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全球气候变暖

如何影响极寒之巅的青藏高原？

累积千年的冻土

封存了哪些不为人知的污染物？

 

复旦大学环境科学与工程系

王梓萌教授团队

与国内外学者合作

首次发现藏于青藏高原冻土中

卤代有机化合物的详细清单

为应对气候变化作出针对性预警

 

成果于2023年发表在

Nature Geoscience

为复旦首次在该期刊领衔发表论文

入选2023年复旦“十大科技进展”

 

 

 

老方法、新应用

 

“解锁”青藏高原冻土污染物

 

 

在大众的眼中，被称为“地球第三极”的青藏高原，是远离污染的圣洁之地。从另一个角度看，高寒环境又是全球污染物的归宿。气候变暖造成的冰川冻土融化，到底会引发哪些连锁反应和生态风险？历时三年研究，王梓萌团队给出了他们的重要发现。

 

通过分析青藏高原冻土样本，王梓萌团队首次列出了冻土中的卤代有机化合物的详细清单——23个样品中共鉴定出270多种卤代有机化合物，平均浓度高达310000ng/g，其中180,000 ng/g可能是自然来源。

 

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解锁青藏高原冻土中“冬眠”的卤代有机物

 

所谓卤代有机化合物，即含有卤素（比如氯、溴、碘原子）的有机化合物，具有一定毒性，如果挥发到大气中，可能会破坏臭氧层或者产生其他气候效应。令人惊讶的是，团队发现，冻土中的卤代有机物的结合残留态占总量99%以上，远超其他常温环境的土壤和沉积物，这更新了学界既往对高寒环境卤代有机化合物形态含量的认识。
 

 

“传统的溶解萃取方法测得的含量只是真实总量的冰山一角。”王梓萌表示。

 

不仅如此，这些冻土中85%的结合残留态是物理封存的，它们有更高的释放潜力。这就意味着伴随全球气候变暖，这些未曾被发现的“冬眠”污染物，很可能伴随冻土融化而渐渐“苏醒”，成为气候变化的威胁因素之一。这也为我国气候变化应对、新污染物治理和冰冻圈生物地球化学研究开辟了新的前沿方向。

 

这一新的发现，离不开研究方法的创新。不同于传统的溶剂提取方法，本项研究着眼于冻土样本极端环境、低生物活性、长时间积累的特殊性质，“对症下药”采用了分步化学处理方法，对冻土中的结合残留态物质进行了逐级分析。

 

王梓萌打了个比方：“土壤有机质大分子和里面包含的化合物，就像皮和毛的关系，传统溶剂萃取方法就像拿个小刷子刷，可能刷下来一些毛，但数量远远不够。我们的方法是用剪刀把这些毛剪下来，可以分析得更彻底。”

 

谈及本项工作中用到的化学处理方法，王梓萌特别提到前辈学者的贡献：“傅家谟先生等老一辈地球化学家在石油勘探行业中就引入了有机地球化学的方法，拿到地层样品后，会用分步化学提取分析方法研究里面的生物标志物，来判断地下有没有石油。”

 

然而，用有机地球化学老方法的“旧瓶”装冻土和气候变化研究的“新酒”，既需要耐性，也需要勇气。“这个提取方法非常繁琐，近些年针对常温土壤样品的研究也没有很重大的发现，这个方向也冷了下来。没想到，我们在最冷的冰点挖出了热点。”王梓萌依然记得，当质谱仪的第一针打进冻土提取的样品，出来的谱图就给了全组一个巨大的惊喜。

 

“皮之不存，毛将焉附。”王梓萌继续用“皮”和“毛”的关系，介绍这项工作在气候变化背景下的意义。土壤有机质结构一旦破坏，其封存的污染物就可能脱落下来。“气候变暖先让冻土中的微生物醒过来，他们的呼吸和代谢会消耗土壤有机质，通过一系列的连锁反应，沉睡千年的化学物质也会随之苏醒。”

 

 

 

交叉合作共赢

 

创新探究水土界面的奥秘

 

 

实际上，王梓萌并非专门研究冰冻圈出身，他的兴趣覆盖了各种水土界面体系，执着于对过程进行精细解构，解锁其中的“黑箱”。“首先，我们需要用科研直觉去找到关键的锁，很多时候还要去其他学科借钥匙。”

 

在江湾校区林太珏环境楼，由他建立的“水土界面过程实验室”，货架上的一排排试管和密封瓶中，收藏了来自天南海北的水土样品，有的来自农田、有的来自污染场地、还有的来自热泉……这些样本，有的是团队自主采集，有的则来自合作单位。

 

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复旦水土界面过程实验室一角

 

能拿到兼具代表性和独特性的样品，是做环境地球化学研究成功的基础。冻土“冬眠”污染物研究的开端，就源自于中国科学院西北生态环境资源研究院分享的一批冻土样品。“很感谢他们的信任，做出重要发现也是一个意外惊喜。我们还在进一步合作。”王梓萌笑着说。

 

环境地球科学本身具有多学科交叉的性质。合作共赢，向各领域的专家学习，是王梓萌团队一以贯之的原则。德国亚琛工大的Jan Schwarzbauer教授对于土壤结合残留态的分析方法有数十年的研究经验，论文的第一作者朱晓婧在德国学习期间掌握了这一套分析方法，为本次项目的顺利推进提供了关键的技术支持。团队还争取到了中科院青藏高原研究所、广州地球化学研究所、南京大学、美国麻省大学等单位和院校的合作与帮助。

 

此前，他领衔的产甲烷微生物功能验证的相关研究，同样是与中国科学技术大学环境系的青年学者花正双教授组建跨学科攻关团队，融合环境生物地球化学实验技术与生物信息学产出的成果。该研究于2023年发表于Science Advances。

 

对王梓萌而言，跨学科的合作不仅带来了丰硕的学术成果，也是更新学术思维和方法的契机。“这对于双方而言都是学习机会，比如说在和花正双教授的合作里，我们学习到了生物信息学的研究理念和方法，后续在研究中遇到微生物参与的相关内容，就可以有更多的思路。”

 

下一步，王梓萌计划从土壤有机碳的角度切入，将冰冻圈土壤与东部农田土壤进行对比研究，更全面地分析土壤环境质量对气候变化的反馈。他也正与环境健康和高分子科学系的团队合作，在将研究目光投向塑料等新污染物。此外，他也招募、培养了多位在人工智能、物联网等新兴前沿方向探索的团队成员，将AI4S（AI for Science）的思路引入水土界面过程的研究。

 

 

 

重回母校开拓新方向

 

为环境学科做出新贡献

 

 

近年来，国家高度重视生态环境治理。王梓萌多年来的研究，与生态环境保护的大政方针高度契合。

 

2005年，作为复旦新百年的第一届本科新生，他迈入了环境科学的大门，通过“望道学者”等项目的历练，确立了今后的研究志向。他在美国圣路易斯华盛顿大学读博士，在斯坦福大学做博士后，并在路易斯安那州立大学任助理教授，在海外一共学习、工作9年。

 

2018年，我国宣告全面打响“蓝天”、“碧水”、“净土”三大保卫战。“坚决打赢”，“着力打好”，“扎实推进”，这三大战役的微妙措辞展现了我国生态环境事业的发展进程和历史机遇。国家对于土壤环境研究和治理的重大需求日益凸显，复旦的环境学科布局也适时将土壤确立为新兴发展方向，急需相关领域的领军人才。

 

这一年，32岁的王梓萌辞去国外教职，回到母校工作，毅然扛起了这一重任。回国后他已两度获得国际学会颁发的青年科学家奖，担任了国际地球化学协会会刊Applied Geochemistry的首位亚洲主编，主持科技部重点研发课题，并支持团队青年教师先后入选了上海市和国家级青年人才计划。团队步履坚实，为提升复旦的学科影响而努力着。

 

“如今回国已六年，我们的工作终于迎来了一点突破，步子可以稍微再迈得大一些了。”王梓萌感慨道。这一支从年龄上看起来依然年轻的团队，已悄然展现出了经历磨砺后的稳健和从容。

 

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团队成员合影

 

而在王梓萌看来，自己的工作不只是产出科研成果，还包括培养人才和服务学科。作为“仲英青年学者”他也热心科普和公益服务，将自己的科研成果和学术任职在更广的群体中产生影响力，先后获得上海市优秀科普作品和全国百强学术公众号等荣誉。
 

 

“以复旦为平台，以学科为舞台，可以认识志趣相投的朋友，一起做些卓越而有趣的事。”王梓萌在办公众号的过程中认识了一位95后登山摄影家马春林，他运用“计算摄影学”拍摄珠峰，颇有名气。当得知王梓萌要在复旦119周年校庆的“十大科技进展”专场报告会上汇报有关青藏高原的研究成果，马春林送给了王梓萌一张尚未发布的珠峰作品。通过周密的地理、天文、气象计算，在稀薄的空气中操作高难度无人机飞行，第一次拍摄到“日月光华”同时出现在珠峰北坡的画面。 

 

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“十大科技进展”校庆专场报告会上分享了这张照片，献礼母校119周岁生日。（马春林摄影供图）

 

回望来路，王梓萌最为感恩的，莫过于复旦自由包容、鼓励创新的学术氛围，让他与青年学者们拥有充足的发展空间。“感谢学校为我们提供各种各样的平台与资源，明年就是自己成为复旦人的20周年，希望未来能为复旦的环境地球科学做出更大贡献。”他期待地说。

 

研究得到国家自然科学基金、中科院西北生态环境与资源研究院开放基金、青藏高原二次科考项目、 “一带一路”国际科学组织联盟等资助，并在启动阶段得到了复旦大学的校内支持。第一作者和第一通讯单位均为复旦环境系，博士后朱晓婧、硕士生杨帆、本科生李臻为论文的前三位作者，系内其他共同作者还包括陈建民教授、王琳教授、方明亮教授等。​​​​