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L-色氨酸是自然界中分布最广泛的吲哚衍生物，也是人体必需氨基酸之一，可作为5-羟色胺、褪黑素和血清素等多种物质的合成前体。L-色氨酸还是动物营养中的限制性氨基酸。因此，快速准确定量L-色氨酸十分必要。然而，L-色氨酸在酸性环境中极易被分解，给饲料中L-色氨酸的定量测定造成极大的不便。开发一种可用于现场快速检测饲料或动物体液中L-色氨酸的生物传感器，将为动物营养领域L-色氨酸的测定提供便捷手段，也可应用于食品、医学等领域。
　　L-色氨酸是自然界中分布最广泛的吲哚衍生物，也是人体必需氨基酸之一，可作为5-羟色胺、褪黑素和血清素等多种物质的合成前体。L-色氨酸还是动物营养中的限制性氨基酸。因此，快速准确定量L-色氨酸十分必要。然而，L-色氨酸在酸性环境中极易被分解，给饲料中L-色氨酸的定量测定造成极大的不便。开发一种可用于现场快速检测饲料或动物体液中L-色氨酸的生物传感器，将为动物营养领域L-色氨酸的测定提供便捷手段，也可应用于食品、医学等领域。
　　针对上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城亚热带农业生态研究所印遇龙院士团队利用前期筛选的L-色氨酸肽适体，采用硼氢化钠还原法合成了表面修饰肽适体的胶体金溶液；使用TEM、FT-IR、XPS和Zeta电位以及粒度分析仪进行表征，从光谱学角度验证了纳米材料的合成及其对L-色氨酸的灵敏性。研究结果显示，当胶体金溶液中按比例加入L-色氨酸时，经过10 s的震荡混匀，溶液颜色由酒红色变为深蓝色，同时溶液最大吸收波长由535 nm迁移到600-620 nm。对过程条件进行优化后，所研制生物传感器在1-50 μM和50-1000 μM之间对梯度浓度的L-色氨酸表现出良好的线性关系；研制的生物传感器可排除血清中抗坏血酸、尿酸的干扰，且不受其他16种常见氨基酸的明显干扰；在7天的稳定性测试中，每天的溶液颜色并未发生明显变化，在535 nm处的吸光度RSD值为4.82%；研制的生物传感器在猪血清测试中回收率为99.2%-100.2%。综上，该项研究设计了一种基于肽适体和金纳米颗粒的快速、简便、灵敏、高选择性的比色型L-色氨酸生物传感器，具备结构和操作简单、高灵敏度、良好选择性等特点，可用于猪血清等样品中L-色氨酸的快速检测。
　　上述研究结果以Peptide aptamer-based colorimetric sensor for the detection of L-tryptophan in porcine serum为题发表在Top期刊Microchemical Journal上。该研究得到国家重点研发计划（2021YFD2000800）、国家自然科学基金项目（31527803）、中国博士后科学基金（2022T150075，2022M720541）、现代农业产业技术体系建设专项（CARS-35）等项目的支持。
　　论文链接
　　图1 添加L-色氨酸(1 mM)前(A)后(B) PEP-Au的透射电镜图像，裸Au NPs、PEP-Au和添加L-色氨酸的PEP-Au的Zeta电位曲线(C)，以及PEP-Au的FTIR光谱(D)。
　　图2 基于适配体的比色生物传感器检测L-色氨酸的机理图。
　　图3 （A）加入不同浓度的L-色氨酸（上图）和随后加入1.0 M KCl（下图）后PEP-Au的溶液图像。(B) L-色氨酸浓度与618纳米波长吸光度之间的相关性。(C) 加入不同浓度的L-Trp溶液后，再加入1.0 M KCl，PEP-Au的紫外可见光吸收光谱
　　

2024-01-09

Nano Letters|深圳先进院报道超构表面慢光新原理

研究团队提出了一种基于晶格共振与晶格共振发生耦合诱导产生的新型类EIT现象，极大地抑制了其损耗，从而在100纳米高度的硅纳米柱阵列上实现了慢光效应。
　　1月6日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院集成所李光元课题组在纳米科技领域国际顶级期刊Nano Letters上发表了题为Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective-Collective Coupling的文章，并被选为封面文章。
　　
　　针对超构表面采用类电磁辐射透明（EIT）现象实现慢光效应所面临的高损耗问题，研究团队提出了一种基于晶格共振与晶格共振发生耦合诱导产生的新型类EIT现象，极大地抑制了其损耗，从而在100纳米高度的硅纳米柱阵列上实现了慢光效应（光速减慢了1万多倍）。于此同时，团队在实验上测得高达2750的超高品质因子，数倍于现有纪录（483）。该研究还进一步发现了一种具有连续域束缚态（BIC）特性的集体型类EIT现象，其品质因子和慢光指数在理论上均按照反二次函数发散到无穷大。这一创新设计为实现超高性能的慢光光子芯片器件提供了新的思路。
　　
　　光速是宇宙中最快的速度，也是所有物质和信息传播的速度上限，被认为是无法超越的。真空中的光速c约为30万公里/秒，是一个物理常数。在狭义相对论中，光速c将时间与空间联系在一起，也将质量与能量通过著名的质能等价方程E=mc2联系在一起。根据狭义相对论，当我们的速度接近光速时，时间会变慢，这与古人说的“天上一日，地上一年”相吻合。
　　光速不能被超越，但能被减慢。例如，光通过玻璃或水之类的介质时速度放缓。将光速减慢，有助于更好地操控光子，进而提升对光信息的获取、传输、处理与缓存能力以及光传感、光通信、光路由、光调制和光存储等相关应用和器件的性能。以生化光子传感应用为例，当光速减慢后，光的能量密度将明显增大，从而有效提高传感灵敏度。因此，如何将光速减慢一直是科学家重点突破的关键目标之一。
　　由于常规材料的折射率不高，光速减慢十分有限。为了极大地减慢光速，人们提出了包括电磁诱导透明（EIT）、玻色-爱因斯坦凝聚、光子晶体等多种技术来实现强慢光效应。其中，EIT技术是最早实现强慢光效应的方法，其原理是利用原子系统跃迁通道之间的量子相干效应来消除电磁波传播过程中介质的影响。基于EIT技术，1999年哈佛大学Hau等人在450nK的超冷原子中实现了17m/s的极慢光速（相当于一名优秀运动员的自行车骑行速度）。然而，所有这些强慢光器件的一大核心限制因素是：由损耗带来的缓存时间不足或光与物质相互作用长度不够的问题。
　　作为一种平面化的人工电磁材料，超构表面被认为是一个“自由操控光的平台和未来光电器件的颠覆者”。近年来，基于超构表面来模拟EIT现象，成为光子芯片在室温下产生强慢光效应的研究热点。然而，受制于超构表面所支持的局域共振的巨大损耗，其慢光性能并不理想。
　　李光元课题组多年来致力于探索超构表面的损耗抑制机理，已经在基于表面晶格共振（SLR）的超高品质因子超构表面的理论设计和实验性能上取得了一些重要的进展和突破（Opt. Express 2019, 27, 25384；J. Physics D: Appl. Phys. 2020, 53, 465109；Opt. Lett. 2021, 46, 1546；J. Physics D: Appl. Phys. 2022, 55, 025111；Opt. Express 2022, 30, 34601；Nanophotonics 2022, 11, 4843；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301205；Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2300186；Adv. Optical Mater. 2023, 11, 2301130）。
　　在此基础上，研究团队基于硅纳米柱阵列结构所支持的米氏电偶极SLR分别与面内或面外电四偶极SLR之间的干涉耦合，提出了两种具有集体共振特性的新型类EIT现象，在室温下实现强慢光效应（光速被减慢1万倍以上，即为30公里/秒以下）的同时，极大地抑制了损耗，从而在实验上测得破纪录的品质因子。该原理不同于传统超构表面类EIT现象：后者基于局域共振之间的干涉耦合，因此需要将两个独立的纳米结构靠得足够近来实现，对纳米加工能力提出了挑战，而且由于局域共振所受的散射损耗较高，导致类EIT现象的品质因子和慢光指数均十分有限。
　　特别地，由面内电四偶极SLR与电偶极SLR干涉耦合产生的新型类EIT现象继承了前者的BIC特性，导致其品质因子与慢光指数在理论上均按照反二次函数发散到无穷大。此外，通过参数调节，研究还观测到了由这两种类EIT现象形成的双频EIT带。
　　
　　本研究工作利用晶格共振之间的干涉耦合，在超构表面上实现超高品质因子（即超低损耗）的强慢光效应，有望在光通信、光计算和光存储等领域光调制器和光缓存器，以及光传感领域的超高灵敏度传感器方面获得广泛的应用，也为慢光超构表面硅基光子芯片的设计和研究提供了新的思路。
　　金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院为该研究的第一单位，深圳先进院集成所副研究员李光元为本文的通讯作者，团队成员硕士研究生赵学骞为第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和深圳市科技计划的资助。
　　封面文章
　　传统超构表面的类EIT现象由局域共振-局域共振耦合或局域共振-晶格共振耦合诱导产生，本研究提出晶格共振-晶格共振耦合产生的新型类EIT现象。
　　由面内电四偶极晶格共振与电偶极晶格共振耦合产生的超构表面类EIT现象继承了前者的BIC特性，其品质因子和慢光指数均按照反二次函数发散到无穷大。
　　文章链接
　　

2024-01-08

华南植物园揭示森林火灾与不同灾后管理方式下土壤微生物群落中细菌与真菌反应差异

野火对森林生态系统具有重大且持久的影响，而火灾后的不同管理方式可以改变森林恢复方向。土壤微生物对环境变化非常敏感，可用于评估森林生态系统恢复。然而，目前对火后不同管理方式下细菌和真菌群落特征以及二者之间的差异知之甚少。研究火烧迹地的微生物恢复特征对进一步理解火灾生态学以及不同环境条件下微生物群落的响应方式具有重要意义。研究发现，火后土壤微生物群落的组成发生了变化，变形菌门和担子菌门的相对丰度降低，细菌和真菌群落的多样性增加。虽然人工恢复对微生物群落组成的影响较小，但与细菌群落相比，真菌群落在多样性和结构方面表现出与未火烧样地的更大差异。土壤细菌( a )和真菌( b )群落共现网络与土壤性质的关系。
　　野火对森林生态系统具有重大且持久的影响，而火灾后的不同管理方式可以改变森林恢复方向。土壤微生物对环境变化非常敏感，可用于评估森林生态系统恢复。然而，目前对火后不同管理方式下细菌和真菌群落特征以及二者之间的差异知之甚少。研究火烧迹地的微生物恢复特征对进一步理解火灾生态学以及不同环境条件下微生物群落的响应方式具有重要意义。
　　2019年12月，地质钻探引发广东省高明区凌云山森林火灾，过火面积达924.63公顷。火烧后于2021年上旬进行人工补种乡土阔叶树种，种植面积约720.53公顷，对研究不同恢复方式下的森林土壤微生物恢复有着重要意义。本研究以该火烧迹地为研究对象，共设置未火烧、火后自然恢复和火后种植马占相思和火力楠的人工恢复样地4块，分析了火后恢复初期（<3年）森林土壤微生物群落特征。研究发现，火后土壤微生物群落的组成发生了变化，变形菌门和担子菌门的相对丰度降低，细菌和真菌群落的多样性增加。虽然人工恢复对微生物群落组成的影响较小，但与细菌群落相比，真菌群落在多样性和结构方面表现出与未火烧样地的更大差异。真菌共现网络与土壤因子之间的负相关性也强调了火灾后恢复初期真菌受到更强的资源限制。
　　相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Journal of Environmental Management（《环境管理杂志》）（IF=8.7）上。金沙威尼斯欢乐娱人城华南植物园鼎湖山森林生态系统定位研究站博士生杨萌萌为论文的第一作者，李跃林研究员为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119885
　　图1. 火后不同恢复方式下土壤细菌（a）和真菌（b）群落共现网络稳定性分析
　　图2. 土壤性质与细菌(a)和真菌(b)群落多样性指数的关系
　　图3. 土壤细菌(a)和真菌(b)群落共现网络与土壤性质的关系
　　

2024-01-08

Nature Nanotechnology | 深圳先进院徐海峰团队开发超灵敏软体微米机器人，助力精准医疗

通过开发超弹磁性光刻胶，构建了包含弹性编程在内的弹性体4D纳米光刻技术，制备了迄今最灵敏的人造弹簧系统——皮牛弹簧。
　　自然界中，细菌、精子和一些微生物使用它们纳米级的弹性菌丝进行传感、驱动和捕食。它们的力感知灵敏度可以达到纳牛乃至皮牛级别。这些微生物和细胞的生物力学特性令人着迷，长久以来人们梦想着制造出如此精巧的仿生弹性器件，以便能够对微生物进行精确的细胞力学表征和更进一步地随心所欲操纵。
　　1月4日，金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院的徐海峰团队通过开发超弹磁性光刻胶，构建了包含弹性编程在内的弹性体4D纳米光刻技术，制备了迄今最灵敏的人造弹簧系统——皮牛弹簧（picospring）。该系统具有纳米级的特征尺寸和500飞牛级别（500 fN）的超低力灵敏度，相当于单个细胞重力的一千分之一，并且应变精度超过1 μm/pN。皮牛弹簧支持高度自由的3D光刻加工，可以被定制化加工成任意形状，同时完美兼容磁性光刻材料，因此可用于制备各类软体微米机器人和柔性微米器件，如用于测量精子驱动力的微米测力计、用于细胞操纵的微米镊子以及进行自驱动的微米企鹅和微米海龟等机器。该文章发表在微纳器件领域顶级杂志Nature Nanotechnology，徐海峰为论文的独立一作及共同通讯作者。金沙威尼斯欢乐娱人城深圳先进技术研究院为论文第一单位，合作单位为德国莱布尼茨固态与材料研究所与开姆尼茨工业大学。深圳先进院王磊研究员亦为该文章作者之一。
　　弹簧是人类认识的最早的能量转换器件。小至钟表、扭秤，大至汽车悬挂、原子力显微镜，无一不是使用弹簧机构作为其关键部件而来。可以说弹簧丰富了人造机械的多样性。在微观世界中，细胞和微生物也使用弹性机构来执行力感知、捕食、驱动等动作。把弹簧的应用推广到微观世界，而发明出具备弹簧机构的微纳器件是人类长久以来的一大构想。虽然弹簧的应用历史悠久，但能应用于细胞力学的大应变微米弹性器件却面临挑战。其关键困难在于细胞相容性弹性材料的高精度3D加工。此前，徐海峰团队分别开发了弹簧触发的抗癌精子机器人以及抗血栓的精子火车机器人。研究发表在ACS Nano和Angewandte Chemie等顶级期刊，被Science、MIT Technology Review、美国国家广播电视等多家期刊和媒体报道（链接见文末）。但前期的微米机器人的力感知精度较差，且无法达成细胞的自由操纵。
　　在此背景下，徐海峰团队开发出世界首个纳米加工精度的弹性体光刻胶，构建了包含弹性模量在内的弹性体4D光刻策略，用以定制化加工软体微米机器人，并展示了不同机器人的多种应用。（1）微米测力计可对皮牛级细胞力产生微米级的响应，可以用来测量包括精子在内的物理、化学和生物复合等各类微米机器人的泳动力。（2）微米夹持器可以被磁场独立控制，实现包括夹持在内的8个自由度运动。通过编程磁场模式，可以实现微米机器人翻滚、旋转、夹持、释放等多模态运动的解耦控制，针对特定目标物，如活体细胞进行夹持和转运。该过程不涉及任何如光、热、离子或pH等细胞敏感的环境变化，真正实现了细胞的无影响操纵。（3）仿生软体微米机器人具有集成的弹簧组。通过弹簧对磁场能量的储存和编程释放，实现了仅有磁场控制的20微米尺寸的微企鹅和微海龟的软体驱动。
　　该研究开创了软体机器人在细胞力学及细胞操纵等领域的应用范畴，为构建新型的细胞力学研究平台和细胞操纵分选平台提供了技术基础。它为细胞水平的非侵入性操纵开辟了途径，为显微外科手术和靶向药物输送领域提供了新方法。未来，新型微创甚至无创软体微米机器人仪器将为细胞力学研究、体内受精以及小腔道内血栓清除和神经干预等医疗任务提供有效助力。
　　
　　4D纳米弹性体光刻策略制备各类软体微米机器人的示意图
　　
　　皮牛级软体微米机器人的加工与应用。（a）弹性编程的4D纳米光刻技术用于微米机器人的加工。（b）皮牛级微米测力计用于细胞力学研究。（c）皮牛级微米镊子用于多种不同形状细胞的无干扰操纵。（d）皮牛级磁驱微米企鹅和微米海龟。
　　
　　徐海峰开发的两种精子机器人：抗癌四足精子机器人（左）和抗血栓精子火车机器人（右）。
　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01567-0
　　相关链接：
　　https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b06398
　　https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b07851
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202005657
　　

2024-01-05

印-太海域珊瑚礁生物互作对生物地理格局演化影响取得新进展

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所海洋生物多样性演化与分子生态学学科组聚焦珊瑚礁关键生物类群的多样性形成与演化问题，将物种分布模型与物种相互作用进行耦合解析，创新性发现珊瑚礁物种的生物地理分布演化规律及其对未来气候变化响应的模式，相关研究成果“Considering biotic interactions exacerbates the predicted impacts of climate change on coral-dwelling species”发表于生物地理学著名旗舰期刊Journal of Biogeography上。金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所研究员张志新、博士生马少博为论文共同第一作者，研究员林强为论文通讯作者。
　　全球变化下的珊瑚礁生物多样性形成与演化问题是当前海洋科学研究领域的前沿问题。在海洋领域内，传统的研究通常基于物种分布信息和环境信息进行物种分布模型构建，而忽略了物种之间相互作用带来的影响，最终的模型预测结果往往难以准确评价物种的地理分布格局特征，从而导致在对海洋关键生物类群进行科学保护过程中造成信息偏移或错误。
　　众所周知，海洋珊瑚礁生态系统中蕴藏着丰富而微妙的生物共生、共栖等过程，这些种间关系构成了一个错综复杂的生态网络，从而有效维持了珊瑚礁生物多样性的稳定性。本研究以6种造礁石珊瑚及其9种共栖梯形蟹（亦称珊瑚蟹）为代表性物种，围绕物种间互作关系如何影响物种分布规律这一热点问题，结合多次南海航次调查及文献资料分析结果，率先明确了梯形蟹与石珊瑚之间的共栖选择与物种互作关系（图1）；基于12万余条物种分布信息和6个环境变量参数构建模型，创新性量化了石珊瑚对梯形蟹地理分布格局的影响特征；与传统模型相比，在模型中纳入珊瑚礁物种的种间关系后，梯形蟹物种多样性预测结果在超过50%以上的分布区域发生了显著变化（图2），证实石珊瑚对梯形蟹地理分布格局具有重要影响。
　　同步研究表明，在未来气候变化下，6种宿主珊瑚适宜生境（栖息地）约将丧失1/6。考虑宿主珊瑚的影响后，珊瑚共栖梯形蟹在未来全球变化中将丧失更多的适宜生境，据此，本研究特别强调了保护珊瑚礁栖息地是海洋生物多样性保护的重要基础。
　　该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所自主项目等联合资助。
　　文章链接：https://doi.org/10.1111/jbi.14789
　　
　　图1印-太海域礁栖梯形蟹分布规律及其与石珊瑚共栖特征
　　
　　图2梯形蟹物种多样性预测结果。（a）和（b）传统物种分布模型预测的梯形蟹物种多样性；（c）和（d）纳入种间关系预测的梯形蟹物种多样性特征；（e）和（f）两种模型预测结果的差异。
　　

2024-01-05

热带海草床的碳汇过程与机制获得新认知

　　近日，金沙威尼斯欢乐娱人城南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验黄小平团队在热带海草床的碳汇过程与机制研究获得新认知。相关成果“Nitrogen enrichment decreases seagrass contributions to refractory organic matter pools”发表在Limnology & Oceanography上（博士生罗红雪为第一作者，研究员黄小平和副研究员刘松林为共同通讯作者），以及“Temporal and spatial variations of air-sea CO2 fluxes and their key influence factors in seagrass meadows of Hainan Island, South China Sea”和“Changes in surface sediment carbon compositions in response to tropical seagrass meadow restoration”发表在Science of the Total Environment上（副研究员刘松林为论文第一作者，研究员黄小平为通讯作者）。
　　海草床是重要的蓝碳生态系统，尽管其分布面积小于海洋面积的0.2%，但其对海洋有机碳埋藏的贡献却超过10%，具有巨大的碳汇潜力，对调节全球气候变化具有重要作用。海草床存储的碳主要分为内源碳和外源碳，且受到富营养化等人类活动的影响，但目前对于海草床的碳汇过程与机制，仍缺乏系统认知。因此，研究人类活动影响背景下，热带海草床的海-气碳交换过程，富营养化对海草床碳存储稳定的影响机制，以及海草床碳增汇过程与机理，有助于深入认知海草床的碳汇过程与机制，可为海草床碳的长期储存及增汇途径提供科学依据。
　　以热带海草床为研究对象，利用CO2分压差法对其海-气CO2通量进行观测，发现夏季为大气CO2的源，其他季节热带海草床均呈现CO2净吸收。除温度、风速的影响，人类活动引起的富营养化导致海草生物量的降低，显著降低了海草床对大气CO2的吸收能力（图1）。该研究阐释了热带海草床是大气CO2的重要的汇，海草生物量是控制其海-气CO2通量的关键。
　　以典型热带海草泰来草（Thalassia hemprichii）为研究对象，探索其植株有机碳组分对富营养化的响应规律。研究发现，富营养化通过影响海草植株的碳分配过程，降低海草植株中活性有机碳，以及纤维素与木质素等惰性有机碳的含量。叶片氮含量（富营养化的指示）为2.2%时，海草植株惰性有机碳含量达到峰值，并随着氮含量的上升迅速下降（图2）。通过估算，富营养化可导致热带海草植株惰性有机质的含量下降309-645 kg/ha。该研究首次揭示了富营养化会降低海草植株的惰性碳含量，从而减少其植株对海草床长期碳存储的贡献。
　　利用典型的热带海草泰来草和海菖蒲（Enhalus acoroides）探索海草床沉积物的碳增汇过程。研究发现，短期的海草移植修复（2年），通过减缓水流及提供藻类栖息环境，增加了悬浮颗粒有机质、附生藻类和大型藻类向沉积物的输入，快速提高表层沉积物有机碳含量。由于海菖蒲比泰来草具有更高和更复杂的冠层结构，海菖蒲移植区域所提升的碳储量显著高于泰来草移植区域（图3）。该研究对海草床沉积物碳储量的提升机制形成了新的认知，并为未来开展大规模热带海草床的碳增汇提供了重要的科技支撑。
　　该研究主要得到了国家自然科学基金项目（U1901221）和金沙威尼斯欢乐娱人城青年创新促进会项目（2023359）等的资助。
　　
　　图1 热带海草床对大气CO2的吸收能力的概念图
　　
　　图2 富营养化对海草植株有机碳组分影响的概念图
　　
　　图3 热带海草移植对于碳汇能力提升的影响过程概念图
　　相关论文信息：
　　Hongxue Luo, Songlin Liu*, Stacey M. Trevathan-Tackett, Yuzheng Ren, Jiening Liang, Jinlong Li, Zhijian Jiang, Yunchao Wu, Xiaoping Huang*. Nitrogen enrichment decreases seagrass contributions to refractory organic matter pools. Limnology and Oceanography, 2024. 9999, 1-13.
　　https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lno.12490
　　Songlin Liu, Jiening Liang, Zhijian Jiang, Jinlong Li, Yunchao Wu, Yang Fang, Yuzheng Ren, Xia Zhang, Xiaoping Huang*, Peter I. Macreadie. Temporal and spatial variations of air-sea CO2 fluxes and their key influence factors in seagrass meadows of Hainan Island, South China Sea. Science of the Total Environment, 2024, 910, 168684.
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723073126?via%3Dihub
　　Songlin Liu+, Yuzheng Ren+, Zhijian Jiang, Hongxue Luo, Xia Zhang, Yunchao Wu, Jiening Liang, Xiaoping Huang*, Peter I. Macreadie. Changes in surface sediment carbon compositions in response to tropical seagrass meadow restoration. Science of the Total Environment, 2023, 903, 166565.
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723051902?via%3Dihub
　　
　　

2024-01-05

华南植物园发现长期增温促进了南亚热带森林碳汇功能

未来气候变暖下陆地生态系统碳库变化及其对气候的反馈是目前人类十分关心的问题。热带和亚热带森林储存了陆地三分之二的植被碳和三分之一的土壤碳，在陆地生态系统碳循环中具有重要的作用，对气候变暖的响应显著地影响未来气候变化的方向和强度。然而，热带和亚热带森林碳动态对未来气候变暖的响应方向和强度仍然未知，是地球系统模型预测不确定性的主要来源。本研究结果提高了人们对热带和亚热带森林生态系统碳动态对长期增温的响应的理解，为地球系统模型的优化提供了一定的见解，同时为气候缓解政策的制定提供了科学依据。增温对南亚热地森林生态系统碳动态的影响。
　　未来气候变暖下陆地生态系统碳库变化及其对气候的反馈是目前人类十分关心的问题。热带和亚热带森林储存了陆地三分之二的植被碳和三分之一的土壤碳，在陆地生态系统碳循环中具有重要的作用，对气候变暖的响应显著地影响未来气候变化的方向和强度。然而，热带和亚热带森林碳动态对未来气候变暖的响应方向和强度仍然未知，是地球系统模型预测不确定性的主要来源。
　　基于此，鼎湖山站刘菊秀研究员团队，利用鼎湖山站的长期野外自然增温实验平台，研究了南亚热带森林生态系统碳动态对长期增温的响应模式及驱动机制。研究发现，在增温2.1℃下，南亚热带森林生态系统碳储量在短期增温下（1-2年）降低3.8%，但在长期增温下增加13.4%（图1）。生态系统碳储量随增温持续时间的相反变化主要是由于植物和土壤碳动态对长期增温的异步响应与适应引起的。短期增温同时促进了植物的生长和土壤呼吸，但由于更高的土壤呼吸碳排放，森林生态系统碳储量降低。长期增温下，由于养分供给的缓解和植物的生理适应，植物仍能维持高的碳封存能力；同时由于土壤微生物的热适应和土壤水分含量降低时土壤碳损失减弱以及植物碳输入的增加使土壤有机碳库保持稳定，因而生态系统碳储量增加。
　　研究结果表明，亚热带森林，特别是那些相对年轻的森林，能够在未来适度气候变暖的情况下仍能具有高的碳汇功能。由于植物和土壤碳过程对增温的响应与适应存在异步性，以往仅对土壤或植物增温的研究结果可能会造成对森林生态系统碳汇功能预测的偏差估计。本研究结果提高了人们对热带和亚热带森林生态系统碳动态对长期增温的响应的理解，为地球系统模型的优化提供了一定的见解，同时为气候缓解政策的制定提供了科学依据。
　　相关研究结果以“Long-term warming increased carbon sequestration capacity in a humid subtropical forest”为题于近期发表在生态学领域国际权威期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）（IF2022=11.6，生态学排名：4/171）上。金沙威尼斯欢乐娱人城华南植物园在站博士后刘旭军和列志旸副研究员为论文共同第一作者，刘菊秀研究员为论文的通讯作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究重点项目、国家自然学基金和广州市科技计划等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1111/gcb.17072。
　　该研究是该增温实验平台发表在Global Change Biology期刊上的第5篇成果，之前的4篇文章分别从植物生理（https://doi.org/10.1111/gcb.15355）、养分氮（https://doi.org/10.1111/gcb.15432）、磷循环（ https://doi.org/10.1111/gcb.16194）和土壤微生物响应（https://doi.org/10.1111/gcb.16541）等方面研究了南亚热带森林生态系统对长期增温的响应与适应机制。
　　图1. 增温对南亚热地森林生态系统碳动态的影响。
　　

2024-01-02

广州地化所揭示源区过程对花岗岩成分的控制作用

　　地壳深熔作用产生花岗岩质熔体是大陆地壳化学分异最重要的机制之一。由于目前缺少对花岗岩源区过程的认识，导致对花岗岩的成因机制仍存在巨大争议，包括平衡熔融模型和不平衡熔融模型等。华南自显生宙以来发育了多期次长英质岩浆作用及混合岩化作用，对华南地壳结构与物质组成演化具有重要作用。野外研究表明华南显生宙花岗岩与混合岩常呈过渡关系，表明二者具有密切的成因联系，研究混合岩可以有效地揭示花岗岩的源区过程。因此，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组于洋副研究员与黄小龙研究员及其合作者对华南云开地块金垌地区三叠纪混合岩进行了系统的岩石学与地球化学研究，通过对比分析暗色体、透镜状淡色体和网状淡色体（图1）中的矿物与全岩成分变化趋势，揭示了源区熔融过程与熔体聚集过程对花岗岩成分的控制作用。
　　图1.（a）金垌混合岩记录熔体聚集过程；（b）暗色体（melanosome）、透镜状淡色体（L-leucosome）与网状淡色体（N- leucosome）野外接触关系。
　　对金垌混合岩暗色体和淡色体进行锆石年代学研究发现，暗色体中的锆石主要为早古生代岩浆锆石（437±2 Ma），淡色体中的锆石具有核边结构，核部年龄通常为早古生代，与暗色体的锆石年龄相同，而边部年龄为238±1 Ma，表明该混合岩为早古生代花岗岩在三叠纪重熔的产物。岩相学观察表明，斜长石（中长石）与钾长石边缘被钠长石交代，呈港湾状结构，显示其在熔融过程中发生分解。此外，暗色体均不含黑云母脱水熔融反应产生的转融矿物（如斜方辉石），表明其原岩经历了富水熔融过程（图2）；流体的加入导致了斜长石、钾长石、白云母及少量黑云母的分解（Qz + Pl + Mus + Bt + Kfs + H 2O → melt）。
　　图2.（a）富水熔融过程导致钾长石与黑云母分解；（b）磷灰石熔融导致独居石沉淀。
　　对两类淡色体中白云母、钾长石和斜长石进行微量元素分析发现，网状淡色体中的矿物具有高Rb与低Sr-Ba的特征，表明熔体在源区聚集过程中发生了斜长石和钾长石的分离结晶，造成了Rb、Sr、Ba之间的分异（图3）。淡色体中的REE、Th、Y元素含量与P 2O 5呈负相关关系，表明其受控于磷酸盐矿物在熔融过程中的行为。岩相学观察发现，磷灰石的分解造成熔体中P过饱和，致使独居石及磷钇矿沉淀（图2），从而导致熔体中REE、Th、Y等元素含量的降低（图4）。相较于原岩全岩成分，磷灰石具有更低的εNd(t)值，其分解也造成了淡色体的ε Nd(t)与P 2O 5呈负相关关系。作者进一步统计分析了全球典型地区花岗岩的地球化学数据，发现相似的成分演化趋势在全球花岗岩中普遍存在（图4），证明了花岗岩稀土元素含量及同位素组成主要受控于副矿物在熔融过程中的行为。本次研究表明，源区熔融过程中参与矿物的分解行为以及熔体聚集过程中的分离结晶等过程对花岗岩成分具有重要的控制作用（图5）。
　　图3. 源区熔体聚集过程中斜长石与钾长石的分离结晶导致熔体中Rb、Sr、Ba的元素分异。
　　图4. 磷酸盐矿物在熔融过程中的行为控制花岗岩稀土元素含量。
　　图5. 源区熔融过程与熔体聚集过程对花岗岩成分控制作用示意图。
　　该研究主要受国家自然科学基金（41902056, 42021002, 41625007）与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2019ZD0202）资助，已发表于国际期刊《American Mineralogist》。
　　论文信息：Yu Yang (于洋), Huang Xiao-Long* (黄小龙), Roberto Weinberg, Min Sun (孙敏), Peng-Li He (贺鹏丽), Le Zhang (张乐), 2024. Melting and melt segregation processes controlling granitic melt composition. American Mineralogist, 109, 35-50.
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2024-01-05

杨奕煊等-GCA：黏土矿物表面诱导Mn(II)氧化和锰氧化物结晶生长的机制

　　结晶生长过程在矿物学、地球化学、环境科学等多个学科领域中具有重要意义。普遍存在的异质表面能够显著影响晶体的形成和转变途径，对结晶生长过程具有关键作用，其作用机制长期受到关注。然而，该研究领域中仍有许多科学问题亟待解决：（1）某些异质基底自身的物化性质易发生变化（例如溶解），其对结晶生长过程的影响尚不清楚。（2）一些异相结晶生长过程伴随着电子转移，二者之间的相关性仍不明确。（3）对异质表面如何影响颗粒附着结晶（Crystallization by partial attachment, CPA）等非经典结晶生长过程仍然知之甚少。
　　地表环境中，无处不在的矿物表面制约着众多关键元素的结晶生长过程，深刻影响元素的迁移循环行为。Mn是地壳含量第三的过渡金属元素，价态可变（+2/+3/+4）。锰氧化物（MnO x）是一类地表环境中广泛存在且备受关注的矿物（氧化还原活性高、吸附能力强），常通过异质表面催化Mn(II)氧化结晶形成。以往大量研究报道了铁氧化物表面对Mn(II)氧化和MnO x结晶生长的作用，但鲜有研究关注黏土矿物对上述过程的影响；后者在土壤中的丰度远高于铁氧化物，且在结构和反应性方面与铁氧化物存在明显差异。
　　针对上述问题，金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室博士生杨奕煊、朱润良研究员、何宏平研究员等人以高岭石、蒙脱石为例，探究了土壤典型黏土矿物表面对Mn(II)氧化和MnO x结晶生长的影响，主要取得了以下认识：
　　（1）高岭石、蒙脱石表面都能催化Mn(II)氧化为Mn(III)并结晶形成MnO x。（2）高岭石和蒙脱石表面的不同性质（如表面电荷、吸附能力）使二者诱导形成的MnO x具有不同矿物相（高岭石表面形成黑锰矿、单斜水锰矿，蒙脱石表面形成黑锰矿、斜方水锰矿和单斜水锰矿）、形态和尺寸（高岭石表面MnO x为尺寸较大的纳米聚集体，蒙脱石表面为分散良好的细小纳米颗粒）。蒙脱石较高的溶解度还导致Mn(II)与Si(IV)离子在其表面共沉淀形成蔷薇辉石（MnSiO 3）。（3）在高岭石表面，MnO x纳米颗粒可以通过CPA生长；在蒙脱石表面，这种CPA过程亦可发生，但受到MnO x纳米颗粒与蒙脱石表面之间强烈静电固定作用的抑制。（4）高岭石层间域难以吸附Mn(II)；蒙脱石层间可以吸附Mn(II)，层间Mn(II)可氧化为Mn(III)，但这些Mn(II/III)离子受层间限域作用影响，无法结晶。
　　本研究率先揭示了界面静电相互作用对异相CPA过程效率的影响，以及纳米层间结构对锰氧化物形成过程的限域效应，对认识异质表面在结晶生长过程中的作用具有重要意义。上述发现还有助于我们进一步理解黏土矿物在Mn(II)氧化和MnO x形成中的作用，并为环境中MnO x丰富结构的由来提供了解释。
　　该研究得到了国家杰出青年科学基金（42225203）、国家自然科学基金（42272045、42302033）、广东省杰出青年基金（2023B515020006）等项目的联合资助。相关成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。
　　论文信息：Yang Y. (杨奕煊), Liu J. (刘晶), Zhu R.*(朱润良), Chen Q.(陈情泽), Wei H.(魏洪燕), Chen M. (陈锰), Xian H. (鲜海洋), He H. (何宏平). (2023) Surface-induced oxidation of Mn(II) and crystallization of manganese (hydr)oxides on clay minerals. Geochimica et Cosmochimica Acta 363, 129–146.
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　　图1. （A-C）高岭石体系不同反应时间样品的TEM图；（D-F）蒙脱石体系不同反应时间样品的TEM图。（实心箭头指示MnOx，空心箭头指示蔷薇辉石）
　　图2. 高岭石体系中MnOx的结构特征：（A）高岭石表面的MnOx聚集体；（B）选定区域的HRTEM图和对应FFT花样，表明聚集体中存在无定型锰氧化物和取向相似的黑锰矿纳米颗粒；（C）颗粒聚集状态与FFT花样的对应关系；（D）选定区域的HRTEM图和对应FFT花样，表明聚集体中存在水锰矿纳米颗粒。
　　图3. 蒙脱石体系中MnOx的结构特征：（A）蒙脱石表面的MnOx聚集体；（B-F）选定区域的HRTEM图和对应FFT花样，表明聚集体中存在无定型MnOx、黑锰矿、斜方水锰矿和单斜水锰矿纳米颗粒；其中斜方水锰矿聚集体由两个相邻且取向相似的纳米颗粒组成（C-F）。
　　图4. 高岭石、蒙脱石体系中Mn(II)吸附、氧化和MnOx结晶生长机制示意图。
　　

2024-01-02

广州地化所研发黏土矿物高值利用新方法

　　黏土矿物是一类具有典型层状结构的含水铝硅酸盐矿物，因其特殊的晶体化学特征（SiO2含量可高达60%）及独特的天然纳米层状结构，使其广泛应用于工农业生产各个方面，是人类社会发展至为重要的非金属矿产资源。我国黏土矿物资源储量丰富、廉价易得，有明显的资源优势，但目前我国黏土矿物资源利用水平却较低，产品附加值不高，急需实现黏土矿物高值利用基础理论与关键技术的突破。低碳经济和我国“双碳”战略的时代背景下，以锂电池为代表的新能源经济为黏土矿物资源的高值利用提供了发展契机。与锂金属等正极材料相对应的负极材料也是生产电池的关键组成部分，“硅”被认为是最具应用前景的下一代锂电负极材料，其理论比容量远优于商业石墨负极材料（硅4200 mAh/g : 石墨372 mAh/g）。硅纳米化已被证实是提升硅负极储锂性能的重要途径之一。然而，纳米硅的低成本规模制备技术目前仍未突破，严重制约其在锂离子电池产业中的实际应用。
　　金沙威尼斯欢乐娱人城广州地球化学研究所应用矿物学课题组陈情泽副研究员和朱润良研究员等，在探明黏土矿物微观结构及反应特性的基础上，提出了利用黏土矿物制备高性能硅纳米材料的新技术，并取得系列进展。在前期工作中，他们综合利用黏土矿物的天然纳米结构和较高硅含量的特点，研制了从零维纳米颗粒、一维纳米棒、二维纳米片到三维多孔结构的多种硅纳米材料，并揭示了黏土矿物与纳米硅之间的结构对应关系及反应机制（J Mater Chem A 2018, 6, 6356; J Power Sources 2018, 405, 61）；利用黏土矿物对层间有机物的纳米限域保护效应，制备黏土矿物和类石墨烯间层复合物，通过进一步还原改造，研制了储锂循环稳定性更好的硅基纳米复合负极材料（如硅/碳、硅/碳化硅等复合材料），实现了对纳米硅形貌和组分的精确调控（Chem Comm 2019, 55, 2644; Appl Surf Sci 2023, 617, 156566）。
　　通过放大实验，确立了机械化学还原黏土矿物制备纳米硅的新方法（图1），通过对黏土矿物和还原剂混合物的一体化高能球磨，成功合成了系列硅纳米材料。该方法具有以下优点：1）一体化生产。通过高能机械球磨生热引发金属热还原反应，无需额外能量输入，同时保证固相反应的均匀性，简化工序，减少副反应，提高纳米硅产率。2）保留纳米结构。黏土矿物的纳米级八面体片层可作为模板和吸热剂，使生成的纳米硅在剧烈放热反应过程中仍能维持结构，克服了机械法在控制纳米硅形貌上的局限性。3）原料简单易得。该方法所用原料丰富、工艺简单、容易放大，有利于纳米硅的规模化制备。将所得硅纳米材料用作锂离子电池的负极材料，其在半电池和全电池中均表现出优异的储锂性能。
　　在该技术研发过程中申请了相关专利，研究成果已形成专利保护群，涵盖黏土矿物改性方法、纳米硅制备技术、配套设备研发等方面，为高性能锂离子电池硅负极材料的规模化制备和实际应用提供了理论支撑，同时为黏土矿物资源的高值利用提供了新思路。
　　图1 （a）黏土矿物制备纳米硅示意图，（b）黏土矿物片层形貌，（c-g）保留黏土矿物典型纳米片状结构的纳米硅形貌特征
　　上述研究得到广东省重点领域研发计划项目（2020B0101370003）、广东省杰出青年基金项目（2023B1515020006）、金沙威尼斯欢乐娱人城青年创新促进会项目（2020347）等项目的支持，研究成果发表在《Applied Surface Science》和Nature Index期刊《Chemical Communications》上。
　　论文信息：
　　1. Jing Du, Runliang Zhu, Qingze Chen*, Jieyang Xie, Haiyang Xian, Junping Zhang, Jianxi Zhu. In situ synthesis of stable silicon carbide-reinforced silicon nanosheets from organoclay for high-performance lithium-ion battery anodes. Applied Surface Science, 2023, 617, 156566.
　　论文链接
　　2. Qingze Chen, Shoushu Wei, Runliang Zhu*, Jing Du, Jieyang Xie, Haiming Huang, Jianxi Zhu, Zhengxiao Guo. Mechanochemical reduction of clay minerals to porous silicon nanoflakes for high-performance lithium-ion battery anodes, Chemical Communications, 2023, 59, 14297-14300.
　　论文链接
　　专利信息：
　　1. 朱润良, 陈情泽, 杜静, 何宏平, 朱建喜, 何秋芝, 杨奕煊, 魏洪燕. 一种利用黏土矿物制备碳化硅纳米材料、含碳化硅纳米复合材料的方法及应用. 国家发明专利, 专利号: ZL 201911212346.7.
　　2. 朱润良, 陈情泽, 杜静, 何宏平, 朱建喜, 何秋芝, 杨奕煊, 魏洪燕. 硅-过渡金属硅化物纳米复合材料及其制备方法与应用. 国家发明专利, 专利号: ZL 201911193255.3.
　　3. 陈情泽, 朱润良, 杜静, 韦寿淑, 何宏平, 朱建喜。利用黑滑石制备硅-碳纳米复合材料的方法、产品及应用. 国家发明专利, 专利号: ZL 202111094497.4。
　　

2024-01-02