清華新聞網(wǎng)12月9日電 近日，清華-伯克利深圳學(xué)院（TBSI）張錫輝教授課題組發(fā)文在學(xué)界首次從磷化氫角度系統(tǒng)解析自然界磷循環(huán)現(xiàn)象，清晰地揭示了磷化氫在全球生態(tài)調(diào)控中的重要作用。
自然界磷循環(huán)
現(xiàn)代化的人類(lèi)生活方式已經(jīng)嚴(yán)重影響地球大氣環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致氣候極端變化。因此，從科學(xué)層面揭示現(xiàn)代文明社會(huì)對(duì)全球氣候影響的作用機(jī)制，重新審視并調(diào)整人類(lèi)與自然之間的相處行為模式，才能使人類(lèi)走向生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)。
該論文揭示了磷化氫在全球生態(tài)和大氣系統(tǒng)中循環(huán)調(diào)控的動(dòng)力學(xué)方式，以及大型水利工程對(duì)磷循環(huán)的深遠(yuǎn)影響，并指出了目前污水處理廠(chǎng)的現(xiàn)有除磷技術(shù)對(duì)磷資源不合理的回收利用問(wèn)題，從技術(shù)上將污水中更多的磷轉(zhuǎn)化為磷化氫，從而促進(jìn)全球磷循環(huán)的可持續(xù)發(fā)展。
自1988年在污水處理廠(chǎng)污水中檢測(cè)到磷化氫以來(lái)，世界各地的學(xué)者進(jìn)行了大量包括陸地、海洋、極地、城市等環(huán)境的調(diào)查研究，研究結(jié)果表明磷化氫在自然環(huán)境中普遍存在。城市和人口稠密地區(qū)的磷化氫濃度高于農(nóng)村地區(qū)的磷化氫濃度，甚至在南北極的空氣樣本中也發(fā)現(xiàn)了出乎意料的高濃度磷化氫。磷元素以氣態(tài)磷化氫（PH3）方式參與全球循環(huán)，因此參與全球生態(tài)體系中磷的調(diào)控，是影響全球氣候變化的重要因素，是全球生態(tài)系統(tǒng)生存和演化的重要驅(qū)動(dòng)力。
世界各地氣體磷化氫的濃度分布
在鮮活的生命體或自然生態(tài)系統(tǒng)中，磷元素通常以磷酸鹽方式存在，積極參與生物和生態(tài)代謝過(guò)程。但是，當(dāng)生命體死亡或生態(tài)系統(tǒng)衰落，有機(jī)體腐爛，產(chǎn)生厭氧環(huán)境，厭氧細(xì)菌則利用腐爛的有機(jī)體作為電子供體，將磷酸鹽還原為磷化氫氣體，使得磷元素能夠逃離原有的環(huán)境，進(jìn)入大氣環(huán)境。在大氣層，僅有約10%的磷以磷化氫的形式存在，絕大部分磷化氫在陽(yáng)光、溫度和雷電作用下，被氧氣氧化成為氧化磷顆粒，并能夠溶解到高空中的水汽團(tuán)中，隨著大氣環(huán)境遠(yuǎn)距離漂移，繼而以雨水方式重新降落地面，澆灌植物，重新進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)和生命體。
大型水利工程和大規(guī)模水資源調(diào)配項(xiàng)目對(duì)磷化氫遠(yuǎn)距離遷移有著重大的影響。據(jù)報(bào)道，三峽水庫(kù)工程建成投入使用以后，中國(guó)西北部的戈壁沙漠正在逐漸變綠。論文作者推測(cè)其原因可能類(lèi)似于太湖中磷化氫遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，大量有機(jī)物沉積在三峽水庫(kù)底泥中，其中磷元素被厭氧細(xì)菌還原為磷化氫，以氣體形式“逃逸”到水庫(kù)上空水汽團(tuán)中，并攜帶磷化氫、氧化磷和植物種子等，一并運(yùn)移到西北地區(qū)，促進(jìn)了我國(guó)西北高原地區(qū)逐漸復(fù)綠。
在現(xiàn)代城市中，城市污水處理廠(chǎng)通常是將磷酸鹽轉(zhuǎn)移到活性污泥微生物細(xì)胞中，然后以污泥的形式進(jìn)行焚燒發(fā)電。這種工藝技術(shù)雖然能夠回收能源，但是將磷酸鹽以粉塵和殘?jiān)绞竭z留在垃圾焚燒廠(chǎng)附近的地表，阻礙了磷元素進(jìn)入大氣循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)重影響了磷資源的全球循環(huán)，從而破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的繁衍進(jìn)化。該研究指出，傳統(tǒng)城市污水處理廠(chǎng)工藝技術(shù)迫切需要改進(jìn)，即將有機(jī)污染物、總氮和總磷轉(zhuǎn)為二氧化碳、氮?dú)狻⒘谆瘹涞葰鈶B(tài)物質(zhì)，使磷重新回到自然界中，使污水處理廠(chǎng)成為全球磷循環(huán)和全球生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一部分。同時(shí)，運(yùn)用新的污水處理工藝技術(shù)還可以大幅度減少污泥產(chǎn)生量，節(jié)省投資和運(yùn)行成本，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
上述研究成果以題為“基于磷化氫的全球生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)動(dòng)力學(xué)分析”（Global Phosphorus Dynamics in terms of Phosphine）的論文發(fā)布在《自然》（Nature）合作期刊《npj-氣候與大氣科學(xué)》(npj Climate and Atmospheric Science)上。
本論文第一作者為清華-伯克利深圳學(xué)院博士后付宛宜，論文通訊作者為張錫輝教授。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41612-020-00154-7
供稿：清華-伯克利深圳學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
