科研进展--中国科学院广州分院

全介质超表面近场增强新突破--非局域准束缚态提升生物传感性能（Advanced Optical Materials）

近日，李光元和刘运辉研究团队在全介电超表面的研究中取得重要进展。这项研究开发了一种通过全介电超表面实现均匀且显著的近场增强新方法，为高灵敏度的光学生物传感应用提供新的解决方案。长期以来，光学传感技术在生物医学、环境监测等领域的应用中面临着灵敏度不足的挑战。现有的包括等离激元共振（SPR）在内的多种技术在提升传感性能方面取得了一定进展，但仍存在诸多限制，如容易产生热、灵敏度不够高等问题。近日，中国科学院深圳先进技术研究院李光元和刘运辉研究团队在全介电超表面的研究中取得重要进展。该团队的研究成果以“Homogeneous and Significant Near-Field Enhancement in All-Dielectric Metasurfaces”为题发表在光学材料领域权威期刊《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）上，并入选了杂志当期内封面论文（Inside Front Cover）。这项研究开发了一种通过全介电超表面实现均匀且显著的近场增强新方法，为高灵敏度的光学生物传感应用提供新的解决方案。文章上线截图全介电超表面凭借其高品质因数（Q因数）、大近场增强能力和不易产生热，成为了光学传感应用中的一个新平台。然而，传统的全介电超表面在增强近场时，往往将光场束缚于介电纳米结构内部，而非外部的待传感区域，从而严重限制了体折射率灵敏度和生物传感性能。本研究通过设计一种由两个相对位移的晶格复用形成的硅基超表面，利用两个表面晶格共振模式之间的干涉相消实现了非局域准束缚态（nonlocal q-BICs），在硅纳米柱外的大体积区域内产生了均匀且显著的近场增强。实验结果表明，该方法在折射率传感应用中实现了407 nm/RIU的高体折射率传感灵敏度，并在早期乳腺癌筛查中对蛋白质生物标志物的检出限达到了20 pg/mL，比目前的技术水平提高了35倍。新方法在ERBB2的检测限度达到了20 pg/mL，比现有技术提高了35倍通过利用表面晶格共振之间干涉相消形成的非局域性q-BIC，这项研究成功地克服了传统的高Q值表面晶格共振对均匀介电环境的苛刻要求，从而大幅提升了在非均匀介电环境下超表面的Q因数和近场增强能力。这种设计不仅在理论上达到了478 nm/RIU的折射率灵敏度，在实验中也实现了407 nm/RIU的高灵敏度，远远超越了绝大多数全介电超表面的q-BICs。两个相对位移的晶格杂化形成的硅基超表面，实现非局域准束缚态（q-BICs），在硅纳米柱外部区域内产生均匀且显著的近场增强该研究的成功为大体积区域内实现显著的光-物质相互作用提供了新机遇，具有广泛的应用潜力，不仅局限于生化传感，还可能扩展到包括荧光增强在内的其他领域。非局域q-BICs的这一突破性进展将推动高性能光学芯片传感技术的发展，并为下一代光传感芯片的设计提供重要参考。李光元副研究员和刘运辉副研究员为本文的共同通讯作者。这项研究获得了国家自然科学基金、深圳市医学研究专项资金、深圳市基础研究重点项目等项目的支持。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202400425

2024-08-12

华南植物园对种群动态的时空尺度特征分析取得进展

尺度效应显著影响生态模型的合理性与准确性，对理解研究对象和生态过程的时间动态与空间依赖性至关重要。随着智能化监测技术的进步，时间和空间数据的测量和积累变得越来越容易实现，为揭示生物多样性的时间或空间变异特征提供了机会。然而，这也为针对此类数据的分析带来了新的挑战。目前，很少有研究同时分析与比较种群或群落在时间和空间尺度上的变化规律，仍有待探讨其在时空尺度上的同步性特征。基于实测数据以及数值模拟方法，该研究提出了时空尺度耦合分析框架，并揭示了传统尺度研究中可能存在的缺陷。研究结果表明，本方法可以同时识别和定位物种时空格局变化中的尺度特征与存在范围，特别是关于多个地点（或时间）的时间变化（或空间格局）的同步性和幅度。以深海鳐形目（Rajiformes）鱼类为对象，揭示了其生物量的13年时间尺度变异特征以及空间尺度特征的潜在影响，促进了我们对全球渔业资源波动的认识，这也意味着基于时空尺度耦合分析获得的时空格局和尺度特征将更完整、更准确。同时，该方法能够正确识别多时间多空间尺度组合的复杂格局特征，且可以减少实际应用中出现的误差。本研究进一步强调了尺度效应在时空格局分析中的重要性，研究结果可应用于未来生物多样性时空格局的识别和预测，也可为生物多样性保护和生物资源的可持续利用与管理提供支撑。相关研究成果于近日发表在国际学术期刊Ecological Informatics（《生态信息学》）上。中国科学院华南植物园博士后丁彰琦为论文第一作者，刘占锋研究员为通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目和广东省基础与应用基础研究旗舰项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecoinf.2024.102776图. 深海鳐形目（Rajiformes）鱼类捕获量时空动态特征的扩展与分析

2024-08-19

研究揭示新西兰北岛弧后地区南部上地幔和俯冲板片的变形特征

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赵明辉研究团队，联合浙江海洋大学、西澳大利亚地质调查局以及新西兰惠灵顿维多利亚大学，在新西兰北岛弧后地区南部上地幔和俯冲板片变形特征研究中取得重要进展。相关成果发表于国际知名地学期刊《构造物理》（Tectonophysics）。副研究员曹令敏为第一作者和通讯作者，浙江海洋大学博士何小波为共同通讯作者。新西兰北岛位于太平洋板块与澳大利亚板块之间的斜向汇聚边界——Hikurangi俯冲带上（图1）。该俯冲带发育有陶波火山区，而在该火山区以西150km左右的弧后区域又发育有塔拉纳基火山；在北岛中部，呈东西向的Taranaki-Ruapehu构造线（TRL）附近上覆岩石圈可能发生了拆沉。研究区构造作用强烈，是研究俯冲板片变形、岩浆活动与岩石圈拆沉相互作用的天然实验室。研究人员通过收集区域台网的地震波波形资料，利用剪切波分裂方法，刻画了上地幔介质各向异性，揭示了俯冲板片与上覆岩石圈变形和地幔流动特征。研究结果表明，研究区近震快波方向有明显不同，北东侧呈北东向，表明俯冲板片内发育有平行于海沟方向的正断层（形成于外援隆起地区），或者陶波火山区地壳内含流体裂隙；而西南侧转变为南东向，呈垂直海沟方向，推断与不同深度的俯冲板片的应力变化（图2a和图3）。同时，该垂直于海沟方向的快波方向表示上地幔可能存在角落流，将部分蛇纹岩化的弧前地幔拖入弧后深部地幔，脱水产生的流体/熔体发生进一步交代而形成了远离火山弧的塔拉纳基火山的深部岩浆。而远震快波方向平行于海沟走向，推断存在板下地幔流或俯冲板片内存在平行海沟方向的裂隙；图2b中的B区表现有较大的延迟时间，或是俯冲板片与 410 km不连续面的交互作用的结果，或与Taranaki-Ruapehu构造线附近的岩石圈拆沉有关（图2b和图3）。该项研究揭示了太平洋俯冲板片与上地幔变形特征，阐明了俯冲板块与410 km间断面相互作用的深部动力学过程，构建了研究区斜向俯冲的构造格局，同时对弧后岩浆活动分布和成因提供重要科学参考。该研究受到国家自然科学基金、中国科学院南海海洋研究所发展基金、中国科学院战略性先导科技专项（B 类）等共同资助。相关论文信息：Cao,L.,He,X.,Yuan,H.,Zhao,M.,Qiu,X.,Savage,M. (2024). Upper-mantle seismic anisotropy in the southwestern North Island,New Zealand: Implications for regional upper-mantle and slab deformation. Tectonophysics. 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.tecto.2024.230455图1 （a）研究区主要构造和使用的地震台站（粉色和蓝色三角）分布图。不同颜色的圆圈代表不同深度的地震震中投影；TRL指Taranaki-Ruapehu构造线。（b）区域构造背景图。图2 研究区近震S分裂结果（a）和远震S/SKS分裂结果（b）图3 研究区上地幔和俯冲板片变形模式图

2024-08-16

基于CSTR的生物多样性资源标识被乌兹别克斯坦F.N.Rusanov植物园正式使用

日前由科技资源标识服务平台（cstr.cn）与中国科学院华南植物园标本馆（IBSC）联合设计和开发的生物多样性资源标识被正式应用于乌兹别克斯坦科学院植物研究所塔什干F.N.Rusanov植物园的物种标识。这是基于CSTR的生物多样性资源标识服务的首个正式应用。双方未来将继续合作，共同推动CSTR在生物多样性领域的创新应用与推广，协力构建开放包容的生物多样性资源标识应用生态。F.N.Rusanov植物园生物物种页面CSTR标识F.N.Rusanov植物园生物物种推荐引用格式乌兹别克斯坦科学院植物研究所塔什干F.N.Rusanov植物园是该国主要的植物科学研究机构之一。该机构致力于研究和保护乌兹别克斯坦的植物多样性，促进具有药用和经济植物物种的长期保存和利用。《科技资源标识》是我国于2016年发布的国家标准（Science and technology resource identification，简称CSTR）。CSTR已成为国际互联网数字分配机构IANA认可的国际标准协议标识符之一，并在联合国粮农组织（FAO）、ORCID、Harvard Dataverse等获初步应用。科技资源标识服务平台（https://www.cstr.cn）基于该标准建设，面向全球科学数据、论文、预印本、专利等科技资源提供唯一标识服务，是我国国家标准服务全球科技资源的重要载体，是推动我国标准国际互认的全球通用基础服务平台。

2024-08-15

华南植物园对氮沉降影响的硅循环研究取得新进展

硅(Si)是地壳中第二丰富的元素，有利于植物生长、防御，且与陆地生态系统碳循环紧密关联，植物对Si的吸收、利用影响着Si的生物地球化学循环及其与碳循环的耦合关系。然而大气氮沉降对亚热带森林植物硅循环的影响机理尚不清楚。探究氮沉降影响下植物-土壤系统中硅的动态及其影响因素对揭示森林生态系统硅生物地球化学和有机碳循环过程对全球变化的响应途径和机制具有重要意义。中国科学院华南植物园生态中心博士研究生余恒等人依托生态中心建立的“林冠、林下氮添加模拟大气氮沉降”野外控制实验平台，研究了林冠和林下氮添加处理下硅在植物-土壤系统的动态及其驱动因子，发现：1)高氮添加显著提高森林土壤植物有效硅和有机质结合态硅含量，但显著降低土壤无定形硅含量（图1）；2)氮添加（尤其是高氮添加）显著降低了森林土壤pH，但显著提高了植物根系有机酸的分泌速率及植物叶片植硅体含量；3)土壤植物有效硅和有机质结合态硅含量显著正相关，根系有机酸、土壤pH和植物有效硅是影响叶片植硅体含量的主导因子（图2）。该研究证实，氮添加促进了南亚热带森林土壤硅的有效性及其在植物叶片中的累积。由于硅和碳间的强烈耦合，氮沉降影响下，硅生物地球化学循环的变化势必影响森林生态系统有机碳的动态变化及其响应机制。相关研究成果于近期在线发表在国际学术期刊Plant and Soil（《植物与土壤》）上。中国科学院华南植物园博士生余恒和已毕业硕士生覃张芬为论文共同第一作者，旷远文研究员为通讯作者。该研究得到广东省重点领域研发项目、广东省基础和应用旗舰项目和广东省科技计划项目联合资助。论文链接：https://doi.org/10.1007/s11104-024-06872-8图1. 林冠和林下氮添加对亚热带森林4种形态土壤硅的影响图2. 亚热带森林植物叶片植硅体的主要影响因素

2024-08-15

广州能源所在海上风电技术经济评估和物质流研究方面取得系列进展

近期，中国科学院广州能源研究所能源战略与低碳发展研究室蔡国田研究员团队在海上风电物质流和技术经济评估研究方面取得系列进展。科研团队通过建立高时空分辨率的技术经济和物质流评估模型，充分讨论了海上风电制氢等消纳路径的经济性和技术潜力，揭示了中国海上风电扩张过程中对关键材料（如铜、永磁体）的需求量与新型海上废弃物产生量的变化过程。近期，中国科学院广州能源研究所能源战略与低碳发展研究室蔡国田研究员团队在海上风电物质流和技术经济评估研究方面取得系列进展。科研团队通过建立高时空分辨率的技术经济和物质流评估模型，充分讨论了海上风电制氢等消纳路径的经济性和技术潜力，揭示了中国海上风电扩张过程中对关键材料（如铜、永磁体）的需求量与新型海上废弃物产生量的变化过程。研究建立了考虑技术经济参数演变和海底三维地形的高分辨率（0.25经度* 0.25纬度）技术经济评估模型，揭示了2025-2050年中国海上风电制氢的成本演变过程与深水海上风电场的最优布局方案。研究指出，中国海上氢的平准化成本将从2025年的50.28 CNY/kgH2下降至2050年的26.60 CNY/kgH2，2050年海上风电制氢的总潜力为434-493Mt，其中漂浮式风电制氢占54%。多种技术情景下的分析结果表明，中国海上风电制氢将于2030年在局部地区（福建省、辽宁省等）内与陆地可再生能源制氢相比具有成本竞争力，并在2050年具备广泛的经济可行性。研究表明汇集输电的方式可以有效减少用海面积，使投资成本最多可下降65%，其中海底地形是深水风电场并网不可忽略的因素。图1. 中国海上风电制氢的成本演化过程图2. 粤东深水区风电并网的空间布局优化方案除此之外，研究提出了空间化、存量驱动中国海上风电高分辨率（1km*1km）物质流分析方法，建立了结合动态物质流和生命周期评价的清洁能源转型关键材料流动模型，揭示了中国海上风电发展和广东省清洁能源转型过程的物质-能量-排放关系。研究指出，到2060年中国海上风电的原材料累计需求为96-140 Mt，废弃物产生量为6.5-48 Mt，净能源回报为2.9-12 PWh，可减少温室排放2.9-9.7 Gt。研究表明中国海上风电对铜和永磁材料的累计需求分别为3.8-5.2 Mt和55-140 kt，关键材料的稳定供应与报废叶片的回收是实现海上风电进一步发展的前提。图3. 中国海上风电物质流分析结果研究还指出，广东省的清洁能源转型使总材料的存量从1980年的2.9 Mt增加到2018年的45.6 Mt，并将于2050年达到95.7 Mt。清洁能源转型过程中风电和核能的大规模扩张会导致水泥和钢铁的用量急剧增加，全生命周期的总碳排放将逐渐下降，但能源基础设施的隐含碳排放会增加至6.06 Mt/yr。图4. 广东省清洁能源转型的隐含碳排放量和总排放量以上研究成果提出了高时空分辨率的海上风电评估模型，明确了海上风电扩张过程中材料-能源-排放关系与海上风电制氢技术经济潜力，为海上能源综合利用提供了新思路与理论依据。研究得到国家重点研发计划、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金资助项目、中国科学院战略性先导科技专项等项目资助。相关研究成果相继发表于Renewable and SustainableEnergy Reviews (Spatial and temporal evolution of cost-competitive offshore hydrogen in China: A techno-economic analysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2024.114780, 第一作者博士生周洲，通讯作者蔡国田), 《自然资源学报》（《海上深水区风电场并网的空间布局优化——以粤东地区为例》，http://dx.doi.org/10.31497/zrzyxb.20220406，第一作者硕士毕业生高丽萍，通讯作者蔡国田），Resources, Conservation and Recycling (Spatiotemporally explicit pathway and material-energy-emission nexus of offshore wind energy development in China up to the year 2060, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106349; Modeling waste generation and end-of-life management of wind power development in Guangdong,China until 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105533;第一作者博士毕业生陈毓暑，通讯作者蔡国田),Journal of Cleaner Production (The material implications and embodied emissions of clean power transition in Guangdong,China from 1978 to 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138512,第一作者博士生白如雪，通讯作者蔡国田) 等期刊。

2024-08-14

人类活动影响下近海生态系统长期变化及稳态转换研究取得新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）海洋浮游生物生态学研究团队牵头在人类活动引起的营养物质输入背景下近海生态系统长期变化及稳态转换研究方面取得新进展。相关成果以“Regime shift in a coastal pelagic ecosystem with increasing human-induced nutrient inputs over decades”为标题发表在《Water Research》上。副研究员周林滨与高级工程师杨熙为共同第一作者，研究员谭烨辉与研究员李开枝为共同通讯作者。人类大量使用化肥与化石燃料以获得食物和能源，排放大量的活性氮至自然生态系统中。长期持续的营养输入导致近海等水体富营养化，生态系统功能也随之变化调整。长期不断增强的营养输入可能迫使生态系统结构与功能变化到达临界点，从而出现剧烈持续的改变，造成生态系统稳态转换。生态系统是一个错综复杂、相互关联的系统，由大量动态相互作用的生物和非生物成分组成。描述生态系统功能与状态的变化，判断生态系统变化临界点及稳态转换是一项具有挑战性的工作。为探究人类活动引起营养物质输入背景下近海生态系统长期变化及其临界点，研究团队整理分析了大亚湾1991-2018年无机营养盐和浮游生物丰度数据。为阐释浮游生态系统功能变化，该研究引入粒径谱方法，根据浮游生物丰度数据构建简化粒径谱表征浮游生态系统功能。研究结果显示，随着海水溶解无机氮浓度升高，浮游食物网整体能量传递效率持续降低，在2006-2007年左右浮游生态系统变化达到临界点，营养盐组成与结构、浮游生态系统功能等出现明显变化，很可能发生了稳态转换。这提示大亚湾渔业资源生产、氧化亚氮温室气体排放等过程都可能发生了显著的改变，需要进一步研究关注。本研究为浮游食物网能量传递效率随营养水平增加不断下降的观点提供了有力的观测证据。明确判断大亚湾浮游生态系统长期变化临界点，并提出浮游生态系统已发生稳态转换的观点，可为海湾生态系统管理、生态环境保护与修复提供参考。我国生态环境监测工作积累了大量长期的有关湖泊、河流、近海等水域的理化与浮游生物调查数据，该研究可为基于这些历史调查数据分析水生生态系统长期变化及其临界点与稳态转换判断，提供方法和案例参考。图1 过去几十年间人类活动引起大亚湾溶解无机氮浓度不断升高，营养盐结构与浮游生态系统功能出现明显变化，2006-2007生态系统变化达到临界点，生态系统稳态转换。这对该区域渔业资源生产、氧化亚氮排放和生态系统管理产生潜在重要影响本研究得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）项目、南海海洋所自主部署项目等资助。相关论文信息：Linbin Zhou,Xi Yang,Kaizhi Li,Chenhui Xiang,Yunchao Wu,Xiaoping Huang,Liangmin Huang,& Yehui Tan. Regime shift in a coastal pelagic ecosystem with increasing human-induced nutrient inputs over decades. Water Research,2024,122147.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122147

2024-08-13

研究揭示莫克兰俯冲带异常地壳结构及其地震构造意义

近期，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徐敏研究员团队和林间院士团队，联合香港中文大学教授杨宏峰以及中山大学工程师曾信等，在北印度洋莫克兰俯冲带的地壳结构及其地震构造意义的研究上取得了重要进展。相关研究成果发表于国际知名地学期刊《地球与行星科学通讯》（Earth and Planetary Science Letters）。于传海助理研究员为第一作者，徐敏研究员和林间院士为通讯作者。北印度洋莫克兰俯冲带是全球超低角度俯冲、巨厚沉积覆盖、超宽增生楔的俯冲带端元代表，其巴基斯坦海域区段构造特征复杂、大震活动频繁，且毗邻“中巴经济走廊”终点站—瓜达尔港，对“21世纪海上丝绸之路”的建设具有重要意义。然而，由于该地区海上探测数据有限，其巨厚沉积物的压实固结状态、俯冲板片形态和壳幔结构一直未得到清晰解答。鉴于其厚达数千米的沉积物输入和低角度俯冲特性，该区域被认为容易发生大型逆冲地震。2018年，林间院士领导实施的中国-巴基斯坦首次北印度洋联合考察航次，采集了包括海底地震仪（OBS）、重力测量、多道地震、多波束地形等一系列丰富数据。基于此次巴基斯坦近海进行的主动源OBS实验，研究团队获得了莫克兰俯冲板片的高分辨率地壳速度模型，并结合重力数据等进一步揭示了测线的密度和孔隙度结构特征。研究结果表明，俯冲板片沉积层厚度可达8.5千米，在4-5千米深度处沉积物孔隙度梯度发生明显变化，这表明了压实和固结的关键深度。火成岩地壳厚度约6-12千米，俯冲倾角约为2°，小默里脊两侧地壳展现出不同的构造来源或经历了不同的构造演化过程，可能代表古洋-洋边界的残留，并伴随着低密度底侵作用。此外，研究发现莫克兰俯冲带的非典型地壳结构可能与岩浆活动和俯冲板块水合作用有关。俯冲的沉积物已充分压实固结，而俯冲的上地壳具有高含水量，这些特征可能显著影响莫克兰俯冲带的地震破裂机制。这项成果揭示了莫克兰俯冲带的沉积固结状态、板片地壳结构框架和地震发育特征，有助于更深入理解莫克兰区域的地质构造格局，并为进一步评估其地震海啸风险提供了重要参考。对于“一带一路”倡议、“中巴经济走廊”项目的海洋灾害预防和全球低角度俯冲带地震机理研究方面具有重要的科学价值和实际意义。本研究得到了国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金项目和中国科学院基金项目等共同资助完成。文章信息：Yu,C.,Xu,M.,Lin,J.,Yang,H.,Zhao,X.,Zeng,X.,He,E.,Zhang,F.,Sun,Z. (2024). Atypical crustal structure of the Makran subduction zone and seismotectonic implications. Earth and Planetary Science Letters. 643: 118896.原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24003297图1 莫克兰俯冲带构造简图及OBS测线位置（红色线条，白点为OBS）图2 基于速度模型的莫克兰俯冲带结构、地震活动和含水量示意图

2024-08-13

南海造礁石珊瑚分布格局驱动因素及其环境适应机制研究取得进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）黄晖研究员团队在南海造礁石珊瑚的空间分布格局驱动因素及其环境适应机制方面取得新研究进展，相关成果以“Distribution patterns of reef-building corals in the Northwest Pacific and their environmental drivers”和“Local adaptation of trophic strategy determined the tolerance of coral Galaxea fascicularis to environmental fluctuations”发表在Science of the total Environment上。LMB助理研究员黄林韬、俞晓磊分别为论文的第一作者，研究员黄晖为通讯作者。珊瑚礁具有重要的生态系统服务功能与极高的生物多样性。近年来，全球珊瑚礁因为海水温度异常、海洋酸化和人类活动等因素而出现严重退化。造礁石珊瑚作为珊瑚礁的框架生物，对珊瑚礁的形成与维持具有重要作用。南海的造礁石珊瑚资源丰富，其物种数量接近被称为生物多样性热点区域的“珊瑚三角区”。然而受限于对南海造礁石珊瑚生物地理分布的系统认识，其物种的空间分布格局及其驱动因素仍然不明确。此外，南海造礁石珊瑚分布广泛，从福建沿岸到南沙群岛都有造礁石珊瑚的分布，其中广布种的分布纬度跨度甚至可超过15°，对于物种跨纬度梯度分布的适应性机制也有待进一步的研究。研究通过对历史数据进行汇编，收集南海珊瑚物种的存在/缺失数据并完善了南海珊瑚物种分布数据库。随后集合形成西北太平洋海域15个生态区的造礁石珊瑚分布数据集，基于此研究南海及其邻近海域造礁石珊瑚物种多样性和分布模式，并探讨其主要的环境驱动因素。南海造礁石珊瑚分布数据汇编结果表明，南海离岸岛礁生态区共分布有536种造礁石珊瑚，进一步明确了南海具有极高的造礁石珊瑚物种多样性。随后的分析结果表明西北太平洋的造礁石珊瑚物种丰富度呈现明显的纬度多样性梯度格局。珊瑚群落β多样性分解的结果表明，β多样性嵌套组分主要出现在低纬度和高纬度珊瑚礁区之间，而相同纬度之间群落的β多样性主要以周转组分为主，其中高纬度地区的周转组分更为显著。进一步结合环境因子发现，珊瑚α多样性和β多样性模式都受到环境过滤效应的影响。其中，温度（尤其是冬季温度）以及光照强度对物种丰富度和β多样性格局都有显著影响，表明低温和光限制是珊瑚群落沿纬度梯度分布的主要环境过滤器。而高纬度地区温度和浊度的差异是造成群落间周转组分形成的主要原因。上述发现明确了南海造礁石珊瑚的物种资源状况，阐明了南海及其邻近海域不同生态区造礁石珊瑚的分布格局及其驱动因素，并指出环境过滤效应在珊瑚分布格局形成中的重要作用。图1：南海及其邻近海域造礁石珊瑚分布格局南海跨纬度的环境梯度背景下，探究珊瑚如何适应差异环境而生存，是了解南海珊瑚现有分布并预测其在气候变化下未来命运的基础。前期室内模拟实验发现南海广布物种丛生盔形珊瑚能够通过独特的生理权衡机制适应光照梯度差异（Yu et al,Coral Reefs,2023）。在此基础上进一步对其开展了跨区域（南沙→三亚，跨10纬度）的原位移植实验，从营养生态学角度揭示了其对环境差异的适应策略。结果表明，不同纬度来源的丛生盔形珊瑚对较高纬度低温和弱光环境具有不同的适应策略。在适应三亚鹿回头湾环境季节波动过程中，相比于来自南沙的丛生盔形珊瑚，三亚本地丛生盔形珊瑚的生理耐受性更强。从营养物质组成角度，揭示了三亚本地丛生盔形珊瑚能够通过调节脂肪酸结构（降低饱和脂肪酸占比，提高多不饱和脂肪酸占比）以适应环境季节波动的营养策略。而摄食能力较差导致脂类储存不足，及其对于关键功能脂肪酸合成途径的受阻，是南沙来源丛生盔形珊瑚无法适应三亚鹿回头湾环境季节波动的主要原因。因此，研究认为丛生盔形珊瑚对环境变化的耐受性取决于其本地适应的营养策略。此外，研究结果强调了热带典型造礁石珊瑚在短时间内可能无法轻易实现相对高纬度区域珊瑚对季节性环境波动的快速适应，从而对全球变化背景下造礁石珊瑚“北移”的避难所理论提出质疑。图2：南海丛生盔形珊瑚环境适应的营养策略上述研究通过解析南海造礁石珊瑚的空间分布格局驱动因素及其环境适应机制，为南海造礁石珊瑚物种资源的保护提供了重要的科学依据。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、广东省科技规划项目、广州市科技规划项目的资助。相关论文信息：1. Huang L, Jiang L, Zhang Y, Yuan T, Sun Y, Liu C, Lei X, Yuan X, Lian J, Liu S, Huang H (2024) Distribution patterns of reef-building corals in the Northwest Pacific and their environmental drivers. Science of The Total Environment 946:1744292. Yu X, Liu C, Jiang L, Huang L, Luo Y, Zhang P, Zhang Y, Liu S, Huang H (2024) Local adaptation of trophic strategy determined the tolerance of coral Galaxea fascicularis to environmental fluctuations. Science of The Total Environment 943:1736943. Yu X, Jiang L, Luo Y, Liu C, Zhang Y, Huang L, Zhang P, Yuan X, Huang H (2023) Role of feeding and physiological trade-offs in sustaining resilience of the coral Galaxea fascicularis to light limitation. Coral Reefs, 2023, 42(6):1297-1312.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174429https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173694https://doi.org/10.1007/s00338-023-02434-z

2024-07-22

广州能源所在双催化剂体系空间排布优化理论方面取得进展

近日，中国科学院广州能源研究所生物质催化转化研究室在双催化剂体系的宏观空间排布优化理论研究方面取得新进展。相关研究成果以Theoretical optimization of bed packing arrangement in cascade Dual-Catalyst system with side reactions为题，发表于化学工程领域期刊Chemical Engineering Science（论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120500）。近日，中国科学院广州能源研究所生物质催化转化研究室在双催化剂体系的宏观空间排布优化理论研究方面取得新进展。相关研究成果以Theoretical optimization of bed packing arrangement in cascade Dual-Catalyst system with side reactions为题，发表于化学工程领域期刊Chemical Engineering Science（论文全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120500）。作为能源领域的研究热点之一，双催化剂体系的引入为温室气体的捕集转化提供了新的路径，也为可再生能源燃料及化学品合成提供了全新思路。同时，双催化剂体系凭借其非均相的特点，可用于固定床等连续流反应器中，在相关领域具有较大的工业应用潜力，因此被广泛应用于石油化工、生物质转化、合成气转化及其它能源化工领域中，尤其在一氧化碳/二氧化碳加氢生成甲醇/烯烃/芳烃等高值产品方面受到广泛关注。然而以往采用双催化剂体系的相关研究往往聚焦于微观上催化剂结构设计或宏观上反应条件的优化，略过了介于两者之间的反应器尺度上物理化学过程存在的空间异质性（图1）。因此，在反应器尺度上，双催化剂的空间排布优化问题仍缺乏系统的理论指导。该问题直观反映在相关研究中，两种催化剂在反应器内往往局限于简单的双层排布或随机混合装填，缺乏对其它双催化剂排布方式的深入探究，极大削弱了双催化剂体系的反应潜力，同时局限了双催化剂体系的进一步工业化应用。图1. 双催化剂体系中存在的空间排布问题基于此现状，该研究构建了结合遗传算法及机器学习方法的排布优化理论模型，实现了不同反应参数组合下双催化剂的快速排布优化。研究进一步构建了催化剂替换差（DS）作为双催化剂体系的新型描述符，量化了不同空间位置上采用对应催化剂种类的必要程度（图2）。相关模型及描述符为进一步的研究提供了理论工具。采用上述理论工具的进一步研究发现，两种催化剂的副反应分别具有不同的作用。在底物-中间产物-目标产物的理想模型中，当副反应仅发生在S0（底物-中间产物对应催化剂）而不发生在S1（中间产物-目标产物对应催化剂）上时，对应的最优排布呈现S0-S1-S0高分散结构，符合传统的“越近越好”理论；而逐步引入S1上的副反应时，这种规律结构将逐渐瓦解，同时最优床层长度区间迅速缩小，对总反应时间的控制提出了更高的要求。此外，对于非规律排列，探索了基于替换差分析的简化排列方式，同时最大程度保留了优化效果。图2. 催化剂替换差的计算方式在此基础上，该研究搭建了完整的双催化剂体系空间排布优化及简化策略框架（图3），填补了双催化剂在反应器尺度的空间排布优化理论方面的空白。其核心包括：（1）划分优化排列及简单双层排列的适用区间，用于确定是否需要采用优化排列；（2）需要采用优化排列时，通过替换差特征判断是否符合S0-S1-S0规律结构；（3）无规律结构时，采用基于替换差值的简化方法。图3.双催化剂体系空间排布优化及简化策略框架上述工作得到国家自然科学基金项目等的资助。

2024-08-12