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  中国科学技术大学教授张斗国研究组研制出一种基于光学薄膜的平面型显微成像元件,用作被测样本的载玻片,可在常规的明场光学显微镜上实现暗场显微成像和全内反射成像,获取高对比度的光学显微图像。相关成果日前发表于《自然—通讯》。  常规的光学显微镜是明场显微镜,利用光线照明,样本中各点依其光吸收的不同在明亮的背景中成像。但对于一些未经染色处理的生物标本或者其他透明样本,由于对光线的吸收很少,因而对比度差,难以观测。暗场显微镜、全内反射显微镜的问世,则解决了这一难题。  暗场显微镜只允许被测样本反射和衍射的光线进入物镜,照明光线不直接进入成像物镜。有样本时,样本的衍射光与散射光等在暗背景中明亮可见,成像对比度远高于明场光学显微镜。全内反射显微镜是利用光线全反射后在介质另一面产生表面波来照明样本,有样本时,表面波会被散射或衍射到远场,从而在暗背景下形成物体的明亮像,并可提高成像对比度。但暗场显微镜、全内反射显微镜需要复杂的光学元件,这些元件体积较大、不易集成、操作复杂,成像效果严格依赖于光路的精确调节。  该研究组研制出一种基于光学薄膜的平面型显微成像元件,该元件在常规明场显微镜上,可同时实现暗场显微成像和全内反射成像。相对于明场光学显微镜像,其成像对比度有大幅度提升。  这一元件结构简单、成本较低、操作便利、易于集成,不仅适用于空气中的样本,也适用于液体环境中生物活细胞的成像。实验结果表明,无需改变现有显微镜的主体光路架构,通过设计、制作合适的显微镜载玻片,就可以有效提升其成像对比度,拓展其成像功能。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-27231-6  (原载于《中国科学报》2021-11-30第4版综合)

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  如今,地球大气的含氧量约为21%。在很多年前,地球大气中的氧气含量仅为现在的1%,这一数值从1%增加到现在大气含氧量的60%以上,间隔了近20亿年。为什么地球大气中含氧量的增加如此缓慢?  围绕这一科学问题,中科院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)研究员朱茂炎领导的中英合作团队采用多种地球化学指标并结合数学模型,结合三峡地区的地层剖面,首次系统论证了巨大海洋溶解有机碳库的存在是元古宙(约25亿~5.7亿年前)海洋彻底氧化迟缓的关键原因。日前,相关研究成果发表于《地球与行星科学通讯》。  质疑有机碳库模型  从太古宙(40亿~25亿年前)的无氧地球,到元古宙的低氧地球,再到显生宙(5.7亿年前延续至今)的富氧地球,地球上的生物也随环境的变化而发生变化——从原核生物,到真核生物,再到动物。地球大气氧含量与生命演化之间的因果联系也成为当今备受关注的重要科学问题之一。  朱茂炎向《中国科学报》介绍,早期地球极端缺氧,直至距今大约24亿年前后发生第一次大氧化事件,大气中的氧气达到了现代大气氧含量的1%水平以上,导致真核生物在地球上首次出现。  然而,在随后长达十几亿年的时间内,大气氧含量并没有显著增加,一直到距今5.8亿~5.2亿年前后,地球发生了第二次大氧化事件,大气中的氧含量才增加到现代大气氧含量的60%以上的水平,从而可能触发了多细胞真核生物的大爆发,以及动物的快速起源和寒武纪生命大爆发。  关于前寒武纪(地球从诞生到6亿年前)大洋中含氧量长期很低的问题,目前学术界有一个理论模型——溶解有机碳库模型。该模型最早由美国麻省理工学院教授DanielRothman于2003年提出,其依据是新元古代(10亿~5.4亿年前)地层中记录的海水碳同位素的频繁负异常事件,并表现出无机碳和有机碳同位素变化之间的不耦合现象。  该模型认为,前寒武纪海洋表层透光带内进行光合作用的微生物主要是原核生物,这些微生物死亡后的有机质颗粒细小、沉降速率慢,在海水中不断积累形成一个巨大的海洋溶解有机碳库,达到现代大洋溶解有机碳库1000倍以上。  朱茂炎解释道,前寒武纪这种缺氧的海洋就像一个现代的巨大沼泽池,水体中大量腐殖有机质不断消耗着氧气,导致水体浑浊并缺氧。“只有当这个浑浊并缺氧的海洋得到氧化,海洋和大气中的氧气含量才能够增加。”  然而,溶解有机碳库模型随后遭到学界质疑,质疑的焦点集中在新元古代地球不可能提供足够的氧化剂来消耗或移除海洋中这一巨大的还原碳库。  地化模型寻找氧化剂  那么,前寒武纪浑浊缺氧的海洋到底是如何变得清澈且富含氧气的呢?  还有一种假说是生物与环境协同演化模型。这个模型认为当海水中氧气含量达到原始动物生存的最低需求时,比如像海绵动物这样的生物的出现可以通过捕食海水悬浮有机质,加速海水有机质的消耗和埋藏,减少海水中氧气的消耗,最终导致海洋和大气中氧气的增加。  随着氧气含量的增加,微型浮游动物和复杂动物也会随之出现,从而形成复杂的食物网,进一步消耗海水中的有机质,再通过动物大颗粒排泄物和尸体形成沉积物,提高了有机物埋藏的效率,形成了动物演化与氧气增加的正反馈机制。  朱茂炎指出,这种正反馈机制最终表现为氧气增加的线性加速,与5.8亿~5.2亿年前后大气和海洋氧气含量多次大规模波动、生物阶段性爆发演化的实际情况却不一致。  2005年,《科学》发文提出,5.51亿年前存在一次全球碳同位素负异常事件,与有机碳库的氧化有关,使得海洋和大气中含氧量剧增,导致复杂生命的出现。  研究的焦点再次回到有机碳库的氧化,即寻找氧化剂。  朱茂炎团队的研究始于2003年前后,团队利用地层学的研究优势论证了大规模造山运动导致原来海盆中形成的巨量蒸发盐矿物的风化,可以为海洋带来持续性硫酸盐(氧化剂)输入,这些硫酸盐通过硫酸盐还原菌大规模消耗海水中的溶解有机碳,并通过黄铁矿的大规模埋藏(产氧),最终导致海洋中溶解有机碳库的减小和海洋的迅速氧化。相关研究成果2019年发表于《自然—地球科学》。  虽然这一假说为寻找溶解有机碳库的氧化剂来源提供了解决方案,但该假说主要依赖于生物地球化学模型的数值模拟,缺乏具体地质记录和地球化学证据的直接论证。  地质记录提供证据  为此,朱茂炎团队来到了湖北宜昌。“这里有我们需要的剖面。”他说。  果不其然,科研团队在三峡地区南坨村剖面埃迪卡拉纪陡山沱组地层(约6亿年前)中识别出一个与地质历史上全球最大的Shuram/DOUNCE事件(陡山沱碳同位素负异常事件)级别相同但持续时间更短(约1.5百万年)的碳同位素负异常事件,相当于先前识别的WANCE事件(瓮安碳同位素负异常事件)。  国际上将埃迪卡拉纪发生的地球历史上最大的海洋碳同位素负异常事件称为Shuram事件,在我国华南称为DOUNCE事件。Shuram/DOUNCE事件的年龄、持续时间、全球性和成因机制,是建立埃迪卡拉纪全球年代标准和解决埃迪卡拉纪生命与环境演化问题的关键。  为了弄清上述负异常事件发生的原因,论文第一作者、南京古生物所副研究员陈波等人利用剖面化石开展了详细的碳、氧、硫、铀、锶等多同位素体系分析,论证这次碳同位素负异常事件记录的是一次由大陆风化增强导致硫酸盐输入增加进而触发的短暂海洋氧化事件。  这里的大陆风化增强所带来的海水硫酸盐含量增加,使深海溶解有机碳被迅速消耗,海洋开始氧化,大量13C(碳的稳定同位素之一)亏损的有机碳被氧化并释放到海水中,导致同期海水碳酸盐的碳同位素值急剧下降。随着风化作用减弱,氧化剂被耗尽,海洋迅速恢复到缺氧状态,同时海水碳酸盐的碳同位素值恢复到正值。  朱茂炎介绍,这一地球化学数据所揭示的过程与生物地球化学模型的数值模拟结果非常吻合。特别有意义的是,WANCE事件发生的这一过程与随后发生的Shuram/DOUNCE异常极其一致,支持了团体在2019年提出的假说,即造山运动导致大量氧化剂输入增加,是埃迪卡拉纪海洋氧化和极端碳同位素负偏移事件的主要驱动因素。  他表示,这种海洋氧化还原状态和氧化剂供应之间的动态平衡完全符合Rothman提出的溶解有机碳库模型,为溶解有机碳库的存在导致前寒武纪海洋彻底氧化迟缓提供了直接证据。  科研人员推测,发生在埃迪卡拉纪早期的WANCE事件,可能标志着这一大型深海溶解有机碳库解体的肇始。  随后,多次持续时间更长、强度更大的脉冲式氧化剂输入事件,不断消耗大洋中的溶解有机碳库,促使其最终在寒武纪早期消亡,海洋变得更加氧化,为动物在寒武纪早期的大爆发和复杂海洋生态系统的出现创造了先决条件。  “自此,原始地球基本完成了向现代地球—生命系统的革命性转变。”朱茂炎说。  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117274  (原载于《中国科学报》2021-11-30第4版综合)

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白洋淀唐河入淀口湿地生态修复现场受访者供图  7.4米  据统计,2018年以来,河北省累计为白洋淀补水13.04亿立方米,年均入淀水量4.3亿立方米,使白洋淀水位稳定保持在6.5米以上。近两年,白洋淀的最高水位达7.4米,是近20年少有的高水位状态。  白洋淀唐河入淀口湿地是唐河与白洋淀交接的区域,由于上游来水减少,工农业用水量不断增加,自然的淀口曾被人为改成农田、旱地等,湿地生态系统严重退化。通过退耕还湿、恢复自然水系形态和湿地多样化生物生境等措施,如今的唐河入淀口湿地绿草茵茵,碧波荡漾,淀鸥、白鹭悠游栖息,“台田苇海、鸟类天堂”的美景正在逐步重现。  唐河入淀口湿地的修复是整个白洋淀生态环境治理的缩影。国务院关于雄安新区和白洋淀生态保护工作情况的报告显示,《白洋淀生态环境治理和保护规划(2018—2035年)》明确的阶段性目标基本实现。淀区整体水质由2017年的劣Ⅴ类提升到2020年的Ⅳ类,淀心区平均水质达到Ⅲ类标准。今年上半年,白洋淀4条主要入淀河流以及上游流域50个河流断面水质,全部达到或优于Ⅳ类,为近10年来最好水平。  生态补水  合理调控淀泊水文水资源  白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊,360平方公里的淀区内,有143个淀泊星罗棋布、3700多条沟壕纵横交错。作为我国北方稀缺的自然湿地,白洋淀被誉为“华北之肾”,对维护华北地区生态环境具有不可替代的作用。  但从20世纪50年代以来,干旱的气候、工农业用水量的不断增加、上游水库的陆续修建,导致白洋淀入淀水量不断减少。同时,上游水土流失和淀内围堤造田,使得白洋淀泥沙淤积加速,淀区水面日益缩小。  加上城镇生活污水和工业污水排放、水产网箱养殖等,导致白洋淀水质不断恶化。一位淀区附近的村民表示,污染最严重的那段时间,“连鸟都不飞过来了”。  2017年4月1日,雄安新区设立,白洋淀生态环境治理和保护攻坚战同步打响。白洋淀地处“九河下梢”,攻坚战就需要从全流域“一盘棋”的角度出发,进行综合治理。  问渠那得清如许,为有源头活水来。缺乏清水补给、生态流量锐减,是白洋淀生态环境面临的重要威胁。实施生态补水、合理调控淀泊水文水资源是修复白洋淀生态最直接、有效的措施。  据统计,2018年以来,河北省累计为白洋淀补水13.04亿立方米,年均入淀水量4.3亿立方米,使白洋淀水位稳定保持在6.5米以上。近两年,白洋淀的最高水位达7.4米,是近20年少有的高水位状态。特别是位于白洋淀上游的保定市,科学调配水资源,对入淀河流实施生态补水。其中,府河、孝义河、瀑河、白沟河等河流基本实现常年有水入淀,使白洋淀生态得到较好恢复。  《河北雄安新区2021年白洋淀生态补水工作方案》提出,今年计划生态补水量约4亿立方米。雄安新区还建立和实行了生态补水运行机制,根据白洋淀生态用水需求,科学调整补水时段和补水水源、水量,增加水动力和水体流动性。  系统治理  构建可持续的湿地生态系统  除生态补水外,国家发改委主任何立峰还表示,大清河流域及白洋淀污染防控全面推进,实施“控源—截污—治河”系统治理,持续推进,稳步恢复白洋淀“华北之肾”功能。  “从2018年开始实施的白洋淀唐河入淀口湿地生态保护项目,就是一个综合治理的典型案例。我们采用基于自然的解决方案,以最小人工干预为原则,尊敬自然,降低破坏环境的可能性,充分结合场地现状条件、环境、气候等多种要素,力图以保护与修复为出发点,减少对自然环境的干扰。”北京正和恒基滨水生态环境治理股份有限公司设计集团常务总裁闵颖说。  在湿地与周边村庄交界处,一条条绿堤成为生态缓冲带,拦截来自周边村镇的生活污水、农业面源污染等。项目团队根据湿地的空间地貌,重塑生态系统,形成蓝绿交织的生态廊道,优化唐河水入淀后的水流路径,增加水力停留时间。根据湿地的功能区划和景观需求,项目团队对芦苇等植物种群进行选择与搭配,提高植物对水体中富营养物质的吸收等,达到水质净化目标。  “我们希望能将唐河入淀口区域打造成近自然、低影响、可持续发展的湿地生态系统恢复示范区,成为区域自然生态与人文生态有机结合、高质量发展的样板。”闵颖说。  白洋淀水变清了、水面变大了,湿地生态系统和“华北之肾”功能正在逐步恢复。数据显示,2002年白洋淀湿地保护区成立时,记录有野生鸟类192种。近年来,通过加大白洋淀生态保护力度,野生鸟类不断增加,种类记录增加到230种。在2020年冬至2021年春的观测中,记录到国家一级重点保护鸟类大鸨48只。为保护白洋淀水生生物多样性,河北科学设置白洋淀禁渔期,累计增殖放流水生生物苗种超1.5亿尾,白洋淀多年未见的鳑鲏鱼、黑鱼、嘎鱼等物种重新出现。  “30多年不见踪迹的鲈鱼如今又重新出现在白洋淀。”安新县小张庄村村干部张福庆从小生活在白洋淀边,他说,鲈鱼对水质要求很高,它的再次出现也证明白洋淀水质变好了。  控源截污  不让一滴污水流入白洋淀  河北省生态环境厅水生态环境处处长赵宪伟说,白洋淀治理还将聚焦原生村落生活污染、淀区底泥累积污染、旅游航运次生污染等问题,实施一系列强有力措施,并进行探索性实践。  原生村落的生活污水和生活垃圾也是白洋淀污染的重要来源。据保定市原环保局统计,淀内村的氮、磷输入量分别占流域氮、磷总输入量的1/4和1/3。  河北在快速推进雄安建设的同时,也加强了对雄安新区唯一水体——白洋淀的保护,提出了“不让一滴污水流入白洋淀”的口号。而且根据河北省“确保2021年淀区水质达到Ⅳ类、力争部分达到Ⅲ类”的要求,按照常规污水处理厂排放标准,出水水质并不能达到入淀要求。因此,过去白洋淀城中村的生活污水都是采取“倒排”的形式,即把污水运输至外围城镇的污水处理厂进行集中处理。这样不但成本高,而且容易出现“跑冒滴漏”等问题。  如今在白洋淀城中村,村民家流出的生活污水通过管网进入深度脱氮设备中,处理后的水再进入小池塘等水体中,进行再度净化……这是威尼斯569vip游戏生态中心和北京中持碧泽环境技术有限责任公司参与的白洋淀城中村污水深度脱氮示范项目。双方共同开发的珊氮技术作为深度处理单元,为氮、磷的深度去除发挥了重要的作用。  “污水经过二级生化处理,除了氮、磷指标外,其他指标都能达到地表IV类水标准。再通过珊氮技术,对氮、磷做强化处理,基本将水中的总氮浓度稳定控制在每升1.5毫克以下。随后,通过下游的人工湿地和自然湿地的深度净化,最终实现污水的超净排放。”威尼斯569vip游戏生态环境研究中心孙移鹿博士说,作为目前排放标准最高的农村污水项目,经深度脱氮处理后的污水达到了入淀排放要求,对白洋淀来说,也起到了生态补水的作用。  “白洋淀生态环境治理不仅仅是治理白洋淀,而是治理整个流域。”雄安新区生态环境局局长高英华说,流域生态环境治理是系统治理,接下来“应当推进上下游、左右岸、淀内外等全流域的治理和保护”。(原载于《科技日报》2021-11-3006版)

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  近日,威尼斯569vip游戏大连化学物理研究所研究员陈萍、郭建平团队与丹麦技术大学教授TejsVegge团队等合作,首次将配位氢化物材料应用于催化合成氨反应中,开发了一类新型碱(土)金属钌基三元氢化物催化剂,实现了温和条件下氨的催化合成。相关成果发表于《自然—催化》。  氨是一种重要的化工原料和极具前景的能源载体,以化石能源驱动的常规合成氨工业属于高能耗、高碳排放,因此实现在温和条件下氨的高效合成具有重要的科学意义和实用价值。可再生能源驱动的“绿色”合成氨过程中,开发低温低压高效合成氨催化剂是核心。  团队开发的碱(土)金属钌基三元氢化物催化剂材料可实现温和条件下氨的催化合成。该催化剂材料是一种离子化合物,由钌(Ru)和负氢的配位阴离子[RuH6]4-和碱(土)金属阳离子锂离子(Li+)或钡离子(Ba2+)构成,在低温、低压下具有优异的催化合成氨性能。当反应温度低至100摄氏度时,碱(土)金属钌基三元氢化物催化剂仍有可检测的催化活性。研究发现,该类三元氢化物催化剂材料的合成氨反应遵循氢助解离式机制,其所有组分均参与了合成氨反应,即富电子的Ru的配位阴离子是氮气活化位点,负氢是电子和质子传递载体,Li+或Ba2+通过稳定中间物种降低反应能垒,通过多组分协同催化,使氮气和氢气以能量较优的反应路径转化为氨。  作为一类独特的化合物催化剂,该类三元氢化物催化剂在组成、结构、反应动力学性质、活性中心作用机制等方面显著不同于常规多相合成氨催化剂,而与均相合成氨催化剂存在一定关联,为多相固氮和均相固氮研究架起了桥梁。  该研究丰富了合成氨催化剂体系,并提出了构建“富电子、多组分活性位点”这一合成氨催化剂设计策略,为进一步探寻低温低压高效合成氨催化剂提供了新思路。  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41929-021-00698-8   (原载于《中国科学报》2021-11-30第1版要闻)

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