科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室谈晓冬研究员团队与中国地质大学（北京）生物地质与环境地质重点实验室李亚林教授团队合作在“印度-亚洲大陆碰撞以及新特提斯洋闭合过程”重大科学问题上取得了新的进展，相关研究成果发表于Tectonics（《大地构造学》）期刊上。中国科学院南海海洋研究所博士生王子豪为论文第一作者，谈晓冬和李亚林为共同通讯作者。印度-亚洲大陆碰撞起始时间和位置是认识大陆碰撞与高原隆升之间的耦合关系、俯冲碰撞事件如何影响区域气候以及全球变化、新特提斯洋俯冲深部过程及大陆碰撞协调机制等一系列科学问题的两个关键参数，而准确恢复碰撞前的古板块边界有助于解决印度-亚洲大陆碰撞的争议。研究团队以拉萨地体林周盆地始新世帕那组火山岩为研究对象，通过氩-氩同位素定年以及古地磁学研究，揭示了约53 百万年的帕那组火山岩稳定的褶皱前的特征剩磁方向，古纬度估计为31.4°N（28.9°N-33.9°N）。并且以地磁场长期变特征和沉积岩古地磁倾角浅化为切入点，结合相邻构造单元的古地磁数据以及高原内部羌塘地块、拉萨地块分别在三叠纪中晚期和白垩纪中期与亚洲大陆碰撞拼合以及白垩纪末期高原内部强烈地壳变形和短缩等地质资料，对林周盆地晚白垩世以来的古地磁数据进行了综合评估。分析结果表明，拉萨地体在晚白垩世位于约24°N，随后在约53 百万年前抵达与现今纬度近似的位置。这一重建结果不支持一个“巨大”且“静止不动”的晚白垩世–始新世亚洲大陆南缘。结合多学科视角下大印度北向延伸宽度的恢复（小于1000 km），以及新特提斯洋洋内俯冲系统的证据，本研究的古地磁约束强烈支持印度–亚洲大陆两阶段“弧–陆”碰撞模式。即大印度和洋内岛弧俯冲系统在晚古新世–早始新世（约58-53 百万年前）于约8°N发生碰撞，最终的陆–陆碰撞则发生在始新世与渐新世之交（约36-31 百万年前）。这种碰撞模式能够协调高原内滞后长达约20 百万年的与碰撞相关的构造和沉积响应。这项研究对于理解大陆碰撞与高原隆升之间的耦合关系、俯冲碰撞事件对区域气候及全球变化的影响、以及新特提斯洋俯冲深部过程和大陆碰撞协调机制等科学问题具有重要意义。图1 本研究报道的帕那组火山岩特征剩磁方向图2 林周盆地晚白垩世–始新世古地磁数据与地磁场长期变模型的一致性检验支持较高的古纬度结果图3 根据板块边界古纬度变化曲线重建新特提斯洋闭合及印度–亚洲大陆碰撞的两阶段过程相关工作得到国家自然科学基金项目，南方海洋科学与工程广东实验室（广州）重点专项，以及第二次青藏高原综合科学考察研究项目等支持。文章信息：Wang,Z.,Tan,X.,Li,S.,Li,Y.,Xiao,S.,Guo,Z.,et al. (2024). New 40Ar/39Ar dating and paleomagnetism of the Pana Formation rocks from the Linzhou basin,Lhasa block: Implications for the India-Asia collision. Tectonics,43,e2024TC008687.文章链接：https://doi.org/10.1029/2024TC008687

2024-12-30

广州地化所吴骏宏，钟音等–EST: 一种可持续性的非生物—生物还原脱氯修复技术

氯代烯烃作为一种广泛分布于地下环境中的卤代有机污染物，对生态环境和人类健康构成了严峻的威胁。面对这一挑战，开发可持续的原位脱氯修复技术已成为治理氯代烯烃污染地下水的关键任务。微生物修复技术以其环保、高效、经济的特点脱颖而出，通过引入大量有机电子供体（例如乳酸、乳化植物油等），促进脱卤微生物，特别是氯呼吸菌（OHRB）的生长，实现对氯代烯烃的彻底脱卤和无害化处理。然而，有机电子供体易被冲刷出处理区域，其发酵产物可能引起地下水质恶化和生物量过度增长导致的含水层堵塞。纳米零价铁（nZVI）作为一种广泛应用于污染地下水和土壤原位修复的材料，其表面易被氧化或钝化，这不仅降低了电子利用效率，也增加了应用成本。最新研究表明，通过表面硫化处理的纳米零价铁（S-nZVI）能够提升材料的稳定性和反应活性。S-nZVI能够降低氧化还原电位并提供电子，以支持微生物还原脱氯过程。将S-nZVI与OHRB结合使用，可能成为一项极具潜力的氯代乙烯污染地下水和土壤修复技术。尽管如此，S-nZVI与OHRB之间的相互作用机制以及它们对氯代乙烯还原脱氯的具体影响，目前尚不完全明确。基于此，中国科学院广州地球化学研究所博士生吴骏宏在钟音研究员、彭平安院士的指导下，将含有脱卤拟球菌Dehalococcoides（Dhc）的培养物与硫化纳米零价铁（S-nZVI）结合，构建了一个组合系统，实现了对四氯乙烯（PCE）的高效非生物-生物协同降解。该降解过程涉及三个主要途径：1）通过非生物氢解途径转化为乙烯；2）通过非生物β-消除途径生成乙炔，随后乙炔进一步转化为乙烯；3）通过生物还原脱氯途径转化为氯乙烯和乙烯（见图1）。定量分析结果显示，氯乙烯的浓度高于乙炔，这表明在该组合系统中，生物还原脱氯是PCE降解的主要途径。在不额外添加有机电子供体的情况下，该组合系统的PCE降解效率优于单一系统。随着PCE的多次添加，系统的降解速率逐渐提升，经过五次重复添加PCE后，PCE在6天内实现了完全降解。通过16S扩增子测序和定量PCR分析发现，在五次重复添加PCE之后，Dhc的相对丰度从5.2%激增至91.5%，生物量从1.79×106 cells/mL增加到1.39×108 cells/mL，提高了78倍（图2）。S-nZVI通过与水反应产生氢气，为Dhc提供了丰富的电子供体，从而有效促进了Dhc的生长和PCE的生物还原脱氯过程。图1 单次添加PCE在4种处理组的降解动力学(A-D)和PCE的脱氯途径(E)图2 组合系统中多次添加PCE对PCE降解动力学、Dhc的绝对丰度(A)及微生物群落结构(B)的影响此外，S-nZVI通过向挥发性有机酸（VFAs）生成微生物供应电子，促进了VFAs的产生，这为Dhc的生长提供了必需的碳源，例如乙酸，进而有效促进了Dhc的生长。宏基因组分析表明，Desulfovibrio、Syntrophomonas、Clostridium和Mesotoga是组合系统中主要负责VFAs生成的微生物种类（图3）。图3 组合系统中参与VFA生成的属水平优势物种及其物种的相对丰度为了深入理解组合系统的电子流向和电子利用效率，我们采用电子流平衡分析法对系统中电子的分配进行了研究。分析结果表明，S-nZVI产生的电子当量主要用于PCE的脱氯反应和Dhc的生长，分别占据了68.1%和6.8%的电子当量（见图4），这一比例显著高于使用有机电子供体时脱氯过程所占的电子当量百分比（12–22%）。这一发现表明，该组合系统具有更高的电子利用效率，能够更有效地引导系统中的电子流向脱氯过程，而非其他途径。图4 组合系统中消耗的Fe0的电子当量分布本项研究揭示了S-nZVI、Dhc以及VFA生成微生物降解氯代烯烃的协同机制，为实现氯代烯烃污染地下水的可持续性原位修复提供了重要的理论依据。相关研究成果以副封面文章发表在环境科学领域权威期刊《Environmental Science & Technology》上（图5）。吴骏宏为文章第一作者，钟音为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（42077285、42377220）、广州市科技项目（2024A04J6534）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2023B0303000007）和海南省重点研发项目（ZDYF2023SHFZ171）等项目的联合资助。图5 入选ES&T副封面论文信息：Junhong Wu（吴骏宏），Yin Zhong*（钟音），Yirong Deng（邓一荣），Sen Yang（杨森），Heli Wang（王贺丽），Qian Yang（杨倩），Dan Li（李丹），Jianzhong Song（宋建中），Huanheng Zhang（张焕亨），Ping’an Peng（彭平安），2024. Sustainable Abiotic–Biotic Dechlorination of Perchloroethene with Sulfidated Nanoscale Zero-Valent Iron as Electron Donor Source. Environmental Science & Technology,58(47),20931-2094.论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10948

2025-01-02

广州能源所在居民生活能源碳排放相关研究方面取得新进展

近期，中国科学院广州能源研究所能源战略与碳资产研究中心蔡国田研究员团队在居民生活能源碳排放相关研究领域取得了新的研究成果。近期，中国科学院广州能源研究所能源战略与碳资产研究中心蔡国田研究员团队在居民生活能源碳排放相关研究领域取得了新的研究成果。鉴于不同区域在资源禀赋、主体功能、产业格局以及经济发展水平等方面存在显著差异，区域经济梯度差异为区域间居民生活变迁转移提供了内在动力。同时，区域间社会变迁导致的城镇化发展规模和生活方式差异的逐渐扩大，对区域间家庭部门居民资源利用产生了深远影响，进而促使区域居民生活碳排放格局发生转变。因此，在梳理区域碳排放责任时，必须考虑终端消费的家庭部门，以实现更加公平和客观的减排责任划分，并在区域宏观层面协调经济发展与资源环境的可持续利用。研究聚焦于区域间城乡居民生活碳排放的建模与应用研究，旨在扩展和完善我国在该领域的研究思路和模型方法，弥补现有研究的不足，为居民低碳消费和城市的低碳发展提供理论支撑。研究详细展现了粤港澳大湾区（GBA）及周边城市（PC）的城市级居民碳排放量分析过程，研究过程涵盖了指导设计、数据收集、分析和解释等环节，采用城市级核算和时空分析方法。城市级核算利用消费数据、夜灯数据和排放系数计算每个城市的能源代谢和二氧化碳排放量，随后通过时空分析运用LMDI模型，探究居民碳排放随时间和空间变化的驱动力和变化趋势。图1 居民生活能源碳排放研究框架的代谢角度解构研究结果显示，2010年至2020年间，居民碳排放量几乎翻了一番，能源代谢率增长了1.5倍。在这些因素的分解中，总体家庭增长和能源代谢率是影响大湾区碳排放上升的主要正向驱动因素，分别贡献了60%和32%。不同地区之间存在显著差异，主要驱动因素包括能源代谢率、能源结构转变和家庭数量增加。针对大湾区城市发展的不同需求，研究提出了针对性的政策建议，包括通过数字技术建立居民减碳行为的实时动态核算体系、通过采用远程办公最大限度地减少通勤时间、使用节能家用电器和倡导采用智能家居技术推动城市间碳减排协调治理等。研究揭示了粤港澳大湾区居民生活碳排放特征，确定了关键驱动因素和影响，并为大湾区及周边城市的低碳城市发展和政策制定提供了政策建议。图2 粤港澳大湾区及周边城市碳排放变化研究引入了社会代谢理论，并采用了多种指标和方法（如MuSIASEM方法和LMDI方法等）来综合评价粤港澳大湾区家庭生活机制下，社会代谢及其综合发展状况对于碳排放的驱动机制。该方法拓展了居民生活能源碳排放的核算范围，使得研究结果更加全面和准确。研究揭示了家庭部门在碳排放中的重要地位，并指出了影响家庭碳排放的关键因素，有助于引导家庭部门采取更加节能和低碳的生活方式，从而降低碳排放量。针对不同地区的家庭能源利用模式差异，可以制定差异化的减排政策，以实现更加公平和有效的碳减排，有助于推动我国在碳排放双控领域的深入研究和有效实践。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部人文社科基金、广东省联合基金、广州市基础与应用基础研究等项目资助。相关研究成果以The impact of energy metabolic pattern on household carbon emissions: a spatio-temporal perspective in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area为题，发表于Sustainable Cities and Society期刊。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scs.2024.106094

2024-12-31

“地球宜居性的深部驱动机制”重大研究计划2024年度学术交流会暨2025年指南研讨会在广州顺利召开

年度交流会暨指南研讨会的召开进一步明确了重大研究计划的总体目标，促进了项目组成员之间学术交流和合作，确定了下一年度项目指南发布的重点，为今后该重大研究计划顺利开展奠定良好基础。2024年12月21日至22日，国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）交叉科学部“地球宜居性的深部驱动机制”重大研究计划2024年度学术交流会暨2025年指南研讨会在广州顺利召开。重大研究计划指导专家组和管理工作组，以及来自全国30多所高校、科研院所的200余名专家学者参加会议。自然科学基金委交叉科学部副主任付雪峰，中国科学院广州地球化学研究所（以下简称广州地化所）党委书记、副所长张海祥致辞，王强副所长主持开幕式。张海祥书记在致辞中强调，作为重大研究计划依托单位，广州地化所将全力配合自然科学基金委，为项目部署和实施提供支撑保障，同时鼓励各领域专家学者积极申报相关项目，共同推进和实现地球系统科学的重大理论创新。徐义刚院士回顾了本重大研究计划的立项背景、实施方案、总体目标和核心科学问题等。他指出，本计划旨在破解地球宜居性之谜，助力国家深地战略。希望此次交流会能够强化项目的顶层设计，明确项目管理的基本要求，为实现重大研究计划的总体目标提供有力支持。随后，2024年度资助项目负责人分别作项目开题汇报，主要围绕项目的科学目标，重点介绍了拟开展的工作内容、预期成果及未来对本重大研究计划的贡献。指导专家组对会议报告进行了点评，并对后续研究工作提出了建设性意见。会议期间，指导专家组和管理工作组进行了2025年度项目指南专题研讨。年度交流会暨指南研讨会的召开进一步明确了重大研究计划的总体目标，促进了项目组成员之间学术交流和合作，确定了下一年度项目指南发布的重点，为今后该重大研究计划顺利开展奠定良好基础。

2024-12-27

深圳先进院 | 陈业团队开发高性能酵母诱导系统(Metabolic Engineering & Adv. Funct. Mater. )

近日，中国科学院深圳先进技术研究院陈业团队于国际期刊Metabolic Engineering发表研究论文"Versatile xylose and arabinose genetic switches development for yeasts"。该研究利用来自曲霉菌种的转录激活因子XlnR和AraRA以及细菌转录阻遏因子XylR和AraRR，在酵母中开发了基于廉价诱导剂的高诱导强度，低泄漏的木糖和阿拉伯糖诱导系统。近日，中国科学院深圳先进技术研究院陈业团队于国际期刊Metabolic Engineering发表研究论文"Versatile xylose and arabinose genetic switches development for yeasts"。该研究利用来自曲霉菌种的转录激活因子XlnR和AraRA以及细菌转录阻遏因子XylR和AraRR，在酵母中开发了基于廉价诱导剂的高诱导强度，低泄漏的木糖和阿拉伯糖诱导系统。酿酒酵母作为重要的真核模式生物和细胞工厂，已经有大量的天然或人工诱导系统被开发。但是，用于实际生产的大规模发酵的诱导系统依然局限于内源的半乳糖(GAL)系统。然而，半乳糖诱导系统存在若干不足，主要表现在对葡萄糖的抑制作用导致生长与生产过程难以分离，以及复杂的内源调控网络在不同营养条件下导致诱导动力学行为的复杂性。此外，基因表达的诱导依赖于易降解且成本较高的半乳糖。D-木糖和L-阿拉伯糖作为农业废弃物（如秸秆）水解产物的主要组分，具有成本低廉的优势。鉴于酿酒酵母无法天然降解这些糖类，它们成为理想的专一性诱导剂，可用于生产大量化学品或蛋白质。自2015年以来，科学家已经在酵母中开发了一些木糖基因表达诱导系统。过往的木糖诱导系统大多基于原核生物的阻遏转录因子XylRR构建，但是这些系统都有一个普便存在的问题：最大诱导转录水平偏低，且转录因子的浓度需要细调以避免引发宿主生长毒性。内在调控原理-阻遏转录因子的去阻遏以及原核生物与真核生物的转录激活机制的截然不同，决定了很难改造已有的木糖转录诱导系统。文章上线截图丝状真菌是生态环境中的分解者，具有强大的分解代谢能力，因此研究团队着重在这类菌种中筛选能响应木糖及阿拉伯糖的转录激活因子。通过构建基于荧光报告基因的筛选系统，团队最终找到了来自构巢曲霉和黑曲霉的转录激活因子-XlnR (AN7610)和AraRA (An04g08600)，能在酿酒酵母中分别剂量响应木糖及阿拉伯糖并启动下游基因转录表达。为克服天然启动子的局限性，如序列冗长、转录调控信号多样及结构复杂性，研究团队采用结构紧凑的酿酒酵母ADH2强诱导型启动子作为基础，将XlnR的结合一致性序列xlno替换ADR1的结合序列，成功开发出响应木糖的半合成启动子，显著增强了木糖诱导下的基因转录表达。通过构建TSS与TATA-box、TATA-box与poly(A)区域间隔序列的文库，并调整转录因子结合基序（motif）的数量，成功开发出具有广泛动态范围的全合成诱导启动子。基于转录激活因子的诱导系统通常泄漏水平较高，为应对泄漏水平较高的问题，研究团队引入了原核生物的转录阻遏抑制信号，并设计了转录激活/抑制的双调控系统。这一创新使得木糖双调控系统的动态范围扩展至4000倍以上，且最大诱导转录活性达到酿酒酵母强组成型启动子TDH3活性的两倍以上。同样阿拉伯糖双调控诱导系统动态范围达300倍，最大诱导转录活性与TDH3启动子活性相当。重要的是，农业废弃物如玉米芯未经处理的水解物也可以充分激活该木糖诱导系统。最后，研究团队综合比较了本研究开发的木糖及阿拉伯糖诱导系统与酿酒酵母中常用的诱导系统（天然系统如GAL系统,Cu2+诱导启动子PCUP1,甲硫氨酸抑制启动子PMET3以及基于雌激素受体ER的合成诱导系统LexA-ER-VP16/B112），证实木糖双调控系统就调控严谨性，诱导激活水平、动态范围、诱导速度和对宿主的生长影响方面优于现有系统。研究团队验证了这两套诱导系统在高滴度（>100 mg/L）芳樟醇生产中的实用性，同时证实了使用玉米芯水解物作为唯一碳源和诱导剂来源，也能实现高滴度芳樟醇的生产。最后，团队也证明了基于XlnR的木糖诱导系统可迁移到工业菌株如毕赤酵母、病原菌如光滑念珠菌和白色念珠菌（CUG支系酵母）。在毕赤酵母中，基于XlnR的木糖诱导系统的最大诱导水平高于其经典的甲醇诱导系统，并证实了其用于生产分泌蛋白的实用性。本研究不仅为酵母提供了强大的遗传开关，还提出了一种将激活/抑制信号整合到合成启动子中的通用策略，以实现最优性能。木糖及阿拉伯糖诱导系统开发策略，设计原理及应用本文第一作者是中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员郭淑慧，通讯作者是中国科学院深圳先进技术研究院研究员陈业。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金，以及深圳合成生物学创新研究院的支持。团队相关亮点成果通过与该研究相似的转录因子重构结合合成启动子方法，以及对于转录因子表达量、DNA结合结构域及启动子模块的精准设计，可以在酿酒酵母及大肠杆菌中对于任意转录信号进行优化。基于该方法，陈业团队与湖南大学的合作成果，以"On-Chip Engineered Living Materials as Field-Deployable Biosensing Laboratories for Multiplexed Detection"为题，已在Advanced Functional Materials期刊上发表，中国科学院大学硕士黎欣睿完成了细胞传感器的开发。原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202416830基于微流控芯片的现场可部署的ELM生物传感实验室（ELMlab-on-Chip）设计原理

2024-12-30

深圳先进院 | 合成生物学与环境工程相结合开创藻类处理畜牧业废水新纪元（Bioresource Technology）

畜牧业每年将生产240亿吨废水，废水的排放导致水资源的严重富营养化。此外，集中饲养动物的大型农场需要大量使用激素和抗生素，对周围的淡水生态系统等产生负面影响。畜牧业每年将生产240亿吨废水，废水的排放导致水资源的严重富营养化。此外，集中饲养动物的大型农场需要大量使用激素和抗生素，对周围的淡水生态系统等产生负面影响。比如，畜牧业废水中的厌氧消化后的出水的主要特点包括1）氨氮浓度高（1000-2000 mg/L），2）抗生素种类繁多，且3）碳氮比（C/N<1）往往低于传统活性污泥所需的营养比例（C/N >5）。因此，厌氧消化后的水不利于后续活性污泥法的反硝化过程的进行，从而导致总氮浓度偏高。另一方面，目前研究藻类处理法存在的问题包括：1）无法适应高氨氮以及多类型抗生素所带来的毒性问题，2）藻类的收集也是目前比较关注的问题；3）其较长的生长周期和废水处理时间势必会大大增加大规模连续式反应系统的水利停留时间，从而影响整个水厂的建造和运营成本。近日，由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的Howard H. Chou课题组，成都信息工程大学的张辉课题组以及美国克莱姆森大学的陈寰课题组在Bioresource Technology期刊发表重要研究成果"Two-stage continuous cultivation of microalgae overexpressing cytochrome P450 improves nitrogen and antibiotics removal from livestock and poultry wastewater"。研究发现，一种小球藻（Chlorella vulgaris）通过定向进化可以适应在含有高氨氮和低碳氮比的畜牧业厌氧消化废水中生长。并且本次研究采用了一种设计-建造-测试-学习（DBTL）相结合的研究模式优化了利用该菌株来处理废水的连续工艺，以实现加速氨氮的去除和缩短水利停留时间（HRT）。与此同时，经过改造的菌株还有效地去除了废水中的多种抗生素。该研究通过生理、化学、代谢物、转录组和遗传分析，阐明了小球藻在废水中生存的耐受性、氨氮去除和抗生素降解的机制。最终研究表明，在小球藻中过表达新鉴定的P450酶可以改善氨氮、有机氮和抗生素的降解。这项研究为开发基于微藻的工艺以改善畜牧业中的氮和水循环提供了宝贵的见解。同时，在合成生物学和环境工程层面，该研究也为后续优化藻类污水处理技术提供了新的思路和发展方向。文章上线截图清洁的水源和食物是人类健康和全球可持续发展相互关联的重要资源。工业化养殖利用大量清洁水，同时产生大量废水，对淡水供应造成负担。据估计，畜牧业每年为了生产 560 亿头牲畜供消费会产生 240 亿吨废水，预计到 2050 年消费量将超过 1000 亿头牲畜（Sepúlveda-Muñoz et al.,2023）。为了满足这种日益增长的需求，人们建立了大规模的集中饲养农场，需要大量使用激素和抗生素（Vaishnav et al.,2023）。然而，废水往往在未进行有效营养管理的情况下排放，导致全球 64-97% 的富营养化（Silva-Gálvez et al.,2024）。抗生素在废水中的积累及向环境的释放可能会对抗生素耐药性产生潜在的不利影响，加剧与耐药病原体相关的现有问题（Wang et al.,2021）。因此，畜牧业废水管理不当会对周围的淡水生态系统以及人类健康和安全产生负面影响。传统的畜牧业废水处理过程采用两步法。首先，利用厌氧消化来极大地降低化学需氧量（COD）。然后，使用好氧活性污泥氧化去除剩余的营养物质。厌氧消化步骤至关重要，因为高 COD 会抑制污泥的生长（Wang et al.,2016）。厌氧消化还有一个额外的好处，那就是以沼气的形式创造绿色能源。在中国，每年通过加工牲畜粪便生产 145 亿立方米沼气（Ran et al.,2021）。然而，厌氧消化后残留的总氮（TN）较高，尤其是氨氮可高达 1000-2000 mg/L，使得厌氧消化出水中的碳氮比（COD/TN）较低，污泥没有足够的碳源进行生长，从而降低了第二步中活性污泥去除营养物质的能力（Zhang et al.,2022）。基于微藻的处理工艺，其好处在于微藻独特的生理和代谢途径使得其可以通过固定 CO2合成有机碳源，从而生长在低 COD/TN的污水环境中。然而，微藻对于高氨氮和复合型抗生素废水的适应能力较差，同时目前基于微藻的处理工艺需要较长的水力停留时间（HRT），约为 8-12 天（de Mendonça et al.,2018），这限制了它们在商业工艺中的广泛应用。为此，本研究旨在探索小球藻去除畜牧业厌氧废水中的氮和抗生素的潜在机制。并通过设计-构建-测试-学习（DBTL）策略，将环境工程和合成生物学方法相结合，用以去除废水中的氮和异类污染物以及缩短水力停留时间。定向进化小球藻对畜牧业废水的处理利用定向进化技术，筛选到了新型小球藻（M5）能够快速地去除废水中的总氮（TN）,氨氮（NH4-N）和总磷（TP）。在鸭场厌氧废水中实现了 192 mg TN/L/d、177 mg NH4-N/L/d 和 2 mg TP/L/d 的去除率，在养猪场厌氧废水中实现了 160 mg TN/L/d、125 mg NH4-N/L/d 和 6 mg TP/L/d 的去除率（图1a 和b）。与之前发表的研究相比，在TN含量高出 4 倍的情况下，M5对TN去除率仍旧高出 8 倍（Wang et al.,2016）。同时，发现M5可有效去除鸭场废水中的强力霉素、磺胺甲氧哒嗪、环丙沙星和磺胺嘧啶（图 1c）。在猪场废水中，也可有效去除磺胺甲氧哒嗪、磺胺二甲嘧啶、强力霉素、土霉素、磺胺间甲氧嘧啶、培氟沙星、金霉素和四环素（图 1d）。图 1. 畜禽废水的批量处理工艺。处理（a）鸭场和（b）猪场废水时细胞密度、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）、总有机氮（TON）和总磷（TP）浓度的变化。M5 处理后（c）鸭场和（d）猪场废水中抗生素的去除率连续反馈式处理系统的搭建为了能够让 M5 投入商业应用，并且与传统的活性污泥法的水力停留时间相匹配（HRT=4-6天），我们利用了 DBTL 策略来建立了一套新型两级连续反馈式处理系统（CFP）。经过了长达两个月的观察，CFP工艺在水力停留时间为4天的情况下实现了稳定的污染物降解率，其中在鸭场废水中的去除率为 334 mg TN/L/d、306 mg NH4-N/L/d 和 4 mg TP/L/d，在猪场废水中的去除率为 213 mg TN/L/d、213 mg NH4-N/L/d 和 10 mg TP/L/d。即使在将系统总工作体积减少43% 后，使用CFP工艺的 NH4-N 去除率仍比摇瓶实验高出 70%。另一方面，在对 CFP 系统中抗生素浓度的分析表明，林可霉素、恩诺沙星、磺胺甲氧哒嗪、螺旋霉素、磺胺嘧啶和泰乐菌素的去除效果均有所改善（图 2f、g）。实验数据证实了该套工艺已经可以和传统的活性污泥法的处理效率不相上下了，甚至在总氮的处理方面比污泥法更胜一筹。图 2. 连续反馈工艺处理畜牧业废水。（a）连续反馈系统示意图。处理（b、c）鸭场厌氧消化废水（DFWD）和（d、e）养猪场厌氧消化废水（PWD）后，I 和 II 阶段的细胞密度、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）和总磷（TP）浓度。从（f）DFWD 和（g）PWD 中抗生素去除率新型P450酶用于畜牧业废水处理为了进一步探索 M5 降解废水的潜在机理，我们通过转录组测序挖掘了高表达的 P450 酶，其中经过分析和比对，发现了一段完整的高表达 P450 酶的基因（A23292）。为了验证这段基因的潜在功能，将其重新在未进化的原始小球藻（M2）细胞体内进行了过表达实验。研究表明 A23292 过表达的小球藻细胞（M2+N）足以耐受畜牧业废水中的抑制化合物。经过M2过表达密码子优化的 A23292 处理后（M2+CO），鸭场和猪场废水中的氨氮去除率分别提高了 11 倍和 5 倍（图 3a、b）。因此，氨氮去除率的提高可能是由于 A23292 从废水中去除了生长抑制化学物质，从而促进了更高的细胞生长，从而加速了氨氮的去除。在 A23292 过表达后，鸭场和猪场废水中实现的 NH4-N 去除率分别为 470 mg NH4-N/L/d 和 240 mg NH4-N/L/d。另一方面，M2 过表达密码子优化的 A23292 后，林可霉素、恩诺沙星和泰乐菌素的去除率分别提高了 60%、40% 和 130%（图 3c）。这些增加表明A23292参与了这些抗生素的水解作用。图 3. 细胞色素 P450 对畜牧业废水的解毒测试。通过 M2 与空载体对照（M2+EV）、M5、过表达天然 A23292 的 M2（M2+N）和过表达密码子优化的 A23292 的 M2（M2+CO），去除（a）鸭场和（b）猪场废水中的化学需氧量（COD）、总氮（TN）、铵氮（NH4-N）、总有机氮（TON）和总磷（TP）。（c）在 BG-11 中，通过过表达密码子优化的 A2329 的 M2 抗生素（500 μg/L）去除率本研究主要提供了两种改进基于藻类的高氨氮畜牧业厌氧消化废水的处理方法。一种方法是基于合成生物学改造，通过过表达密码子优化后的 P450 酶来增强对有毒物质的解毒。另一种是基于 DBTL 策略，开发通过细胞回流步骤来增强细胞的毒性耐受性并保持细胞繁殖能力。这两种方法已在实验室规模上得到验证，并且为以下学科领域和工程方面提供了一些新的思路和应用：1）通过蛋白质工程改进小球藻 P450 酶的活性；2）分析结构并探索 P450 酶在其他类型废水中的潜在功能；3）可以研究基于藻类的 CFP 工艺与活性污泥工艺的结合进一步去除 COD 和 TN。中国科学院深圳先进技术研究院的博士后肖睿为文章的第一作者，正高级工程师Howard H. Chou为文章的通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、中国博士后科学基金以及深圳合成生物学创新研究院的支持。参考文献Ran,C.,Zhou,X.,Yao,C.,Zhang,Y.,Kang,W.,Liu,X.,Herbert,C.,Xie,T. 2021. Swine digestate treatment by prior nitrogen-starved Chlorella vulgaris: The effect of over-compensation strategy on microalgal biomass production and nutrient removal. Science of The Total Environment,768,144462.Sepúlveda-Muñoz,C.A.,de Godos,I.,Muñoz,R. 2023. Wastewater Treatment Using Photosynthetic Microorganisms. Symmetry,15(2),525.Silva-Gálvez,A.L.,López-Sánchez,A.,Camargo-Valero,M.A.,Prosenc,F.,González-López,M.E.,Gradilla-Hernández,M.S. 2024. Strategies for livestock wastewater treatment and optimised nutrient recovery using microalgal-based technologies. Journal of Environmental Management,354,120258.Vaishnav,S.,Saini,T.,Chauhan,A.,Gaur,G.K.,Tiwari,R.,Dutt,T.,Tarafdar,A. 2023. Livestock and poultry farm wastewater treatment and its valorization for generating value-added products: Recent updates and way forward. Bioresource Technology,382,129170.Wang,M.,Yang,Y.,Chen,Z.,Chen,Y.,Wen,Y.,Chen,B. 2016. Removal of nutrients from undiluted anaerobically treated piggery wastewater by improved microalgae. Bioresource Technology,222,130-138.Wang,X.-R.,Lian,X.-L.,Su,T.-T.,Long,T.-F.,Li,M.-Y.,Feng,X.-Y.,Sun,R.-Y.,Cui,Z.-H.,Tang,T.,Xia,J. 2021. Duck wastes as a potential reservoir of novel antibiotic resistance genes. Science of The Total Environment,771,144828.Zhang,W.,Kong,T.,Xing,W.,Li,R.,Yang,T.,Yao,N.,Lv,D. 2022. Links between carbon/nitrogen ratio,synergy and microbial characteristics of long-term semi-continuous anaerobic co-digestion of food waste,cattle manure and corn straw. Bioresource Technology,343,126094.

2024-12-30

深圳先进院 | 超声“指挥官”下的细菌-细胞生物机器人：深层渗透开启药物递送新篇章（Trends in Biotechnology）

12月21日，蔡林涛团队和马腾团队联合成功开发了一种具有自主缺氧感知和超声响应功能的细菌-细胞生物机器人，通过缺氧靶向联合超声操控，实现肿瘤深层渗透和生成肿瘤特异性血栓，最终实现高效精准治疗。微纳生物机器人具有行为精准可控、功能多样性及优异的生物相容性等特点，是实现精准医疗和复杂生物任务的理想工具。然而，如何有效地控制其运动和功能成为研究的关键。超声在深层生物组织中具有良好的穿透性，能够实现非侵入式、远程的精确操控，对生物体安全性高。因此，超声驱动在微纳生物机器人领域具有重要的应用潜力。北京时间12月21日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所蔡林涛团队和医工所马腾团队联合在国际学术期刊《Trends in Biotechnology》上发表了题为“Programmable Ultrasound-Mediated Swarms Manipulation of Bacteria-Red Blood Cell Microrobots for Tumor-Specific Thrombosis and Robust Photothermal Therapy”的文章。该工作成功开发了一种具有自主缺氧感知和超声响应功能的细菌-细胞生物机器人，通过缺氧靶向联合超声操控，实现肿瘤深层渗透和生成肿瘤特异性血栓，最终实现高效精准治疗。https://authors.elsevier.com/c/1kIeKc9XEnKgD该研究利用光合细菌独特的缺氧感知能力和自身分泌细菌叶绿素的特性，结合红细胞双凹圆盘结构的特点，构建了一种光合细菌-红细胞偶联的生物微型机器人（PR-robot）。该生物机器人具有较长的体内循环时间，并自主靶向肿瘤区域，提高了肿瘤特异性富集效率。同时，红细胞的特殊结构增强了PR-robot的声阻抗，使PR-robot能够以生物集群方式被超声镊精确控制和驱动，甚至穿越生物屏障、深度渗透到肿瘤组织内部。生物群的涌入诱导肿瘤特异性血栓的形成，协同光合细菌增强光热抗肿瘤效果。超声驱动细菌-红细胞微型生物机器人实现深度渗透用于癌症治疗研究团队进行了一系列体外和体内实验，以验证生物群的超声可控性和深度渗透的有效性以及生物安全性。首先通过NHS-PEG2000-Mal和- SH的迈克尔加成偶联制备了PR-robots。随后在体外利用程序化超声验证了对这些生物机器人的捕获和驱动能力。研究显示，超声镊能够抓取PR-robots形成生物群集，同时还能精准操控生物群沿着既定路线自主运动，甚至在逆流中前进。进一步研究显示，生物群在超声操控下，能够有序穿越屏障，实现深度渗透。在体内研究中，PR-robots被尾静脉注射后，能够利用细菌的缺氧感知能力和红细胞的保护作用，高效靶向到肿瘤区域。超声镍捕获这些PR-robots，并驱动生物群向肿瘤组织内部渗透。随着PR-robots的涌入，肿瘤组织内部形成大量肿瘤特异性血栓，协同增强光热治疗效果。该微型生物机器人的开发为基于超声驱动控制的药物深层递送和相关疾病的治疗提供了全新的技术手段和设计理念。中国科学院深圳先进技术研究院蔡林涛研究员、马爱青副教授、马腾研究员、刘兰兰副研究员为通讯作者，硕士研究生冉慧、博士后杨晔、韩伟静副研究员和梁锐晶副研究员为共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等科技项目的资助。

2024-12-23

南海所 | 南海冷泉沉积物中钼同位素特征：揭示甲烷渗漏与钼富集机制

近日，中国科学院南海海洋研究所冷泉与水合物研究团队在冷泉活动强度示踪和元素富集机制研究领域取得重要进展。该团队利用在南海东沙海域的水合物钻孔岩芯，通过沉积物中钼同位素（δ98Mo）的研究，揭示了冷泉沉积物中钼的富集机制，并指出钼同位素具有示踪冷泉活动强度的潜力。相关研究成果已发表在Geochimica et Cosmochimica Acta上，中国科学院南海海洋研究所博士金梦（现广州海洋地质调查局）为论文第一作者，中国科学院南海海洋研究所副研究员李牛为论文通讯作者，合作者还包括广州海洋地质调查局教授陈芳、德国汉堡大学教授Jörn Peckmann、美国朱尼亚塔学院教授Ryan Mathur、美国罗格斯大学教授Linda Godfrey，以及上海海洋大学教授陈多福。海洋沉积物释放的甲烷对海底生态环境乃至地球气候系统可能产生显著影响。在海底冷泉沉积物中，钼（Mo）的富集与甲烷释放事件密切相关，这些沉积物可能是海洋中潜在的钼汇。然而，冷泉沉积物中钼富集的具体机制尚未完全明确。本研究对南海天然气水合物区域的钻孔沉积物（GMGS2-8、GMGS2-16）进行了钼同位素分析。分析结果显示，冷泉沉积物中的自生钼同位素组成（δ98Moauth=0.18‰~3.31‰，NIST SRM 3134）与现代富含铁、贫硫化氢的沉积物以及弱缺氧沉积物相似。图1 研究站位所在位置示意图，南海东沙水合物钻孔GMGS2-8、GMGS2-16其中较高的自生钼同位素（δ98Moauth>1.5‰）反映了较低甲烷渗漏情况下，海水中的钼通过扩散作用进入沉积物孔隙水中，并在硫化环境中转变成硫代钼酸盐，导致钼同位素分馏。而自生钼同位素值的降低与沉积物Fe/Al和Mn/Al的升高则表明，在甲烷渗漏强烈的情况下（存在甲烷气泡），铁锰氧化物和氢氧化物颗粒的穿梭过程更为活跃。图2 （a）南海冷泉沉积物自生Mo同位素组成与Mn/Al关系，（b）与Fe/Al关系，（c）自生Mo和Mo同位素组成指示Mo来源研究认为，在甲烷渗漏通量较低时，沉积物中的钼主要来源于海水中钼的向下扩散。而在甲烷渗漏强度较高时，向上的甲烷气泡和羽状流促进了大量铁和锰从沉积物深部释放到上层水体，这些释放出的铁和锰遇到氧化的底层水后形成氧化物和氢氧化物颗粒。这些颗粒从海水中吸附钼，随后又回到沉积物中，在缺氧条件下分解释放出钼。释放出的钼被沉积物孔隙水中的硫化氢固定，最终导致冷泉沉积物中钼的富集。本研究揭示了铁锰颗粒穿梭过程在甲烷渗漏区域钼封存中的重要作用，并指出冷泉沉积物中的钼同位素组成有潜力作为限定甲烷渗漏强度的地球化学指标。图3 冷泉沉积物Mo同位素富集机制示意图该工作受到国家自然科学基金、中国科学院南海海洋研究所自主部署项目和广东省基础与应用研究研究重大项目共同资助。论文信息：Jin,M.,F. Chen,N. Li*,J. Peckmann,R. Mathur,L. Godfrey,and D. F. Chen (2024),Isotope evidence for the enrichment mechanism of molybdenum in methane-seep sediments: Implications for past seepage intensity,Geochim Cosmochim Ac,373,282-291论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703724001728?via%3Dihub

2024-12-25

广州健康院在一类阻转异构体化合物的不对称合成研究中取得新进展

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院朱强/罗爽课题组通过密度泛函理论（DFT）辅助，实现了钯催化吲哚芳基异腈的C-H亚胺基环化反应，对映选择性地合成了多种稠环吲哚骨架的阻转异构体。相关研究成果以“DFT-Assisted Atroposelective Construction of Indole-Fused N-Heteroaromatic Frameworks through Palladium-Catalyzed C-H Imidoylation”为题，发表在国际催化期刊ACS Catalysis上。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院朱强/罗爽课题组通过密度泛函理论（DFT）辅助，实现了钯催化吲哚芳基异腈的C-H亚胺基环化反应，对映选择性地合成了多种稠环吲哚骨架的阻转异构体。相关研究成果以“DFT-Assisted Atroposelective Construction of Indole-Fused N-Heteroaromatic Frameworks through Palladium-Catalyzed C-H Imidoylation”为题，发表在国际催化期刊ACS Catalysis上。(ACS Catal.2025,15,255–264)“阻转异构体（Atropisomer）”是指由于空间位阻或电子效应导致的单键旋转受阻的构象，表现出与其他立体生成元素相似的对映体特征。轴手性双（杂）芳基作为一种重要的阻转异构体，广泛存在于生物活性化合物中，并在不对称催化和功能材料领域具有重要应用。近年来，不对称合成双（杂）芳基阻转异构体方面取得了显著进展。在各种策略中，借助过渡金属催化的芳基C-H键直接官能化，已被认为是将自由旋转的双（杂）芳基转化为旋转受限阻转异构体的有效手段。然而，前手性双（杂）芳基通常需要导向基团，这在一定程度上限制了那些能提供空间位阻的取代基的多样性。团队在实验前首先利用DFT计算来解决芳基异腈手性控制相关的问题。核心问题在于中间体的异构化速率与还原消除速率接近，导致产物缺乏立体选择性。解决问题的关键，是扩大差向异构化与还原消除之间的速率差异，使中间体在还原消除过程中表现出显著的立体选择性。研究结果表明，当取代基为OTMS时，产物的立体选择性能得到有效控制。由于底物种类繁多以及合成过程复杂，DFT的提前预测显著提高了整体效率并减少了实验工作量。综上，朱强/罗爽课题组发展了对映选择性地合成多种稠环吲哚骨架的阻转异构体的新方法。包括C-C和C-N手性轴的异构体均能有效合成。更重要的是证明了DFT计算在辅助不对称反应设计和提升对映选择性方面的可靠性，为未来化学合成领域相关研究提供了新的思路和方法。该论文的第一作者是2024届博士毕业生王希龙，通讯作者是朱强研究员、罗爽研究员、罗宇博士和南宁师范大学黄俊副教授。徐家丽同学（南宁师范大学联合培养）和王垣予同学也参与了该课题的研究工作。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广西自然科学基金等项目的支持。论文链接图1 DFT辅助的钯催化对映选择性C-H键亚胺基环化反应图2 通过DFT计算筛选模板底物

2024-12-24

南海所|华南陆弧深部地幔多样性与俯冲动力学新发现

中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）博士孙李恒、研究员张运迎和研究员孙珍等在陆弧深部地幔多样性的研究中取得了重要进展。研究人员在华南中生代陆弧深部识别出起源于富集软流圈的石榴石辉石岩组分，这对理解陆弧深部地幔多样性与俯冲动力学机制具有重要意义。相关研究成果发表在《Geological Society of America Bulletin》上。陆弧是板块俯冲体系中大量岩浆产生的场所，也是地球陆壳生长的主要工厂。这些过程通常被认为与起源于俯冲流体或熔体的岛弧拉斑-钙碱性系列岩浆作用有关。近年来随着研究的深入，陆弧区也陆续发现了起源于富集地幔的碱性玄武岩。然而，由于碱性玄武岩在陆弧区分布稀少，尚未对其进行系统的研究。作为俯冲带特有的熔融产物，碱性玄武岩携带着不同于岛弧拉斑-钙碱性系列岩浆的信息，在揭示陆弧深部地幔多样性和俯冲动力学方面具有独特的潜力。基于此，研究团队以华南陆弧为研究靶区，对陆弧中的碱性玄武岩（IODP U1504站位）开展了主微量元素、Sr-Nd-Hf同位素和40Ar/39Ar定年研究。研究发现，华南中生代陆弧的碱性玄武岩形成于121Ma，具有典型的大洋岛弧玄武岩地球化学特征。这些岩石的高Nd同位素值（3.5-3.7）、低Sr同位素值（0.7034-0.7040）和低La/Nb比值（0.5-1.0）表明它们主要起源于软流圈地幔。与华南内陆碱性玄武岩相比，U1504碱性玄武岩具有较低的K2O/Na2O、Zr/Sm、Zr/Y、Nd同位素值和Hf同位素值，这指示了少量大陆岩石圈地幔的加入。富集的Nb、Ta、轻稀土元素，轻度亏损的Zr、Hf、Ti以及高Fe/Mn、Sm/Yb和低CaO的特征表明U1504碱性玄武岩的地幔源区主要为石榴石辉石岩。研究人员提出，地幔源区中的石榴石辉石岩可能是在古太平洋板块断裂的背景下，上涌的软流圈地幔与俯冲板片边缘相互反应形成，这种相互作用促使陆弧地幔组分多样化。结合已有的碱性玄武岩资料，研究人员认为华南陆块之下富集的软流圈地幔自晚中生代以来由内陆向沿海依次形成，这可能与俯冲板块断裂控制下的软流圈深部侧向和垂向流动有关。参与本项工作的还有中国科学院南海海洋研究所的苗秀全博士和李瑞隆博士研究生、中国科学院广州地球化学研究所的张万峰高级工程师。研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划、广东省人才团队项目和中国博士后科学基金的联合资助。论文信息：Sun,L.,Zhang,Y*.,Sun,Z*.,Miao,X.,Li,R.,Zhang,W.,2024. Origin of the Site U1504 alkaline basalts in the South China Sea continental margin: Insights on deep mantle diversity and subduction dynamics under continental arcs. Geological Society of America Bulletin. 文章链接：https://doi.org/10.1130/B37471.1图1 研究区地质概况和样品位置图2 U1504碱性玄武岩地球化学特征图3 华南陆弧区晚中生代碱性玄武岩成因模式图

2024-12-23