科研進展
  • Accounts of Materials Research | 編程設計細菌生物被膜發展工程活材料
    文章討論了基于細菌生物被膜的新興工程活材料領域重要進展,并對該類材料的未來發展及挑戰應對提出新的觀點和思考。6月15日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所鐘超團隊在國際知名學術期刊Accounts of Materials Research上,在線發表了特邀綜述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”,并入選Accounts of Materials Research雜志內頁封面文章。文章上線截圖文章討論了基于細菌生物被膜的新興工程活材料領域重要進展,并對該類材料的未來發展及挑戰應對提出新的觀點和思考。為適應動蕩的生存環境,細菌等微生物通常會分泌基于蛋白纖維(如大腸桿菌curli纖維)或多糖(如醋酸桿菌的細菌纖維素)的胞外基質將其包裹,形成一種非游離狀態的細菌-胞外基質聚合體,稱為生物被膜。細菌生物被膜展現出的極高的穩定性、抗逆性以及組分功能的可編程性,在合成生物學與材料科學的交匯處,細菌生物被膜正被作為一種經濟便捷的設計平臺,創造能夠重現自然材料“生命”動態屬性的工程化活材料(ELMs)。目前開發的活性生物被膜材料在建筑、醫療、能源和環境等領域均展現出廣闊應用前景(圖1)。圖1 配圖入選Accounts of Materials Research雜志內頁封面(畫師:尹中川)在這篇文章中,作者們凝練了天然生物材料的6大活體動態特征:自生長、自組裝、自修復、環境適應、自我重塑以及可進化。以這些特征作為自然仿生程度的評價標準,目前開發的生物被膜活材料可劃分為三大類別:自組裝活材料、環境響應型活材料,以及活體復合材料(圖2)。自組裝活材料主要利用細菌所分泌的可自組裝的蛋白或多糖類胞外基質,通過基因改造其單體組分定制生物被膜的功能。比如將病毒粘附多肽C5與curli蛋白重組,編程設計的生物被膜具備了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。環境響應型活材料是指在微生物遺傳物質中引入人工設計的傳感線路,從而賦予生物被膜材料動態響應外部環境變化的能力。例如編碼可感知血液或硫代硫酸鹽傳感線路的益生菌活材料可應用于在腸道精準定位炎癥病灶并主動發揮止血消炎作用?;铙w復合材料則是將基因改造的生物被膜與非活性或人工合成物質結合,融合生物被膜的活體特征和合成材料的優異特性。典型的應用包括雜合無機半導體顆粒的生物被膜用于光合固碳或產氫以及利用可生物礦化的工程生物被膜批量生產環保磚等可持續應用。圖2 基于細菌生物被膜的三類工程活材料:①自組裝活材料;②環境響應型活材料;③活體復合材料結構與功能從簡單到復雜,自組裝活材料、環境響應型活材料,以及活體復合材料三類材料的發展循序漸進、逐級過渡:自組裝活材料是基礎,其保留了生物被膜自生長、自組裝和自修復的活體特征;進一步基因傳感線路的整合,誕生的響應型活材料則具備感知與響應特定外部環境信號的能力;活體復合材料則是在前兩類材料基礎上,結合非活性功能成分,增強活材料的重塑性并拓寬材料的應用范圍。文章詳細介紹了這三類基于生物被膜的活材料,突出了它們各自的設計策略和重要應用。此外,針對基于生物被膜活材料的應用挑戰,文章對如何進一步提升材料性能以及如何促使活材料實現現實世界應用提出新的見解。中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所鐘超研究員與安柏霖副研究員為共同通訊作者,王艷怡副研究員及博士后張倩為共同第一作者??蒲兄砀鸩?、劉雨竹,上??萍即髮W教授鄭宜君、博士后蔣曉宇、碩士研究生陳邵杰,以及哈佛大學Wyss研究所博后唐子杰等對本文撰寫也做出重要貢獻。該工作獲得了包括國家重點研發計劃、國家杰出青年自然科學基金、國家自然科學基金聯合項目、深圳市材料合成生物學重點實驗室等項目的支持。<!--!doctype-->
    2024-06-19
  • Engineering | 器官生物打印在再生醫學領域的最新進展
    文章詳細探討了器官生物打印在再生醫學領域的最新進展,并對該領域的未來發展及面臨的挑戰提出了新的見解和思考。近日,中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員于寅團隊在國際知名學術期刊中國工程院院刊《Engineering》上發表了特邀綜述文章“Progress in Organ Bioprinting for Regenerative Medicine”。文章詳細探討了器官生物打印在再生醫學領域的最新進展,并對該領域的未來發展及面臨的挑戰提出了新的見解和思考。?https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.023?器官損傷或衰竭由于受傷、疾病和衰老而常常發生,人體在大多數組織或器官中的再生能力有限。器官移植是面對器官衰竭或嚴重組織損傷的重要醫療手段,但卻面臨著供體短缺和免疫排斥風險等重大挑戰。因此,創新的解決方案變得至關重要。在這種背景下,按需3D生物打印器官在組織工程和再生醫學領域展現出巨大潛力。圖1 3D打印實體器官示意圖。??器官生物打印是一種利用3D打印技術來制造生物組織和器官的創新方法。它通過將活細胞作為“墨水”進行打印,精確地將這些細胞組裝成具有功能性的三維結構。這項技術被寄予厚望,認為可以有效解決器官移植中的供體短缺問題,同時避免移植排斥反應和長時間等待帶來的困擾。?文章詳細介紹了器官生物打印技術的多方面進展,包括但不限于生物材料的發展、打印精度的提升以及功能性組織的成功構建。研究團隊指出,生物打印在小型組織如皮膚、軟骨、血管等的制造上已表現出良好的前景,這些成功案例為日后的復雜器官打印提供了寶貴的經驗和數據支持。?盡管取得了顯著的進展,器官生物打印技術在應用中依然面臨諸多挑戰。首先是生物材料的選擇和優化,如何找到既有良好生物相容性又能承受打印工藝的材料是目前的難點之一。其次,打印精度的進一步提高也是一個重要問題,特別是在構建復雜的微結構和血管網絡方面。此外,如何確保打印出的組織和器官能夠在體內正常發揮功能,仍需要大量的實驗和測試。文章接著討論了心臟、肝臟、腎臟和胰腺等實體器官生物打印的最新進展,強調了血管化和細胞整合的重要性。最后,文章對器官生物打印在臨床轉化和大規模生產方面面臨的主要挑戰進行了深入探討,并提出了未來研究方向。?文章進一步強調了多學科合作在這一領域中的關鍵作用。器官生物打印不僅僅是工程技術的突破,還涉及材料科學、生物學、醫學等多個學科的密切協作。研究團隊呼吁更多的科研機構和企業加入這一行列,共同推動技術朝著臨床應用方向發展。?展望未來,器官生物打印將在再生醫學、個性化治療以及藥物篩選等多個領域展現出廣闊的應用前景。例如,工程化的生物打印器官不僅可以精確模擬器官的解剖結構,還具備功能性,為各種研究提供了重要平臺。文章提出了如何進一步提高材料性能和如何促使這些工程化器官在實際應用中實現廣泛應用的新見解。這些新見解將有助于解決當前器官短缺和移植排斥等重大醫療挑戰,推動再生醫學領域的發展。?圖2. 生物打印的組織和器官的臨床轉化路徑和倫理學考量。?中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所副研究員于寅與副研究員陳飛,賓夕法尼亞州立大學教授Ibrahim T. Ozbolat為本文的共同通訊作者,研究助理王象以及張迪為共同第一作者,技術員賴嘉琪、鄧國滔,賓夕法尼亞州立大學Yogendra?Pratap Singh和Miji?Yeo等對本文撰寫也做出重要貢獻。工作獲得了包括國家自然科學基金面上項目、深圳市科技重大專項、深圳市材料合成生物學重點實驗室等項目的支持。<!--!doctype-->
    2024-06-19
  • 華南植物園“一種甘薯曲葉病毒侵染性克隆的構建方法及甘薯高效簡易的侵染方法”獲發明專利
    ????6月17日獲悉,由中國科學院華南植物園鄧書林等科研人員完成的“一種甘薯曲葉病毒侵染性克隆的構建方法及甘薯高效簡易的侵染方法”獲國家發明專利授權。????該發明公開了一種甘薯曲葉病毒侵染性克隆的構建方法及甘薯高效簡易的侵染方法,是將1.01個重復的甘薯曲葉病毒基因組序列插入到雙元載體中,得到甘薯曲葉病毒侵染性克隆。該發明提供了一種解決甘薯曲葉病毒接種天然宿主甘薯侵染率低的方法。通過發病癥狀的觀察和PCR的檢測,該發明成功將甘薯曲葉病毒的對不同品種甘薯接種率均提高到了100%。另外,該發明所提供的方法不僅高效,而且操作簡易,可以實現大規模的接種及篩選,能為后續篩選抗性品種及甘薯曲葉病毒與甘薯相互作用的研究提供技術上的有力支持。
    2024-06-17
  • 華南植物園“生態格局分析可視化方法、系統、設備及介質”獲發明專利
    ????6月17日獲悉,由中國科學院華南植物園徐洲鋒等科研人員完成的“生態格局分析可視化方法、系統、設備及介質”獲國家發明專利授權。????該發明公開了一種生態格局分析可視化方法、系統、設備及介質,定義分析任務,根據分析任務選取參與分析的目標數據源和對應的預設的目標地理網格系統;根據分析任務、預設參數和目標數據源從目標地理網格系統中選取對應的目標地理網格單元,將分析任務分解為對應的分解任務,規劃運算流程;從目標數據源中提取對應的運算數據,進行計算得到分析任務的分析結果;選取渲染地理網格層級及與其對應的渲染地理網格單元;根據分析結果對各個渲染地理網格單元進行可視化渲染輸出;該方案能夠將生態格局分析中不同分析任務的數據對齊,使得分析結果能夠進行相互對比和進行分析數據集成。
    2024-06-17
  • 口孵魚類親代撫育行為的遺傳調控機制取得新進展
    近日,由中國科學院南海海洋研究所林強研究員團隊和浙江海洋大學高天翔教授團隊等合作完成的口孵魚類親代撫育行為遺傳調控機制的最新結果以Article形式在線發表在The Innovation Life(《創新生命》)上。中國科學院南海海洋所研究員張艷紅、副研究員王信為本文共同第一作者,研究員林強和教授高天翔為共同通訊作者。親代撫育行為的演化代表了生物個體在適應環境方面的重大突破,其形成機制一直是行為學、進化生態學等領域關注的熱點問題??诜跏怯补囚~類親代撫育的一種特殊形式,然而目前關于口孵魚類親代撫育行為的遺傳調控機制研究甚少。圖1 天竺鯛科魚類實現口孵育兒行為的遺傳基礎本研究以典型口孵魚類細條銀口天竺鯛(Jaydia lineata)為研究對象,對其育兒行為的遺傳基礎進行了探究。首先組裝了該物種染色體水平基因組,通過多物種的分子系統學研究,發現魚類口孵行為最早可追溯到約2.5億年前,而口孵的天竺鯛科魚類的進化分歧時間約為9700萬年前。同時發現魚類繁殖模式多樣化(雌性卵胎生、雄性育兒、卵生)主要集中于魚類物種多樣性爆發的白堊紀,揭示了魚類繁殖性狀與物種多樣性的共同演化,以及口孵行為的多次獨立進化(圖2)。圖2 親代撫育魚類的系統發育特征和繁殖策略大約四分之一的魚類存在親代撫育行為,口孵又是硬骨魚親代撫育的一種特殊形式,至少9科魚類中存在口孵行為。本研究首先選擇具有親代撫育行為(雌性卵胎生、雄性卵胎生、雌性口孵和雄性口孵)的代表性硬骨魚類,通過全基因組水平的趨同進化分析,發現多個基因如rab34,grm2等在親代撫育物種譜系中具有顯著的遺傳趨同信號,這些基因在胚胎發育過程中發揮著重要作用。進一步聚焦于口孵魚類,發現相對于普通卵生魚類而言,口孵魚類的編碼基因普遍表現出較快的進化速率。神經遞質催產素(Oxytocin,魚類中直系同源基因命名為isotocin)被稱為“愛的荷爾蒙”。全基因組趨同分析顯示口孵魚類催產素通路具有明顯的適應性遺傳突變,催產素信號通路相關基因在介導親代撫育行為中發揮至關重要的作用,如CD38、IP3R等不僅存在氨基酸位點趨同變異,同時均受到顯著正選擇。神經肽類物質在調控動物社會行為,如親母行為、親代撫育行為中發揮重要作用。比較轉錄組分析顯示,神經肽及其受體信號通路在天竺鯛雌雄個體間存在顯著差異;與不具備口孵行為的彈涂魚相比,雄性之間也存在明顯差異。圖3 口孵魚類親代撫育行為的遺傳調控機制口孵育兒行為雖增加了后代的存活率,但代價卻是將親本置于饑餓、免疫功能改變的特殊生理狀態。本研究通過比較基因組和轉錄組分析共同揭示了天竺鯛在投資后代和維持自身健康之間的微妙平衡,并且發現了天竺鯛的免疫性別二態性,強調了雄性親本口孵行為對免疫相關基因表達的影響。此外,本研究還發現口腔黏膜不僅特異性表達一些免疫相關基因(如IL-17a,S100A9,chemokine28),且首次證實口腔黏膜有孵化酶基因(hce,hce1-like,hce2-like)表達,揭示了口腔黏膜在保障口腔中胚胎正常發育和免疫防護等方面的獨特生物學功能(圖4)。圖4 細條銀口天竺鯛口腔黏膜的獨特生物學功能及其特異性免疫反應本研究通過揭示魚類育兒行為的遺傳基礎,為我們深入了解魚類進化過程和復雜行為驅動機制提供了寶貴的見解。理解基因變異如何影響行為演化不僅有助于加強了我們對自然界的認識,還對保護生物學等領域具有重要意義。該研究工作得到了國家自然科學基金杰青項目(延續)、國家自然科學基金重點項目、國家重點研發項目等聯合資助。相關論文信息:Mouthbrooding behavior and sexual immune dimorphism in Indian perch Jaydia lineata. https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100066
    2024-06-15
  • 葡萄牙牡蠣四倍體速長新品系選育及產業化推廣應用獲重要進展
    近日,中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室喻子牛研究員團隊,在葡萄牙牡蠣四倍體速生新品系選育及產業化應用方面獲重要進展,研究團隊在應用新型誘導技術成功建立葡萄牙牡蠣四倍體群體后,開展了其持續3代選育,獲得的選育系在生長率、存活率和倍性穩定性方面具有顯著優勢,并應用到了三倍體牡蠣苗種產業上,取得了良好的養殖效果。相關成果發表于國際水產領域專業期刊《Aquaculture》,副研究員秦艷平為論文第一作者,研究員喻子牛和研究員張躍環為并列通訊作者。葡萄牙牡蠣(又稱福建牡蠣)是我國產量最高的牡蠣種類,是福建、廣東和廣西沿海的主要養殖種;但養殖的二倍體因個體較小、品質平庸等導致效益較低。推廣三倍體養殖是解決問題和轉型升級的重要途徑,而四倍體與二倍體雜交是規?;扼w生產的根本方法;因此,四倍體良種直接關系其種業升級發展;團隊通過葡萄牙牡蠣四倍體的連續選育,獲得了優良選育品系。國內外尚無關于葡萄牙牡蠣四倍體持續選育和產業應用的報道。該研究對四倍體進行了持續3代的選育,成功獲得了一個葡萄牙牡蠣四倍體的快速生長新品系,并對相關性狀(生長、存活、性比、倍性組成和優勢率)進行了比較研究。結果表明:(1)選育組的生長率顯著快于未選育組,殼高增長的選擇優勢由第一代(S1)的7.80%提高到第三代(S3)的34.68%;(2)選育代數的增加并未對存活率產生顯著影響,兩個組別沒有顯著性差異;(3)隨著選育代數的增加,選育組中染色體丟失的個體數量逐漸減少,其四倍體倍性更加穩定;(4)選育組保持完全可育,并呈現雄性比例高的特點。隨后,團隊把選育系應用到三倍體的產業化應用上,顯著提高了葡萄牙牡蠣的養殖效益和三倍體良種覆蓋率,在華南沿海獲得了良好的養殖效果,為沿海地區牡蠣種業發展做出了有效貢獻。該成果得到了國家貝類產業技術體系、科技部重點研發計劃、廣東省重點研發計劃、海南省重點研發、福建省科特派項目和廣州市重點研發計劃等項目資助。論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2024.741127圖 1 葡萄牙牡蠣四倍體持續選育3代的生長、存活和全重比較圖 2 葡萄牙牡蠣四倍體及其染色體組型
    2024-06-13
  • P450酶催化糖肽分子內苯酚偶聯反應機制研究取得新進展
    近日,南海海洋所張長生研究員團隊和廈門大學王斌舉教授團隊合作在P450酶催化糖肽分子內苯酚偶聯反應的機制研究方面取得新進展,相關成果“Discovery and Biosynthesis of Cihanmycins Reveal Cytochrome P450-Catalyzed Intramolecular C?O Phenol Coupling Reactions”發表于Journal of the American Chemical Society(《美國化學會志》)。南海海洋所博士方春艷、副研究員張麗萍和廈門大學博士生汪永超為論文共同第一作者,南海海洋所研究員張長生、研究員朱義廣和廈門大學教授王斌舉為共同通訊作者。在化學生物學領域,細胞色素P450酶因其獨特、多樣的催化能力而備受矚目。P450酶催化的分子內C?O和C?C苯酚偶聯反應在天然產物生物合成中扮演著關鍵角色,廣泛存在于糖肽類抗生素如萬古霉素和替考拉寧中。雖然糖肽類抗生素中多個催化分子內苯酚偶聯反應P450酶的功能和晶體結構相繼被解析,但底物復合物結構的缺失導致該類反應的催化機制一直是未解之謎。研究團隊從放線菌Amycolatopsis cihanbeyliensis DSM 45679中發現了C?O連接的新型雙環糖肽類化合物cihanmycins(CHMs,圖1)。CHM A (1)的結構通過X-ray單晶衍射確定為雙環糖肽,包含肉桂?;鶊F和兩個稀有的D-阿拉伯呋喃糖。研究團隊基于生物信息學分析和異源表達實驗,在DSM 45679的基因組中定位了CHM的基因簇,并通過體內基因敲除和體外生化實驗證實了3個P450酶的功能:Cih26負責肉桂?;鶊F的環氧化和羥化,Cih32負責三個氨基酸的羥化,Cih33及其同源蛋白DmlH和EpcH催化分子內C?O苯酚偶聯反應形成CHM的雙環骨架(圖1)。圖1. CHM生物合成中3個P450酶的功能為揭示Cih33及其同源蛋白催化C?O苯酚偶聯反應的機制,研究團隊開展了晶體學研究并解析了DmlH和DmlH?7復合物的晶體結構,首次揭開了分子內C?O苯酚偶聯P450酶與大環肽結合模式的神秘面紗。同時,單環底物7的柔性結構使其NMR信號裂分復雜,難以解析結構,而DmlH?7的結構獲取提供了通過復合物晶體鑒定小分子結構的經典案例。值得注意的是,底物7與DmlH的輔因子血紅素(heme)平面之間有一個水分子,可能在苯酚偶聯反應的攫氫過程中起關鍵作用。為驗證這一推測,研究團隊開展了分子動力學(MD)模擬和量子力學/分子力學(QM/MM)計算,揭示了DmlH催化分子內苯酚偶聯反應由水介導的雙自由基機制(圖2),首次提出了水分子在雙自由基苯酚偶聯反應中的重要作用。圖2. 分子內苯酚偶聯反應由水介導的雙自由基機制(注:“*”為羥化氨基酸,“CM”為肉桂?;鶊F)此外,基于生信分析,從數據庫中挖掘到81個含有Cih33同源蛋白的肽類基因簇。對這些基因簇的P450酶進行系統發育分析,發現催化分子內苯酚偶聯反應的Cih33/DmlH/EpcH和糖肽類抗生素的P450酶都聚集在同一分支,表明該分支中的其他P450酶可能具有相似的功能和機制,編碼這些P450酶的基因簇有望產生新穎的雙環肽類化合物。綜上所述,本研究證實了雙環糖肽類化合物CHM生物合成中3個P450酶的功能,并利用酶學和計算化學等方法首次揭示了DmlH催化分子內苯酚偶聯反應由水介導的雙自由基機制,為深入理解P450酶催化的分子內苯酚偶聯反應提供了新的視角,還為發現和開發更多新穎的雙環肽類化合物奠定了研究基礎,有望為抗生素研發提供更多物質基礎。以上研究工作得到了國家重點研發計劃“合成生物學”重點專項、國家自然科學基金委重大項目、中國科學院王寬誠率先人才計劃、廣東省自然科學基金等項目資助。相關論文信息:Chunyan Fang?,Liping Zhang?,Yongchao Wang?,Weiliang Xiong,Zier Yan,Wenjun Zhang,Qingbo Zhang,Binju Wang*,Yiguang Zhu*,and Changsheng Zhang*. Discovery and Biosynthesis of Cihanmycins Reveal Cytochrome P450-Catalyzed Intramolecular C?O Phenol Coupling Reactions. J. Am. Chem. Soc. 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02841.文章鏈接:https://doi.org/10.1021/jacs.4c02841
    2024-06-11
  • 研究揭示南海次表層渦旋形成的非絕熱強迫機制
    近日,中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室(LTO)經志友團隊,在南海次表層渦旋的形成過程與動力機制研究方面取得新進展。相關研究成果發表在Journal of Physical Oceanography上,博士研究生劉余億為第一作者,研究員經志友為通訊作者。中尺度渦旋蘊含海洋超過90%的動能,是海洋物質能量循環的主要動力載體,同時也是貢獻海-氣相互作用、海洋生態環境變化的關鍵動力過程。不同于表層強化的中尺度渦旋,海洋內部次表層渦旋是一類透鏡狀、低位渦、生命周期較長的特殊渦旋,能夠攜帶源地異常性質水體輸送至數千公里以外的海區,且難以被衛星遙感觀測所識別,關于其形成、演變過程及動力學機制,目前尚缺乏深入系統的科學認識,更無法直接預報。本研究基于高分辨率現場觀測并結合再分析資料和位渦動力學分析,從邊界層位渦通量收支新視角,揭示了南海典型次表層透鏡狀渦旋的形成過程與動力機制。研究結果表明,秋冬季大氣非絕熱強迫驅動的海面浮力損失是次表層渦旋形成的關鍵條件。秋冬季增強的海面浮力損失產生向上的位渦通量,減小反氣旋渦的混合層位渦;次年春季大氣熱強迫驅動的海表升溫,減弱海面浮力損失,逐漸向海表注入位渦,并抬升混合層,從而通過層化封存低位渦水至渦旋內部,最終在地轉調整作用下形成海洋內部的透鏡狀中尺度渦旋。進一步分析表明,南海北部至少20%的反氣旋渦在次年春夏季演變成為次表層透鏡狀渦旋。更重要的是,這些低位渦、透鏡狀次表層渦旋的形成,主要是由秋冬季海面降溫(surface cooling)引起的海表浮力損失和地轉調整所驅動,而非風場強迫(down-front wind forcing)。本研究基于觀測證據揭示了南海次表層透鏡狀渦旋形成的大氣非絕熱強迫新機制,對進一步深入認識和理解衛星遙感難以直接觀測的全球海洋次表層渦旋及其形成機制具有重要科學意義。該研究主要由國家自然科學基金共享航次計劃、國家自然科學基金項目資助完成。圖1 (a)渦旋移動軌跡;(b)航次觀測期間(2021年春季)SST和CTD溫度剖面圖2 南海次表層透鏡狀渦旋形成的非絕熱強迫機制相關論文信息:Yuyi Liu,and Zhiyou Jing* (2024). Intrathermocline eddy with lens-shaped low potential vorticity and diabatic forcing mechanism in the South China Sea. Journal of Physical Oceanography,54(3),929-948.原文鏈接:https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0149.1
    2024-06-12
  • 廣州能源所燃氣熱泵技術通過專業機構檢測
    近日,中國科學院廣州能源研究所研發的燃氣熱泵技術通過了合肥通用機電產品檢測院有限公司的檢測,其中標準工況下的制熱能效(從燃氣熱值算起的一次能效)高達173%。近日,中國科學院廣州能源研究所研發的燃氣熱泵技術通過了合肥通用機電產品檢測院有限公司的檢測,其中標準工況下的制熱能效(從燃氣熱值算起的一次能效)高達173%。目前國際上燃氣熱泵技術主要被日韓企業所壟斷,主要生產商包括松下、大金、三菱重工、洋馬、電裝、愛信和LG等,高峰時年產值達到200億元人民幣。廣州能源所儲能技術研究室馮自平研究員團隊在科技部863計劃、中國科學院STS等項目的支持下,突破了燃氣熱泵多聯機、燃氣熱泵冷熱水機等系列核心技術,實現了燃氣熱泵技術的產業化,為我國建筑能源領域低碳發展提供了創新技術。燃氣熱泵是以燃氣發動機驅動的蒸汽壓縮式熱泵機組,夏季制冷、冬季制熱,可以以天然氣、液化石油氣、甲醇、H2等為燃料。其基本原理是燃氣驅動發動機輸出軸功,帶動開啟式壓縮機,與空氣進行熱交換從而實現高效制冷制熱。在制熱工況下,燃氣熱泵不僅從空氣中吸收了熱量,而且有效回收了發動機的余熱,由此獲得遠高于燃氣鍋爐的能效。與電熱泵技術相比,燃氣熱泵由于可以回收余熱,冬季不易結霜,因此機組制熱能效和供暖的舒適性得到大幅度提高;與此同時,燃氣熱泵通過改變發動機轉速可以實現全變頻運轉,供熱量在環境溫度降低至-12℃時依然不衰減。該技術以遍布城市的管道燃氣為能源,實現了一次能源的高效利用。北方冬季供暖在我國建筑能耗中占有很大比重,僅北京市就有10億平方供暖面積,大部分采用燃氣鍋爐,每年消耗燃氣200億立方,由此給城市能源供應和財政帶來沉重負擔。與此同時,隨著人民生活水平的提高和工農業經濟的飛速發展,城市電力負荷峰谷差越來越大,而空調是造成電力負荷峰谷差的主要設備。燃氣熱泵技術的研發,將為冬季供暖節能和夏季空調節能提供最新技術。冬季以燃氣熱泵代替鍋爐,可以減少40%以上的燃氣消耗;夏季以燃氣熱泵代替電空調,可以降低50%以上的配電容量和高峰用電。因此,燃氣熱泵技術的研發和產業化,將有力推動我國建筑節能和電力負荷峰谷差的削減。在關鍵核心技術突破的同時,廣州能源所長期重視科研成果的產業化。目前,該產品已在多地的寫字樓、賓館和工廠等開展示范應用,項目遍及重慶、北京、西安和杭州等地,獲得了良好的節能效果。以位于北京順義的國家工程中心為例,該項目建筑面積10000平方米,安裝了9臺燃氣熱泵機組。在2023年出現極寒天氣的情況下,11月至次年3月的供暖費用只有10元/平方米,遠低于北京市45元/平方米的工商業集中供暖收費標準。今后,廣州能源所將繼續加大研發力度,全面推進國內國際兩個市場,為我國“雙碳”目標的實現貢獻力量。
    2024-06-12
  • 研究揭示全球俯沖作用如何影響地幔蛇紋石化程度
    近期,中國科學院南海海洋研究所張帆研究員團隊,聯合林間院士、中國科學院海洋研究所研究員高翔、中山大學副教授蔡晨和南方科技大學副教授周志遠,在俯沖板塊地幔蛇紋石化程度控制因素的研究上取得了重要進展,相關成果發表于國際地學期刊《地球與行星科學通訊》(Earth and Planetary Science Letters),副研究員張江陽為第一作者,研究員張帆為通訊作者。俯沖作用是水向地球深處輸送的主要機制,這個過程對板塊構造、俯沖地震活動、弧巖漿作用以及氣候變化等都具有重要影響。大洋巖石圈在海溝附近發生彎曲變形,并形成撓曲正斷層。水沿著正斷層進入板塊深部,引起地幔蛇紋石化。因此,俯沖板塊的地幔蛇紋石化與俯沖作用的水通量有密切的關系。然而目前對俯沖板塊地幔含水量(或地幔蛇紋石化程度)的具體控制因素和機制尚不清楚??蒲腥藛T利用過去二十年全球海溝地區的地震數據,深入探討了板塊年齡、撓曲曲率和沉積物厚度等因素對上地幔頂部地震波速的影響。研究發現,隨著板塊的年齡增長,其撓曲變形區域的應力屈服深度受到限制,而板塊曲率則直接決定這一深度的實際表現。這兩個因素共同決定了俯沖板塊淺部的水平伸展應變量,進而顯著影響了地幔上層的蛇紋石化程度。有趣的是,沉積物厚度較大的地區,地幔的地震波速下降趨勢相對較小,顯示出沉積覆蓋對于地幔蛇紋石化的抑制作用。通過對全球各地海溝的地震波速結構進行詳盡分析,研究結果揭示:俯沖板塊的變形與地幔蛇紋石化程度之間存在著明確的線性相關性。這一發現不僅有助于我們更好地理解板塊構造過程中的水循環動態,也為估算俯沖板塊的含水量提供了新的理論依據。這項研究從板殼力學的基本原理出發,闡明了板塊年齡和曲率對地幔蛇紋石化的控制機理,并揭示了沉積覆蓋作用對地幔蛇紋石化的阻礙效應,對估算俯沖板塊含水量、地幔蛇紋石化程度以及理解俯沖帶水循環過程具有重要意義,為深入研究地球內部環境和氣候變化提供了重要支撐。上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、廣東省人才項目和廣州市科學基金項目等支持。文章信息:Zhang,J.,Zhang F*.,Lin,J.,Gao,X.,Cai,C.,Zhou,Z. (2024). Mantle serpentinization of subducting plate are controlled by combined effect of plate age and bending curvature. Earth and Planetary Science Letters. 640: 118799.原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24002322圖1. (a)本研究中所用的Vp結構剖面的位置;(b)水平伸展應變與Vp降低之間的相關性圖2. 示意圖顯示板齡(厚度)和彎曲曲率對板水化作用的影響機制
    2024-06-05
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