学院新闻

NEWS

TBSI张锡辉课题组在《npj-气候与大气科学》发文提出基于磷化氢的全球生态系统磷循环动力学作用机制

December 08 2020

2020年12月,清华-伯克利深圳学院(TBSI)张锡辉教授课题组在《自然》(Nature)合作期刊《npj-气候与大气科学(npj Climate and Atmospheric Science)上发表了题为《基于磷化氢的全球生态系统磷循环动力学分析》(Global Phosphorus Dynamics in terms of Phosphine)的论文,在世界上首次从磷化氢角度系统解析自然界磷循环现象,清晰地揭示了磷化氢在全球生态调控中的重要作用。

现代化的人类生活方式已经严重影响地球大气环境和生态系统,导致气候极端变化。因此,从科学层面揭示现代文明社会对全球气候影响的作用机制,重新审视并调整人类与自然之间的相处行为模式,才能使人类走向生态文明和可持续发展的未来。

该论文揭示了磷化氢在全球生态和大气系统中循环调控的动力学方式,以及大型水利工程对磷循环的深远影响。并指出了目前污水处理厂的现有除磷技术对磷资源不合理的回收利用问题,从技术上将污水中更多的磷转化为磷化氢,从而促进全球磷循环的可持续性发展。

1988年在污水厂污水中检测到磷化氢以来,世界各地的学者进行了大量包括陆地、海洋、极地、城市等环境的调查研究,研究结果表明磷化氢在自然环境中普遍存在。城市和人口稠密地区的磷化氢浓度高于农村地区的磷化氢浓度,甚至在南北极的空气样本中也发现了出乎意料的高浓度磷化氢。磷元素以气态磷化氢(PH3)方式参与全球循环,因此参与全球生态体系中磷的调控,是影响全球气候变化的重要因素,是全球生态系统生存和演化的重要驱动力。


图为世界各地气体磷化氢的浓度分布

在鲜活的生命体或自然生态系统中,磷元素通常以磷酸盐方式存在,积极参与生物和生态代谢过程。但是,当生命体死亡或生态系统衰落,有机体腐烂,产生厌氧环境,厌氧细菌则利用腐烂的有机体作为电子供体,将磷酸盐还原为磷化氢气体,使得磷元素能够逃离原有的环境,进入大气环境。在大气层,仅有约10%的磷以磷化氢的形式存在,绝大部分磷化氢在阳光、温度和雷电作用下,被氧气氧化成为氧化磷颗粒,并能够溶解到高空中的水汽团中,随着大气环境远距离漂移,继而以雨水方式重新降落地面,浇灌植物,重新进入生态系统和生命体。

大型水利工程和大规模水资源调配项目对磷化氢远距离迁移有着重大的影响。据报道,三峡水库工程建成投入使用以后,中国西北部的戈壁沙漠正在逐渐变绿。论文作者推测其原因可能类似于太湖中磷化氢迁移转化过程,大量有机物沉积在三峡水库底泥中,其中磷元素被厌氧细菌还原为磷化氢,以气体形式“逃逸”到水库上空水汽团中,并携带磷化氢、氧化磷和植物种子等,一并运移到西北地区,促进了我国西北高原地区逐渐复绿。

在现代城市中,城市污水处理厂通常是将磷酸盐转移到活性污泥微生物细胞中,然后以污泥的形式进行焚烧发电。这种工艺技术虽然能够回收能源,但是将磷酸盐以粉尘和残渣方式遗留在垃圾焚烧厂附近的地表,阻碍了磷元素进入大气循环和生态系统,严重影响了磷资源的全球循环,从而破坏了自然生态系统的繁衍进化。该论文指出,传统城市污水处理厂工艺技术迫切需要改进,即将有机污染物、总氮和总磷转为二氧化碳、氮气、磷化氢等气态物质,使磷重新回到自然界中,使污水厂成为全球磷循环和全球生态网络的一部分。同时,运用新的污水处理工艺技术还可以大幅度减少污泥产生量,节省投资和运行成本,产生良好的社会效益和经济效益。

本论文第一作者为清华-伯克利深圳学院博士后付宛宜,论文通讯作者为张锡辉教授。

原文链接:

Fu, W., Zhang, X. Global phosphorus dynamics in terms of phosphine. npj Clim Atmos Sci 3, 51 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41612-020-00154-7

编辑:叶思佳