團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款面向橫向行走步態(tài)的外骨骼，通過(guò)在橫向行走時(shí)施加主動(dòng)阻力力矩代替彈力帶被動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的精準(zhǔn)高效鍛煉，為抗阻橫向行走鍛煉提供了智能化新方法。近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心曹武警副研究員與香港中文大學(xué)、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)合作，在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款面向橫向行走步態(tài)的外骨骼，通過(guò)在橫向行走時(shí)施加主動(dòng)阻力力矩代替彈力帶被動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的精準(zhǔn)高效鍛煉，為抗阻橫向行走鍛煉提供了智能化新方法。研究成果以Development and Evaluation of a Hip Exoskeleton for Lateral Resistance Walk Exercise為題，發(fā)表在機(jī)電一體化領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE/ASME Transactions on Mechatronics（JCR一區(qū)，影響因子：6.4）曹武警副研究員為第一作者，吳新宇研究員為通訊作者，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院為第一單位。髖外展肌肉肌力下降會(huì)導(dǎo)致骨盆平衡失調(diào)，引起髖部疼痛，并出現(xiàn)腰痛和膝關(guān)節(jié)痛等癥狀。抗阻橫向行走是髖關(guān)節(jié)外展肌鍛煉增強(qiáng)的重要方式，彈力帶橫向行走是抗阻鍛煉增強(qiáng)髖關(guān)節(jié)外展肌最常用的康復(fù)運(yùn)動(dòng)之一。然而，彈力帶橫向行走鍛煉有以下缺陷：在橫向行走過(guò)程中，阻力不能主動(dòng)調(diào)整，即鍛煉強(qiáng)度不受控；鍛煉肌肉受姿勢(shì)、彈力帶位置影響，阻力作用的步態(tài)相位時(shí)段不可控，即鍛煉肌肉不精準(zhǔn)；且當(dāng)彈力帶穿戴時(shí)，前行會(huì)受影響，即鍛煉與自由前行不可兼得。當(dāng)前研發(fā)的外骨骼都是針對(duì)直行步態(tài)，橫向行走步態(tài)與直行步態(tài)完全不同，尚無(wú)外骨骼可以直接應(yīng)用于抗阻橫向行走鍛煉解決上述問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了國(guó)際首款抗阻橫向行走鍛煉外骨骼，提出了自動(dòng)適應(yīng)不同身高與體重的多連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型，建立了考慮傳遞柔性與非線性摩擦力矩的外骨骼與人體耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，提出了阻力力矩模糊整定PID控制策略，通過(guò)穿戴測(cè)試實(shí)現(xiàn)了臀中肌與闊筋膜張肌肌肉激活度的提高。為了驗(yàn)證所提控制策略的有效性，分別采用傳統(tǒng)PID和模糊整定PID控制策略對(duì)外骨骼進(jìn)行了力矩跟蹤實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明所提出的模糊整定控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻力力矩的穩(wěn)定跟蹤，跟蹤誤差較小且具有更短的調(diào)整時(shí)間。為了驗(yàn)證外骨骼對(duì)髖關(guān)節(jié)外展肌肉的鍛煉效果，比較了不穿外骨骼、穿外骨骼不開電、彈力帶和外骨骼主動(dòng)抗阻(10、15、20 Nm)條件下臀中肌與闊筋膜張肌的肌肉激活度，結(jié)果表明：所提出的髖關(guān)節(jié)外骨骼在主動(dòng)抗阻（10Nm）條件下，相比無(wú)外骨骼橫向行走，臀中肌肌肉激活度增加約6倍，闊筋膜張肌激活度增加約16倍。此外，團(tuán)隊(duì)基于肌電的橫向行走步態(tài)識(shí)別研究Gait Recognition Based On sEMG And Deep Residual Shrinkage Network在國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域知名會(huì)議IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics （IEEE RCAR 2023）上獲得最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)碩士研究生羅明祥為第一作者，吳新宇研究員與曹武警副研究員共同指導(dǎo)學(xué)生完成。該系列研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金深圳聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。外骨骼代替彈力帶實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)抗阻橫向行走鍛煉抗阻橫向行走鍛煉外骨骼系統(tǒng)及穿戴示意圖髖關(guān)節(jié)外骨骼控制框圖不同控制策略下力矩跟蹤效果不同橫向行走條件下臀中肌和闊筋膜張肌的肌肉激活度IEEE RCAR 2023最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)證書文章鏈接
艾滋病（AIDS）是由人類免疫缺陷病毒（HIV）感染引起的慢性傳染病。聯(lián)合國(guó)艾滋病規(guī)劃署最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，全球約有8560萬(wàn)人感染HIV，4040萬(wàn)人死于艾滋病相關(guān)疾病，現(xiàn)仍有3900萬(wàn)艾滋病患者，且該數(shù)目依舊在逐年上升。現(xiàn)有的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法（ART）雖可有效控制血液中HIV病毒的復(fù)制，但卻無(wú)法根除潛伏在免疫細(xì)胞中的HIV儲(chǔ)存庫(kù)，患者一旦停止ART治療，HIV儲(chǔ)存庫(kù)迅速啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，造成血液病毒載量的升高，這也是艾滋病無(wú)法治愈，患者需要終生服藥的原因。因此，亟需研制長(zhǎng)期有效甚至完全控制艾滋病（功能性治愈）的新策略。艾滋病（AIDS）是由人類免疫缺陷病毒（HIV）感染引起的慢性傳染病。聯(lián)合國(guó)艾滋病規(guī)劃署最新數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，全球約有8560萬(wàn)人感染HIV，4040萬(wàn)人死于艾滋病相關(guān)疾病，現(xiàn)仍有3900萬(wàn)艾滋病患者，且該數(shù)目依舊在逐年上升。現(xiàn)有的抗逆轉(zhuǎn)錄病毒療法（ART）雖可有效控制血液中HIV病毒的復(fù)制，但卻無(wú)法根除潛伏在免疫細(xì)胞中的HIV儲(chǔ)存庫(kù)，患者一旦停止ART治療，HIV儲(chǔ)存庫(kù)迅速啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，造成血液病毒載量的升高，這也是艾滋病無(wú)法治愈，患者需要終生服藥的原因。因此，亟需研制長(zhǎng)期有效甚至完全控制艾滋病（功能性治愈）的新策略。中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院、中山大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院（深圳）、廣州醫(yī)科大學(xué)附屬市八醫(yī)院等合作，在該領(lǐng)域中取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Arsenic trioxide-induced apoptosis contributes to suppression of viral reservoir in SIV-infected rhesus macaques”為題發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Microbiology Spectrum。激活殺傷（shock and kill）策略被認(rèn)為最有希望治愈艾滋病的策略，即通過(guò)使用儲(chǔ)存庫(kù)激活藥物激活潛伏的HIV儲(chǔ)存庫(kù)，促進(jìn)HIV原病毒轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，以便更容易被免疫系統(tǒng)或抗病毒藥物識(shí)別而清除。三氧化二砷（As2O3，砒霜的主要成分）作為一種有效治療急性早幼粒細(xì)胞白血病（APL）的臨床藥物。研究團(tuán)隊(duì)使用三氧化二砷聯(lián)合ART治療猴艾滋病毒（SIV）急性感染獼猴，發(fā)現(xiàn)該療法能夠顯著延緩艾滋病的疾病進(jìn)展，甚至部分獼猴停藥后長(zhǎng)期未出現(xiàn)病毒反彈。同時(shí)，對(duì)三氧化二砷影響HIV儲(chǔ)存庫(kù)的機(jī)制進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)三氧化二砷能夠影響HIV生命周期的多個(gè)過(guò)程的基因表達(dá)，包括HIV進(jìn)入細(xì)胞、轉(zhuǎn)錄起始、感染相關(guān)、宿主限制因子。重要的是，發(fā)現(xiàn)三氧化二砷具有特異性誘導(dǎo)儲(chǔ)存庫(kù)細(xì)胞凋亡的潛能。研究團(tuán)隊(duì)前期在SIV慢性感染獼猴中，也發(fā)現(xiàn)三氧化二砷顯著提升了ART治療艾滋病的效果（Advanced Science. 2019）。總之，團(tuán)隊(duì)在SIV慢性感染獼猴和急性感染獼猴中評(píng)價(jià)了三氧化二砷對(duì)艾滋病的功能治愈效果，也對(duì)三氧化二砷影響儲(chǔ)存庫(kù)的機(jī)制進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)三氧化二砷既能夠激活儲(chǔ)存庫(kù)又能夠誘導(dǎo)儲(chǔ)存庫(kù)細(xì)胞凋亡，同時(shí)發(fā)揮“shock”和“kill”的功能。該研究有可能提升現(xiàn)有抗艾滋病治療的效果，對(duì)減少抗病毒藥物的使用及長(zhǎng)期服藥的毒副作用以及降低經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等具有重大的意義。廣州健康院博士后何依籽、廣州健康院博士吳春秀、博士研究生劉梓健為該論文的共同第一作者。廣州健康院副研究員李平超、特聘研究員陳凌、中山大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院（深圳）教授孫彩軍為該論文的共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)、中國(guó)博士后科學(xué)基金等的資助。 論文鏈接三氧化二砷在SIV感染獼猴中的功能治愈效果
近日，廣東省人民政府發(fā)布了《關(guān)于頒發(fā)2022年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的通報(bào)》，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 “動(dòng)力鋰電池新型有機(jī)硅安全電解質(zhì)材料開發(fā)及成果產(chǎn)業(yè)化”獲技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，“地?zé)岚l(fā)電及高效高集成梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”獲科技成果推廣獎(jiǎng)，王屹研究員分別被授予青年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。近日，廣東省人民政府發(fā)布了《關(guān)于頒發(fā)2022年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的通報(bào)》，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所“動(dòng)力鋰電池新型有機(jī)硅安全電解質(zhì)材料開發(fā)及成果產(chǎn)業(yè)化”獲技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，“地?zé)岚l(fā)電及高效高集成梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”獲科技成果推廣獎(jiǎng)，王屹研究員分別被授予青年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。張靈志研究員作為第一完成人的“動(dòng)力鋰電池新型有機(jī)硅安全電解質(zhì)材料開發(fā)及成果產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目獲廣東省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目開發(fā)了新型多功能有機(jī)硅電解液材料體系，形成了簡(jiǎn)單、高效、環(huán)保、適合大規(guī)模生產(chǎn)的新合成工藝和技術(shù)，在鋰電池電解液耐高壓性能和安全性以及電解液/電極的界面穩(wěn)定性等方面取得了重要研究成果，開發(fā)的新型有機(jī)硅氰基電解液突破了商業(yè)電解液高溫，高壓下易燃的安全性瓶頸。相關(guān)研究成果得到廣東省應(yīng)用型重大專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院人才引進(jìn)計(jì)劃、國(guó)家基金等項(xiàng)目支持，發(fā)表SCI論文30余篇，被授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利12件、美國(guó)發(fā)明專利3件。2013年依托項(xiàng)目成果年成立了廣州中科立新材料科技有限公司，開展產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，2015年被廣州天賜高新股份公司收購(gòu)，獲500萬(wàn)股權(quán)收益。該項(xiàng)目技術(shù)成果已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在電動(dòng)汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵儲(chǔ)能電池技術(shù)和材料方面形成自主創(chuàng)新能力，帶動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。龔宇烈研究員作為第一完成人的“地?zé)岚l(fā)電及高效高集成梯級(jí)利用關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲廣東省科技成果推廣獎(jiǎng)。項(xiàng)目針對(duì)地?zé)衢_發(fā)利用過(guò)程中存在的能源浪費(fèi)嚴(yán)重、開發(fā)利用模式粗放、資源利用率低等突出問(wèn)題，開展了中低溫地?zé)岚l(fā)電、兩級(jí)吸收式地?zé)嶂评洹⒏邷責(zé)岜谩⑻菁?jí)利用系統(tǒng)集成優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)攻關(guān)，取得了立式徑向軸流有機(jī)朗肯模塊化發(fā)電等技術(shù)創(chuàng)新成果，建成了國(guó)內(nèi)首套地?zé)帷鞍l(fā)電-制冷-干燥-洗浴-熱泵”五級(jí)綜合梯級(jí)利用示范工程，實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的高效利用，形成了地?zé)岣咝ч_發(fā)利用的“豐順模式”。王屹研究員獲廣東省青年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。王屹長(zhǎng)期致力于天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)研究。參與建設(shè)了國(guó)際先進(jìn)的“深海天然氣水合物三維綜合試驗(yàn)開采系統(tǒng)”，揭示了天然氣水合物分解過(guò)程中相變-傳熱-滲流多場(chǎng)耦合機(jī)理；提出了天然氣水合物分解優(yōu)化理論和優(yōu)化方法，為天然氣水合物開采方案優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法；建立了天然氣水合物開采相似準(zhǔn)則，闡明了天然氣水合物開采物理模型與開采現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。研究成果為中國(guó)海域天然氣水合物試采工程提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。主持10余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目/課題，發(fā)表SCI論文100余篇，包括第一/通訊作者 SCI 論文54篇，篇均影響因子8.3，其中中國(guó)科學(xué)院一區(qū)40篇，他引2327次，Web of Science H 指數(shù)32。獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)（2018）、廣東省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2019）和廣東省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2014）等科技獎(jiǎng)勵(lì)。獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省青年五四獎(jiǎng)?wù)隆V東省高層次人才特殊支持計(jì)劃科技創(chuàng)新青年拔尖人才、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、廣州市珠江科技新星等人才項(xiàng)目及榮譽(yù)。被授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利33件、美國(guó)發(fā)明專利6件、公開 PCT 專利18件。受邀擔(dān)任6個(gè)國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物的編委或客座編輯。
9月22日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院李鵬團(tuán)隊(duì)和劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)共同在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊EMBO Journal上發(fā)表了題為“BCL11B and the NuRD complex cooperatively guard T-cell fate and inhibit OPA1-mediated mitochondrial fusion in T cells”的研究成果，揭示了人成熟T細(xì)胞中BCL11B可與NuRD復(fù)合物相互作用直接抑制NK細(xì)胞相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，還可間接通過(guò)代謝-表觀遺傳軸維持T細(xì)胞命運(yùn)。9月22日，中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院李鵬團(tuán)隊(duì)和劉興國(guó)團(tuán)隊(duì)共同在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊EMBO Journal上發(fā)表了題為“BCL11B and the NuRD complex cooperatively guard T-cell fate and inhibit OPA1-mediated mitochondrial fusion in T cells”的研究成果，揭示了人成熟T細(xì)胞中BCL11B可與NuRD復(fù)合物相互作用直接抑制NK細(xì)胞相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，還可間接通過(guò)代謝-表觀遺傳軸維持T細(xì)胞命運(yùn)。過(guò)繼性細(xì)胞免疫療法已成為放化療之后的又一種有效控制腫瘤的手段。近年來(lái)，嵌合抗原受體（Chimeric Antigen Receptor, CAR）T細(xì)胞作為過(guò)繼性細(xì)胞療法的代表，對(duì)血液腫瘤表現(xiàn)出強(qiáng)勁的抗腫瘤效果，但在實(shí)體瘤的治療上仍不盡人意。優(yōu)化、改造免疫細(xì)胞是提高實(shí)體瘤的免疫治療的新策略。李鵬團(tuán)隊(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除人成熟T細(xì)胞中BCL11B可誘導(dǎo)其重編程為類NK細(xì)胞（induced T-to-natural killer cells，ITNK細(xì)胞）。ITNK細(xì)胞同時(shí)具有T細(xì)胞和NK細(xì)胞的表型和功能特征。在體內(nèi)外具有更廣譜和更強(qiáng)效的抗實(shí)體瘤活性。初步臨床實(shí)驗(yàn)（NCT:03882840）結(jié)果也表明，患者自體誘導(dǎo)的 ITNK 細(xì)胞對(duì)復(fù)發(fā)難治的晚期實(shí)體瘤有一定療效且不會(huì)引起任何嚴(yán)重不良反應(yīng)。因此 ITNK 細(xì)胞可作為一種新的細(xì)胞來(lái)源用于腫瘤免疫治療，但其強(qiáng)效抗腫瘤活性的分子機(jī)制仍不清楚。本項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)BCL11B可直接與NuRD復(fù)合物關(guān)鍵亞基相互作用，抑制T細(xì)胞中NK相關(guān)基因的表達(dá)。敲除NuRD復(fù)合物關(guān)鍵亞基，包括MBD2、MTA2和CHD4均可將人成熟T細(xì)胞重編程為ITNK細(xì)胞，這些ITNK細(xì)胞與敲除BCL11B來(lái)源的ITNK細(xì)胞具有相似的轉(zhuǎn)錄本和抗腫瘤活性，為獲得ITNK細(xì)胞提供了新的來(lái)源。細(xì)胞代謝可影響T細(xì)胞的分化狀態(tài)和功能。本研究發(fā)現(xiàn)，在T細(xì)胞中BCL11B可直接結(jié)合在線粒體內(nèi)膜融合蛋白視神經(jīng)萎縮1（optic atrophy1，OPA1）基因的TSS區(qū)并抑制其轉(zhuǎn)錄，敲除BCL11B可上調(diào)表達(dá)OPA1并介導(dǎo)線粒體融合。融合線粒體促進(jìn)了ITNK細(xì)胞氧化磷酸化（OXPHOS）代謝水平，進(jìn)而促進(jìn)ITNK細(xì)胞重編程效率和抗腫瘤活性。代謝產(chǎn)物不僅可以作為代謝信號(hào)調(diào)控細(xì)胞生物大分子合成為細(xì)胞提供物質(zhì)和能量，還可作為非代謝信號(hào)，通過(guò)組蛋白或DNA表觀修飾調(diào)控基因表達(dá)。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)ITNK細(xì)胞OXPHOS代謝增強(qiáng)乙酰-CoA水平，高濃度的乙酰-CoA作為組蛋白乙酰化的底物，通過(guò)增加NK相關(guān)基因及細(xì)胞毒性相關(guān)基因位點(diǎn)的H3K27乙酰化修飾，促進(jìn)相關(guān)基因的表達(dá)，提升ITNK細(xì)胞的抗腫瘤活性。本項(xiàng)研究揭示了轉(zhuǎn)錄因子BCL11B在T細(xì)胞代謝中的重要作用，豐富了 BCL11B在T細(xì)胞中的生物學(xué)意義。同時(shí)，通過(guò)解析ITNK細(xì)胞的代謝-表觀遺傳軸，揭示了代謝重塑通過(guò)組蛋白表觀修飾調(diào)控ITNK細(xì)胞抗腫瘤活性的分子機(jī)制，為進(jìn)一步提升ITNK細(xì)胞臨床治療實(shí)體瘤效果提供了新策略。中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士后廖芮、副研究員鄔毅為該論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院李鵬研究員、劉興國(guó)研究員為本論文的共同通訊作者。該研究成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。 論文鏈接BCL11B與NuRD復(fù)合物共同調(diào)控T細(xì)胞命運(yùn)的機(jī)制研究示意圖
近日, 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LTO）詹海剛團(tuán)隊(duì)在中尺度渦影響海洋極端溫度研究方面取得新進(jìn)展。該研究給出了中尺度渦增強(qiáng)南大洋極端溫度的觀測(cè)證據(jù)，揭示了全球變暖背景下中尺度渦對(duì)南大洋極端溫度的影響正在加劇。相關(guān)研究成果以何慶友副研究員為第一作者，詹海剛研究員為通訊作者，發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS，《美國(guó)科學(xué)院院刊》）上。南大洋貫通全球三大洋盆，對(duì)全球海洋環(huán)流、生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候變化有重大影響。南極繞極流是全球海洋中最強(qiáng)大的洋流系統(tǒng)之一，其強(qiáng)烈的斜壓不穩(wěn)定性導(dǎo)致了活躍的中尺度渦活動(dòng)。這些渦旋會(huì)改變海氣界面的熱交換以及熱量在海洋中的再分配和儲(chǔ)存，從而必然會(huì)對(duì)海洋極端溫度產(chǎn)生影響。海洋極端溫度嚴(yán)重威脅海洋生物生存和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。基于衛(wèi)星觀測(cè)的研究表明，隨著全球變暖，海表極端高溫（熱浪）的發(fā)生頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間均在不斷增加。然而，在環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定且海洋生物資源最為富集的次表層，由于衛(wèi)星難以直接觀測(cè)，我們對(duì)于極端溫度事件的發(fā)生和演變的認(rèn)知還很有限。研究團(tuán)隊(duì)分析了南大洋50多萬(wàn)條歷史溫鹽剖面觀測(cè)資料和衛(wèi)星遙感中尺度渦數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)盡管反氣旋渦（氣旋渦）在海洋中的發(fā)生頻率只有約10%，但發(fā)生在渦內(nèi)的次表層極端高溫（低溫）比例卻高達(dá)近50%（圖1）。渦旋對(duì)極端溫度的這種貢獻(xiàn)隨著深度和擾動(dòng)溫度的增加而增加，并且有著極大的區(qū)域差異性。最強(qiáng)的擾動(dòng)集中在南極繞極流附近（圖2），這可能與渦旋跨鋒面移動(dòng)引起的水體裹挾密切相關(guān)。南大洋作為吸收人類活動(dòng)產(chǎn)生的熱量和二氧化碳的主要海域，是過(guò)去幾十年里全球變暖最為顯著的海域之一。南大洋變暖速率的南高北低，使南極繞極流鋒面的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致渦動(dòng)能增加。渦旋活動(dòng)的增強(qiáng)以及海洋垂向?qū)踊瘡?qiáng)度的增加，使渦內(nèi)平均溫度擾動(dòng)和極端溫度擾動(dòng)強(qiáng)度均顯著增強(qiáng)，且后者速率比前者大一倍（圖3）。這些結(jié)果表明，在變暖的海洋中，中尺度渦對(duì)極端溫度的發(fā)生和增強(qiáng)的貢獻(xiàn)有所增加。同時(shí)，渦內(nèi)溫度擾動(dòng)的增強(qiáng)也意味著海洋溫度變化幅度的加劇，這可能促進(jìn)近表層熱量跨梯度向下的混合與輸運(yùn)，從而減緩上層海洋變暖，并促進(jìn)深層海洋增溫。該研究揭示了中尺度渦在驅(qū)動(dòng)海洋次表層極端溫度中的重要作用。隨著全球變暖的持續(xù)，渦旋對(duì)海洋極端溫度的增強(qiáng)效應(yīng)還可能進(jìn)一步加劇。這些研究結(jié)果可為我們理解和預(yù)測(cè)海洋極端溫度及其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)和漁業(yè)資源的影響提供重要參考。該研究由國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目等共同資助完成。相關(guān)論文信息：Qingyou He, Weikang Zhan, Shuqun Cai, Yan Du, Zhiwu Chen, Shilin Tang, and Haigang Zhan*, Enhancing impacts of mesoscale eddies on Southern Ocean temperature variability and extremes, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(39), e2302292120, doi:10.1073/pnas.2302292120.文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302292120圖1. 南大洋中尺度渦內(nèi)極端溫度擾動(dòng)概率分布。(a) 溫鹽剖面歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分布；(b-c) 觀測(cè)剖面距渦中心距離概率和累積概率分布；(d) 400米深處溫度擾動(dòng)概率分布，其中藍(lán)色、紅色和灰色分別為落在氣旋渦內(nèi)、反氣旋渦內(nèi)和總的剖面數(shù)量；(e) (d)中溫度擾動(dòng)發(fā)生在氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（紅色）內(nèi)的比率；(f) 不同強(qiáng)度溫度擾動(dòng)發(fā)生在氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（紅色）內(nèi)的比率隨深度的變化。圖2. 南大洋中尺度渦內(nèi)溫度擾動(dòng)空間分布。(a-b) 400米深處反氣旋和氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動(dòng)；(c-d) 反氣旋渦內(nèi)95%分位數(shù)極端高溫?cái)_動(dòng)和氣旋渦內(nèi)5%分位數(shù)極端低溫?cái)_動(dòng)；(e-f) 極端高溫?cái)_動(dòng)發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)的比率和極端低溫?cái)_動(dòng)發(fā)生在氣旋渦內(nèi)的比率；(g-h) 南印度洋（b中黑色方框）中尺度渦內(nèi)平均溫度擾動(dòng)斷面，灰色等值線為氣候態(tài)平均溫度；（i-j）渦內(nèi)等密度面上平均位溫?cái)_動(dòng)斷面，灰色等值線為深度；(k-l) 南極繞極流區(qū)域（g中黑色短線）渦內(nèi)沿等密面溫度擾動(dòng)分量和總的平均溫度擾動(dòng)對(duì)比，陰影為標(biāo)準(zhǔn)差，黑色實(shí)線為二者比率。圖3. 南極繞極流區(qū)域渦內(nèi)溫度擾動(dòng)變化趨勢(shì)。(a) 400米深處反氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動(dòng)、95%分位數(shù)極端高溫?cái)_動(dòng)、和極端高溫?cái)_動(dòng)發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)比率的時(shí)間序列，黑色實(shí)線為線性變化趨勢(shì)；(b) 400深處氣旋渦內(nèi)平均溫度擾動(dòng)、5%分位數(shù)極端低溫?cái)_動(dòng)、和極端低溫?cái)_動(dòng)發(fā)生在反氣旋渦內(nèi)比率的時(shí)間序列；(c-f) 2006-2019年間氣旋渦（藍(lán)色）和反氣旋渦（橙色）內(nèi)平均溫度擾動(dòng)，等密面上溫度擾動(dòng)分量、極端低溫和高溫度擾動(dòng)、極端溫度擾動(dòng)發(fā)生在渦內(nèi)概率，以及溫度擾動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差線性變化速率，色塊為95%置信區(qū)間；(h) 紅色色塊為所統(tǒng)計(jì)的南極繞極流區(qū)域。
稻田干濕交替的環(huán)境驅(qū)動(dòng)了土壤一系列的氧化還原反應(yīng)，大量研究表明水分和硫酸鹽對(duì)土壤As活性和水稻As積累有顯著影響，但關(guān)于水分耦合硫酸鹽對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中As遷移積累的作用和機(jī)制尚不明確。稻田干濕交替的環(huán)境驅(qū)動(dòng)了土壤一系列的氧化還原反應(yīng)，大量研究表明水分和硫酸鹽對(duì)土壤As活性和水稻As積累有顯著影響，但關(guān)于水分耦合硫酸鹽對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中As遷移積累的作用和機(jī)制尚不明確。為此，中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黃道友研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)水稻盆栽試驗(yàn)，研究了3種水分管理方式和5種硫酸鹽水平對(duì)土壤-水稻系統(tǒng)中As遷移積累的影響及其機(jī)理。結(jié)果表明：在淹水(F)、淹濕交替(FM)和濕潤(rùn)(M)條件下，外源硫酸鹽的添加顯著降低了稻米As含量，分別降低了60.1%、46.7%和70.5%。但是，土壤有效As含量變化與籽粒砷含量變化并不完全對(duì)應(yīng)。只有在FM處理下，硫酸鹽施用顯著降低土壤有效As含量，從而降低了稻米As積累；F和M條件下硫酸鹽施用主要通過(guò)提升土壤pH，促進(jìn)了水稻根表鐵膜的形成，從而抑制了As的轉(zhuǎn)運(yùn)；此外，水分管理和硫酸鹽單獨(dú)或相互作用影響了鐵硫微生物的豐度，耦合鐵硫氧化還原過(guò)程調(diào)控了土壤As形態(tài)。在F和FM條件下，硫酸鹽抑制了鐵還原菌，但促進(jìn)了Fe氧化細(xì)菌生長(zhǎng)，導(dǎo)致As與鐵錳氧化物結(jié)合增加；在M條件下，硫酸鹽介導(dǎo)鐵/硫循環(huán)細(xì)菌的參與調(diào)節(jié)As的吸附和釋放，影響吸附態(tài)As組分。因此，硫酸鹽的添加會(huì)促進(jìn)鐵膜中As固定，調(diào)節(jié)微生物鐵/硫循環(huán)(受水分影響)促進(jìn)As固定化，從而抑制As向稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)。水分和養(yǎng)分管理對(duì)農(nóng)田重金屬污染修復(fù)具有重要的作用，本研究通過(guò)水分耦合硫酸鹽施加，揭示了不同水分和硫酸鹽管理?xiàng)l件下，土壤鐵硫循環(huán)過(guò)程調(diào)控砷活性的微生物作用機(jī)理，為砷污染稻田降砷提供低成本管理方案，為稻米安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。近期，該研究成果以題為Key process for reducing grains arsenic by applying sulfate varies with irrigation mode: Dual effects of microbe-mediated arsenic transformation and iron plaque的論文發(fā)表在期刊Environmental Pollution上。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFD1700102）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)（42077374, 42277032）和國(guó)家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-16-E09）資助。論文鏈接水分耦合硫酸鹽驅(qū)動(dòng)鐵/硫循環(huán)降低水稻砷積累的作用機(jī)理圖灌漿期各處理細(xì)菌豐度(Candidateus、Koribacter、Geobacter和sulphitalea)與土壤理化指標(biāo)之間的關(guān)系(a)。3種水分管理下4種細(xì)菌豐度與上述土壤理化指標(biāo)的關(guān)系(b)。F處理下Geobacter豐度與KH2PO4-As、As-F4的關(guān)系(c)。FM處理下Koribacter豐度與KH2PO4-As、As-F3的關(guān)系(d)。M處理下，Geobacter豐度與KH2PO4-As、As-F2的關(guān)系(e)。sulphitalea豐度與KH2PO4-As、As-F2的關(guān)系(f)。三種水分管理下土壤有效態(tài)砷、鐵膜砷、莖/根、籽粒/莖和水稻砷之間的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)
稻田是我國(guó)最常見的農(nóng)田類型，其通常比相鄰旱地?fù)碛懈叩耐寥烙袡C(jī)碳和微生物殘?bào)w碳含量。然而，稻田和旱地土壤有機(jī)碳的微生物代謝特征尚不清楚。解析土壤微生物碳代謝對(duì)土地利用方式的響應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理措施以提高土壤固碳能力至關(guān)重要。稻田是我國(guó)最常見的農(nóng)田類型，其通常比相鄰旱地?fù)碛懈叩耐寥烙袡C(jī)碳和微生物殘?bào)w碳含量。然而，稻田和旱地土壤有機(jī)碳的微生物代謝特征尚不清楚。解析土壤微生物碳代謝對(duì)土地利用方式的響應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)霓r(nóng)田管理措施以提高土壤固碳能力至關(guān)重要。中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所流域農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中心吳金水研究員團(tuán)隊(duì)成員在我國(guó)東部四個(gè)水稻分布?xì)夂騾^(qū)（中溫帶-黑土、暖溫帶-潮土、亞熱帶-紅壤和熱帶-磚紅壤）采用配對(duì)采樣原則，隨機(jī)采集了240對(duì)稻田和旱地表層土壤。其中，每個(gè)氣候區(qū)隨機(jī)選擇10對(duì)稻田和旱地土壤加入18O-H2O進(jìn)行短期培養(yǎng)，測(cè)定土壤總有機(jī)碳的微生物攝取、生長(zhǎng)、呼吸和利用效率。結(jié)果表明，與寒冷氣候區(qū)（中溫帶和暖溫帶）旱地相比，溫暖氣候區(qū)（亞熱帶和熱帶）旱地土壤的微生物生長(zhǎng)效率更低、且呼吸效率更高，這主要是由于溫暖氣候區(qū)土壤低pH值和高粘粒含量導(dǎo)致了微生物碳代謝從生長(zhǎng)向呼吸轉(zhuǎn)變。然而，溫暖氣候區(qū)稻田土壤的微生物的生長(zhǎng)和呼吸效率均顯著低于寒冷氣候區(qū)稻田，可能是由于長(zhǎng)期淹水抑制了微生物碳代謝對(duì)土壤低pH值響應(yīng)。四個(gè)氣候區(qū)下，稻田較旱地土壤微生物碳攝取效率低，表明稻田土壤有機(jī)碳積累過(guò)程中微生物參與程度較低；與旱地土壤相比，稻田土壤微生物的生長(zhǎng)效率更高、呼吸效率更低，使得其土壤微生物碳利用效率更高。稻田和旱地土壤微生物碳利用效率的差異與其土壤有機(jī)碳和微生物殘?bào)w碳的差異呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。從微生物碳代謝的角度，稻田較旱地土壤擁有更高的有機(jī)碳含量是由于其更弱的微生物碳攝取、且更強(qiáng)的合成代謝。因此，強(qiáng)化微生物合成代謝、降低微生物分解代謝的農(nóng)田管理措施是增加土壤固碳的重要手段。該項(xiàng)研究近期以題為Higher microbial C use efficiency in paddy than in adjacent upland soils: evidence from continental scale發(fā)表在土壤學(xué)期刊Soil and Tillage Research上。該研究得到了“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFD1901203）,和國(guó)家自然科學(xué)基金（41977100，42177295，41877035，42207409）的共同資助。論文鏈接我國(guó)東部四個(gè)氣候區(qū)稻田和旱地土壤微生物碳攝取、生長(zhǎng)、呼吸和碳利用效率稻田和旱地微生物碳利用效率差異與其氨基糖和土壤有機(jī)碳差異的相關(guān)性分析
