


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2023年07月11日 15:33
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