非光合微生物的光电营养代谢途径在生态系统能量循环中发挥着重要作用。海洋透光层具有自然光可及、物质能量交换剧烈和生化过程活跃等触发光电营养代谢的基本条件,但其内部光敏物质和微生物的光电响应机制仍未得到充分研究。本研究解析了闽江入海口河口、近岸和近海区域透光层中光敏物质的组成与空间分布、光电响应以及微生物群落结构。结果表明,这3个区域均存在悬浮半导体颗粒、天然色素和溶解性有机质等光敏物质,且其含量随着离岸距离增加而逐渐下降,但近岸区域光合微生物的丰度最高。光电流实验结果显示,近岸区域的光电效应最为显著,可能是由于其具有较为丰富的光敏物质和较少的共存物质干扰。微生物群落分析结果表明,海洋透光层中的微生物群落结构表现出显著的光电响应特征,其中电活性微生物的丰度与光敏物质含量呈显著正相关,表明电活性微生物的分布与光敏物质高效光电转化的区域高度一致。因此,天然光敏物质与电活性微生物之间的光电协同作用,有可能为理解海洋碳、氮等元素的生物地球化学循环提供新的理论视角。

海陆风是由于陆地和海洋热力差异导致的滨海地区一天内风向明显变化的天气现象,是滨海地区最为显著的区域大气中尺度环流过程之一。海陆风环流的强度、结构对滨海地区的大气边界层高度、大气化学过程、空气质量和辐射平衡等均有影响。作为影响海陆风环流的直接热力条件,海洋表面温度的日变化受太阳辐射、海洋热容量、风速、云量等多种因素综合影响,其对滨海地区海陆风发生发展的影响仍不明确。本研究利用高分辨率海表温度模拟数据结合中尺度天气研究与预报模型(WRF),分析了中国近海典型海域海表温度日变化的特征及其对海陆风的影响机制。研究结果表明:我国近海地区平均海表温度呈现出从南向北递减的趋势,渤海海域年均海温最低,为10.78 ℃,东海海域年均海表温度较渤海海域高94.6%,南海海域的年均海温最高,为25.19 ℃。渤海海域海温日变化的年内波动最大,可达0.55 ℃,最低仅为0.03 ℃,均值为0.25 ℃。东海海域海温日变化波动幅度适中,年均日温差为0.20 ℃,研究期间涉及的最高海温日变化幅度为0.45 ℃,约为渤海海域极值的82.0%,高出南海海域33%以上。通过考虑海温日变化的情景与以往模式海温恒定不变的假设情景对比发现,海温日变化可导致我国近海典型海域海陆风日数量增加,南海滨海地区年海陆风日数量增加了14天,涨幅为56.0%;渤海北部滨海地区年海陆风日数量增长了7天,涨幅为20.0%。从季节来看,海温日变化增加可导致冬季海陆风日数量增多,夏季海陆风日数量减少,对春秋两季的影响不大,从而导致我国沿海地区海陆风日季节差异减小。

红壤在我国农业及经济社会可持续发展中占有重要地位。红壤关键带实质上是红壤区域自然和人为共同作用下由水-土-气-生-岩构成的地球表层系统。本文综述了红壤的酸化现状、红壤关键带中质子(H⁺)产生和消耗的过程与机制,以及这些过程所产生的生态环境效应。从关键带的视角,碳循环是土壤自然酸化过程中H⁺的主要来源。大气酸沉降(H⁺、氮、硫)和植物因生长对盐基离子(K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺)的净吸收而产生的H⁺是自然生态系统下红壤中H⁺的主要来源,但化学氮肥施用带来的氮转化过程产生的H⁺和植物收获带走的盐基离子是农田生态系统中红壤酸化加剧的主导因素。氮在土壤中的转化过程和H⁺产生过程复杂,采用氮和氧双同位素的方法,可以定量化水体中硝态氮($\mathrm{NO}_3^{-}\mathrm{-N}$)的来源,从而定量不同来源氮对土壤中H⁺的贡献。矿物风化、阳离子交换、铁铝氧化物缓冲、硫酸根专性吸附和有机质的酸缓冲等均是红壤中存在的重要酸缓冲机制。这些过程交织在一起,不易量化单独的缓冲过程,难以准确定量红壤的酸化速率。借助矿物风化释放的盐基离子与硅的化学计量关系,可以解析不同风化程度的红壤地区H⁺用于硅酸盐风化和盐基交换的比例,从而更好地理解不同风化程度红壤对H⁺缓冲路径的差异。酸化不仅会改变土壤自身的物理和化学特性、活化重金属元素、引起铝毒等,还影响土壤中的微生物和植物生长,氮转化带来的$\mathrm{NO}_3^{-}\mathrm{-N}$迁移和深部累积会对地下水污染带来潜在的风险。质子的消耗过程可以缓解H⁺产生所带来的生态危害。红壤区径流水保持中性,说明土壤消耗了所有输入的H⁺,目前依然具有一定的酸缓冲能力。针对以上红壤关键带的H⁺产生和消耗的研究现状,本文提出了对未来的研究展望,探讨了红壤关键带需要进一步深入探索的相关科学问题。

作为一类新污染物,环境中微塑料威胁生态安全和人类健康。微生物降解技术因其经济高效、环境友好的特质而备受关注。近些年来,生物膜、酶工程、基因调控等技术在微塑料微生物降解研究中取得重要进展。生物膜降解微塑料的过程通常包括改变表面特性、浸出添加剂、酶或自由基攻击、渗透分解等阶段。细胞外酶可裂解微塑料的大分子结构,细胞内酶则可改变底物结构并处理代谢产物,两者协同作用构建高效酶系统已成为当前研究的重点之一。基于基因工程技术,以往已培育了多种工程菌株,通过生物信息学挖掘功能基因、解析代谢途径,并结合宏基因组修饰技术,显著提升了微塑料的降解效率。本文综述了微生物降解微塑料的最新研究进展,剖析了微塑料降解功能微生物的物种多样性、降解代谢途径及其机制等。已有研究表明,细菌、真菌和微藻等多种微生物皆具备降解微塑料的能力,其中复合菌群的协同作用尤为显著。细菌主要通过分泌水解酶和氧化酶,切断大分子链或改变塑料化学结构来降解微塑料;真菌则依靠分泌细胞内、外酶及生物表面活性剂,将微塑料分解为单体,菌丝还能增强作用效果;微藻可借助光合作用,分泌毒素、酶以及胞外聚合物促进降解。微塑料的降解通常经历生物劣化、碎片化、同化及矿化四个阶段,不同微生物对聚乙烯、聚苯乙烯等各类微塑料降解效率及机制存在差异。本综述为深入探究微塑料微生物降解原理、进一步发展微生物降解微塑料的方法和技术提供了依据。

船舶排放SO₂在海洋大气中形成的硫酸盐气溶胶(PSO₄)可通过气溶胶辐射效应对气候产生显著影响,主要通过直接辐射效应(DRE)和间接辐射效应(IRE)对地球系统产生净冷却效应。本文利用地球系统模式和全球船舶排放清单,研究了在现行的全球0.5%燃料含硫量法规(0.5% S)控制下,以及将部分管控区的0.1%含硫量规定推行至全球的情景下(0.1% S),船舶源PSO₄及其辐射效应的变化。结果表明:0.5% S控制下船舶源PSO₄浓度全球均值为(58.2±6.5) μg·m^-2,产生(-10.4±1.6) mW·m^-2的DRE。IRE是船舶源PSO₄辐射效应的主要部分,0.5% S控制下船舶源PSO₄的IRE约为(-64.7±40.5) mW·m^-2。航线上的船舶源PSO₄浓度平均约为200 μg·m^-2,辐射效应可达-600 mW·m^-2。相比于现行0.5% S法规,在0.1% S情景下,船舶源PSO₄浓度减小了约80%。而从辐射效应来看,全球平均DRE下降至(-2.1±0.4) mW·m^-2,IRE则下降至(-15.2±11.2) mW·m^-2,总辐射效应减弱77%。船舶源PSO₄的辐射效应时空分布很不均匀。在全球范围内,总辐射效应在北半球,尤其是船舶航线密集的北大西洋、北太平洋以及北印度洋的沿岸最大,可达约-350 mW·m^-2。南北半球辐射效应最强的季节均为各自半球的夏季。全球平均水平表明,北半球夏季时船舶源PSO₄的总辐射效应最强(-34.9 mW·m^-2),部分区域可接近-1 200 mW·m^-2;北半球冬季最弱,仅为夏季的不到四分之一。在全球使用更清洁的船舶燃料在减少大气污染的同时也将大幅减弱船舶源PSO₄的制冷辐射效应。