科研进展--中国科学院广州分院

化学风化作用是稀土元素（REE）活化、迁移和富集成矿的关键地质过程。在风化淋积型稀土矿床的形成机制中，稀土元素在化学风化过程中的迁移与富集行为尤为关键。近年来，钕（Nd）及其稳定同位素在表生地球化学过程中的行为引起广泛关注，研究表明其在指示风化过程与矿床成因方面具有重要潜力。然而，花岗岩风化过程中稳定Nd同位素的分馏机制尚不明确，其对风化淋积型稀土矿床形成的指示意义亦有待系统阐释。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所博士后雒恺与马金龙正高级工程师、韦刚健研究员等合作，以广东佛冈花岗岩风化剖面为研究对象，系统分析了全岩及不同化学相态提取物的稳定Nd同位素组成（δ146Nd），揭示了花岗岩风化过程中稳定Nd同位素的分馏行为与机制，并评估了Nd风化通量对稀土成矿过程的影响。文章主要结论如下：（1）全岩样品中Nd含量介于23.4–175 μg之间，Nd迁移率（τNd,Ti）变化范围为-47.3%–787%，表明风化层中Nd总体呈富集状态，仅在表层0–2米有少量浸出（图1）。全岩δ146Nd值介于0.063‰–0.117‰，其中Nd富集层位与δ146Nd峰值区间高度吻合，指示同位素分馏与元素富集之间存在耦合关系（图1）。土壤化学提取物结果显示，可交换相、结晶Fe（氢）氧化物和残余相中Nd含量分别为11.0–36.9 μg、1.67–12.4 μg和0.96–12.5 μg，占比分别为34.2%–66.4%、6.65%–18.8%以及1.69%–38.6%。各提取物的δ146Nd值存在差异：可交换相偏重（-0.039‰–0.061‰）、残余相偏轻（-0.099‰–-0.036‰）、结晶Fe（氢）氧化物与全岩样品相近（-0.079‰–-0.017‰），这一结果表明，不同地球化学相态在Nd同位素分馏中扮演着不同角色。（2）可交换相中富集重Nd同位素，其主要通过阳离子交换与表面外圈络合物吸附于高岭石。而在结晶Fe（氢）氧化物中，轻Nd同位素占主导，其吸附机制涉及结构扭曲与内圈络合作用，反映出不同相态对Nd同位素的选择性吸附是导致同位素分馏的关键过程。（3）基于风化通量定量化计算模型，估算出佛冈花岗岩风化过程中的Nd元素通量为-0.22–0.27 g/cm2/Myr、从而引起的稳定Nd同位素分馏为-0.004–0.002‰（图2）。Nd通量的变化反映了风化过程中元素的淋失与累积动态，正值指示Nd的富集，与稀土成矿过程密切相关。进一步估算表明，富含稀土元素的花岗岩风化形成具经济价值矿床所需时间约为13–70百万年。这一时间范围与华南地区燕山期（侏罗纪–白垩纪）高分异花岗岩的形成时代高度吻合。该期花岗岩以富含稀土矿物为特征，在新近纪温暖湿润气候条件下经历强烈化学风化，促使稀土元素从原生矿物中释放并发生次生富集。因此，燕山期花岗岩不仅提供了成矿物质基础，其特有的地球化学属性（如高稀土含量、易风化矿物组成等）也直接控制了矿床的规模与品质（图3）。本研究系统揭示了花岗岩风化过程中稳定Nd同位素的分馏行为与机制，明确了不同地球化学相态对稳定Nd同位素组成的影响，反映了吸附机制与矿物载体对同位素行为的控制作用。Nd通量分析进一步证实花岗岩风化过程中Nd的富集是形成风化淋积型稀土矿床的关键。该项成果不仅深化了对稀土元素表生地球化学行为的理解，也为风化淋积型稀土矿的成因机制与找矿预测提供了同位素地球化学依据。雒恺为该论文第一作者，马金龙正高级工程师为通讯作者，中国科学院广州地球化学研究所韦刚健研究员为主要合作者。相关成果近期发表于国际知名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。该项研究受到国家重点研发计划的资助。论文信息：Luo,K.（雒恺）,Wang,R.-J.（王日晶），Zhu,G.-H.（朱冠虹），He,X.-Y.（何昕悦），Wei,G.-J.（韦刚健），Ma,J.-L.（马金龙）（2025）. Granite weathering and rare earth mineralization: Insights from stable neodymium isotope in tropical saprolites. Geochimica et Cosmochimica Acta,doi: 10.1016/j.gca.2025.10.004. 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.10.004图1. 花岗岩风化剖面全岩样品中（a）Nd浓度和（b）Nd迁移率（τNd,Ti）的变化；（c）全岩样品和不同化学提取相态的δ146Nd值；（d）不同化学提取相态中Nd的比例。图2. 花岗岩风化剖面中τNd,Ti与（a）Nd元素通量（NdFlux）以及（b）Nd同位素通量（δ146NdFlux）的关；化学蚀变指数（CIA）与（c）NdFlux和（d）δ146NdFlux的关系。黑色五角星代表未风化基岩，红色圆点代表Nd积累量显著的样本，编号为TT-5、TT-6、TT-8和TT-9。图3. 风化淋积型稀土矿床形成示意图

2025-11-17

广州地化所李震、李鹏飞等-EPSL：从水系重组看冈瓦纳造山运动驱动晚三叠世全球变冷

地球长期气候演变受碳循环平衡所影响，火山活动等地幔脱气过程向大气中输入二氧化碳，而硅酸盐岩风化作用则持续消耗二氧化碳。在短时间尺度上，地幔柱相关的大火成岩省喷发可释放巨量二氧化碳，引发全球性的急剧升温。在长时间尺度上，海底扩张通过改变洋中脊系统的规模影响全球碳排放通量，而大陆弧岩浆活动具有双重作用，既通过火山喷发排放二氧化碳，又通过构筑高地形促进硅酸盐岩风化以消耗二氧化碳。造山运动所驱动的硅酸盐岩风化作为地球重要的“恒温器”，可实现对气候的长期稳定调控，但在深时记录中识别与厘清其全球性影响仍是学界面临的挑战。为此，中国科学院广州地化所李鹏飞项目团队以青藏高原特提斯喜马拉雅序列为研究对象，通过沉积物源分析所识别的水系重组证据，并结合构造重建，揭示了地球历史上一次规模宏大的“河流重组”事件及其对全球气候系统的深远影响。特提斯喜马拉雅保存了冈瓦纳大陆北缘古生代以来的连续海相沉积，为研究大陆尺度物源与水系演变提供了理想载体。项目团队系统分析了该地区12,505颗碎屑锆石U-Pb年龄，并结合Hf同位素组成特征、多维标度分析及定量物源模拟，发现在晚三叠世之前，冈瓦纳北缘碎屑锆石主要源自其内部的前寒武纪古老基底和泛非造山带，而在上三叠统地层中则突然出现了约占总量30%、年龄为2-3亿年的年轻锆石组分，而这一年轻组分来源于远在数千公里外的冈瓦纳大陆南缘——一条绵延约1.8万公里、名为“Terra Australis Orogen”的宏伟造山带。冈瓦纳大陆北缘在晚三叠世出现的这一物源突变，以及跨越大陆尺度的物源联系，共同指示了当时冈瓦纳大陆上发生了重要的水系重组事件，形成了横贯大陆的巨型河流系统，将冈瓦纳南缘造山带物质长距离输送至北部被动大陆边缘（图1）。这一河流系统的形成受控于二叠纪–三叠纪冈瓦纳造山运动(Gondwanide orogeny)所引发的大规模山脉隆升，其不仅改变了大陆的水系格局与河流流向，还通过增强的硅酸盐风化作用持续消耗大气CO₂，最终成为驱动晚三叠世全球气候变冷的关键机制。全球海水锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）值在晚三叠世的显著升高，为大陆风化通量激增提供了直接证据，而同时期碳酸盐岩碳同位素（δ¹³C）的负偏趋势，进一步支持了风化增强导致的碳酸盐埋藏增加（图2）。该项研究通过解读特提斯喜马拉雅沉积岩中的碎屑锆石记录，刻画了晚三叠世冈瓦纳大陆上河流万里奔袭的壮阔图景，揭示了其背后的驱动机制及其对全球气候的深远影响。该研究将深时地质时期的构造事件、地表过程与全球气候变化有机联系，系统阐释了地球多圈层之间复杂而深刻的相互作用，为揭示 “构造-地貌-气候”耦合机制提供了典型范例。论文信息：Li,Z. (李震),Li,P.* (李鹏飞*),Rosenbaum,G.,Cawood,P. A.,Wang,Q. (王强),Yuan,C. (袁超) & Shen,J. (沈俊) (2025). Rivers of change: the Tethyan Himalaya records how the Gondwanide orogeny altered Late Triassic global climate: Earth and Planetary Science Letters,671,119687. 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119687图1、晚三叠世冈瓦纳大陆水系格局重建图。图2、晚三叠世海洋锶同位素、碳同位素与古气候指标演化特征。(a)该时期海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值的显著升高，指示大陆硅酸盐风化作用持续增强；(b)碳酸盐岩δ¹³C值的降低，反映碳酸盐埋藏相对增加而有机碳埋藏相对减少;(c-d)晚三叠世大气CO₂浓度与基于氧同位素估算的全球温度呈现总体下降趋势。

2025-10-31

广州地化所何柳青、朱建喜、Michael Hochella等-ES&T文章：在超积累植物中发现纳米粒径稀土磷酸盐矿物镧独居石及其意义

稀土元素有“工业维生素”之美誉，是人工智能、新能源、国防等重点领域不可或缺的核心战略资源。然而，传统的开采工艺不仅造成严重的环境破坏等问题，还受到资源稀缺等因素制约，使稀土成为全球供应链中风险最高的战略性资源之一。在此背景下，实现稀土资源的绿色可持续开发已成为当前国际学术界和产业界共同关注的重要研究方向。植物采矿技术（Phytomining）作为一种新兴的绿色稀土获取方式，通过种植超积累植物，将土壤中的稀土富集到植物地上部，不仅有望回收稀土，还能共同实现尾矿生态修复，被视为一种更清洁可持续的开采途径。为探索超积累植物对稀土元素的富集机制，中国科学院广州地球化学研究所博士生何柳青在导师朱建喜研究员的指导下，与美国弗吉尼亚理工大学荣誉教授Michael Hochella合作，共同开展了相应的研究工作。经过前期调查与分析，团队将研究目光聚焦于一种名为“乌毛蕨”（Blechnum orientale）的蕨类植物上。乌毛蕨不仅为华南地区风化壳型稀土矿区的优势植物，还是稀土元素的超积累植物。它能够将稀土超积累到叶片中，并继承稀土矿土壤中富轻稀土的特征。图1 稀土超积累植物分布与筛选（研究团队供图）. 团队通过微区X射线荧光光谱和扫描电镜分析，成功定位了乌毛蕨体内稀土富集的位置——叶脉维管束、栅栏组织及表皮层。利用高分辨透射电子显微镜和电子能量损失谱，结合电子显微三维重构技术，团队进一步揭示了其植物体内稀土的微观赋存形态：稀土主要以磷酸盐矿物形式沉积并矿化在细胞外区域，形成纳米级的多晶镧独居石（monazite-(La)）颗粒聚集体，其晶体形态是类似小灌木的枝晶，反映了一种非平衡态环境下的结晶产物。这一发现表明，乌毛蕨不仅具有从表土中超强富集稀土的能力，还能诱导稀土在植物体特定部位内矿化为化学性质更稳定的磷酸盐稀土矿物。这一过程实际上是植物的自我保护机制，类似于将潜在毒性的稀土离子“封装”在矿物结构中，从而实现钝化与解毒。尽管人们已知微生物和动物能在生物体内“造矿”，例如趋磁细菌合成的纳米磁铁矿，贝壳及珊瑚沉积形成的方解石和文石，动物牙齿和骨骼中矿化的磷灰石等。但植物界的“矿物制造能力”在此前一直被低估。已知的植物矿物仅有少数几种，如方解石和草酸钙石等钙质晶体以及植硅体。本研究首次在乌毛蕨中发现稀土纳米矿物结晶矿化现象，不仅刷新了我们对植物矿物形成的认知，还为植物对重金属积累过程中的富集和解毒机制研究提供了新的方向，也为近千种已知超富集植物的研究开辟了新方向。工业上常见的独居石通常在岩浆或热液过程中形成，且常伴生放射性铀、钍等元素，具有开采处理的复杂性。而乌毛蕨在常温常压下形成的“生物独居石”纯净且无放射性，展现出良好的绿色提取潜力。因此，本研究不仅为理解超积累植物的生物矿化机制提供新窗口，也为未来稀土的可持续开发提供了新思路：即通过种植乌毛蕨等超积累植物，能够在修复稀土尾矿区生态环境的同时，从植物中回收高价值稀土，实现“边修复、边回收”的绿色循环开采模式。图2 稀土元素在乌毛蕨组织内经生物矿化作用形成镧独居石（monazite-(La)）纳米多晶聚集体；电子三维重构技术显示了粒径为几百纳米的枝状晶颗粒形貌图3 稀土纳米颗粒的生物矿化特征；（A）稀土纳米颗粒HAADF-STEM图；（B-D）纳米颗粒内部高分辨图；（E）稀土纳米颗粒的选区电子衍射表征，Mnz-(La)为monazite-(La)；（F-H）独居石纳米晶体定向附着高分辨图；（I-J）独居石纳米晶体FFT图该研究得到了国家自然科学基金，中国科学院战略重点研究计划等项目的联合资助。相关成果在国际学术期刊《Environmental Science & Technology》并以补充封面文章形式发表。图4 期刊补充封面论文信息： Liuqing He (何柳青),Haiyang Xian (鲜海洋),Yiping Yang (杨宜坪),Jielong Cao (曹杰龙),Hongmei Yang (杨红梅),Jieyang Xie (谢捷洋),Jiaxin Xi (席佳鑫),Yixuan Yang (杨奕煊),Shan Li (李珊),Runliang Zhu (朱润良),Xiaoliang Liang (梁晓亮),Hongping He (何宏平),Michael F. Hochella Jr.*,Jianxi Zhu* (朱建喜). Discovery and Implications of a Nanoscale Rare Earth Mineral in a Hyperaccumulator Plant. Environmental Science & Technology,2025. DOI: 10.1021/acs.est.5c09617.论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.5c09617

2025-11-11

广州地化所郭昊、张艳利等-JGR-A：改进单萜烯光温算法提升对臭氧和SOA的模拟

生物源挥发性有机物(BVOCs)是生成臭氧和二次有机气溶胶(SOA)的重要前体物，其中单萜类化合物约占全球BVOCs排放总量的15%。长期以来，大气化学传输模型通常假设单萜烯排放主要受温度驱动，而对光照因素考虑不足。最新外场原位观测表明，在热带和亚热带地区，单萜烯排放也有光依赖性，且不同单萜烯物种存在差异，忽视这一排放影响因素可能最终影响臭氧和SOA模拟。针对这一问题，中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员和张艳利研究员课题组郭昊副研究员等，基于前期研究组华南地区典型树种野外实测，在更新模型本地化排放因子进行模拟的基础上，本研究进一步对广泛应用的MEGAN2.1这一BVOCs排放模型中光温响应算法进行了更新，并将其嵌入大气化学传输模型WRF–CMAQ中，对华南地区2022年典型季节BVOCs排放和二次污染物生成进行了模拟。结果显示，改进后的算法使我国华南地区单萜排放量冬季减幅高达60%，夏季减幅约达9%（图1a）；降低了臭氧模拟值与观测值的平均标准化偏差(MNB)，使模拟与观测的差值降低了9-19%（图1b）；华南地区夏季臭氧的日最大8小时平均浓度（MDA8 O₃）相应下降约3%–7%（最高减少2 ppb），二次有机气溶胶（SOA）浓度下降10%–24%（最高减少1.2 μg/m³）（图2）。引起该变化的原因，主要是大气氧化能力（AOC）的降低以及单萜烯氧化生成SOA途径的转变（图3）。本研究通过基于原位观测的算法更新，从而提升了对BVOCs排放及其二次污染物生成模拟的准确性。然而，未来还需要在更多植被类型和气候条件下开展长期现场原位观测，以进一步完善BVOCs排放的光响应算法，并将更近真实大气下单萜烯的氧化机制纳入模型，从而推动区域空气质量模拟向更好反映BVOC影响作用。本研究受到国家自然科学基金委创新研究群体项目、青年基金C类、广东省科技厅、广州市科技局等项目的联合资助。相关研究成果近期发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres。论文信息：Guo,H. (郭昊),Zhang,Y.* (张艳利),Ran,H. (冉浩汎), Zeng,J. (曾建强),and Wang,X. (王新明), 2025. Improving Light‐Dependent Monoterpene Emission Parameterizations to Enhance Chemical Transport Model Predictions of Ozone and SOA in South China,Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 130(20),e2025JD044435. https://doi.org/10.1029/2025JD044435图1 算法更新前(Default)后(Updated MTs)，(a)广东省四季单萜烯排放量估算对比；(b)臭氧观测值与模拟值逐小时浓度平均标准化偏差(MNB)对比（红线表示U.S. EPA标准值）图2 算法更新前(Default)和后(Updated MTs)；(a)夏季臭氧日最大8小时平均浓度(ppb);(b) SOA浓度(μg/m3 )的模拟值对比图3 算法更新前(Default)和后(Updated MTs)，夏季珠三角地区 (a)大气氧化性与 (b)不同SOA生成途径[半挥发性产物(SVOC)、低聚物(OLGM)、乙二醛(GLY)和甲基乙二醛(MGLY)]的变化

2025-10-24

广州健康院发现限制人多能干细胞发育潜能的新机制

近期，中国科学院广州生物医药与健康研究院发表了题为“USP7 restricts lineage potency in human embryonic stem cells through modulating mTOR activity”的研究论文。该研究揭示了一种限制人多能干细胞发育潜能的关键因子——去泛素化酶USP7，并阐释其通过去除mTOR 蛋白上非经典K63多泛素化修饰，从而调控 mTOR 活性的全新机制。近期，中国科学院广州生物医药与健康研究院发表了题为“USP7 restricts lineage potency in human embryonic stem cells through modulating mTOR activity”的研究论文。该研究揭示了一种限制人多能干细胞发育潜能的关键因子——去泛素化酶USP7，并阐释其通过去除mTOR 蛋白上非经典K63多泛素化修饰，从而调控 mTOR 活性的全新机制。细胞发育潜能限制哺乳动物胚胎发育起始于受精卵，随后经历连续的谱系分化，最终形成完整个体。在早期胚胎发育中，细胞第一次命运分离发生在囊胚期，由全能性（totipotent）细胞分化为胚胎内的内细胞团(ICM)和胚外的滋养外胚层(TE)。ICM细胞虽保留分化为机体所有细胞类型的潜能，但向滋养外胚层等胚外组织（ExE）的发育潜能受到限制。的确，来源于ICM的体外培养人胚胎干细胞（human embryonic stem cells，hESCs)属于多能性（pluripotent）细胞，展示有限的胚外组织潜能。这种从全能性向多能性的转变标志着细胞谱系发育潜能的限制，然而其内在决定机制尚不明确。删除USP7，细胞潜能被释放研究人员首先发现，USP7缺陷的人胚胎干细胞表现出较强的单细胞存活能力。将这些细胞在拟胚体培养基中培养可形成拟胚体结构，随后，当它们被转入不含特定形态发生素的囊胚培养基（IVC）后，可自发形成类似囊胚的结构并表达胚外谱系（ExE）标志物，相比之下，野生型人胚胎干细胞无法呈现类似囊胚的结构也不表达胚外谱系标志物。进一步地，研究人员将这些类囊胚结构的聚集体进行贴壁培养后发现其能够产生胚外的滋养层亚类细胞—绒毛外滋养层细胞和合体滋养层细胞，同时还形成了卵黄囊腔和羊膜腔典型胚胎腔结构。这些结果表明，USP7就像人胚胎干细胞发育潜能的“刹车”，限制了它向胚外组织发育，即敲除USP7解除了人胚胎干细胞的胚外谱系发育限制，并具备了模拟早期植入后胚胎发育、形成复杂胚胎样结构的能力。背后的机制：mTOR信号的调控研究人员进一步探索USP7限制胚外潜能的作用机制，发现USP7敲除后，mTOR蛋白上的非经典K63泛素链无法被去除，从而导致mTOR蛋白磷酸化水平上升，并增强mTOR信号通路活性，这使得细胞内蛋白翻译水平上调，尤其是多能性标志物的蛋白水平增加，最终导致人胚胎干细胞的胚外谱系限制被解除。简而言之，USP7通过去除非经典的K63多泛素化而减弱mTOR活性，进而限制人胚胎干细胞的胚外发育潜能。综上，研究团队鉴定了USP7介导的非经典K63泛素化去除这一关键内源机制，阐明了其如何限制人胚胎干细胞的胚外谱系发育潜能。同时，研究也暗示蛋白翻译控制在早期细胞命运决定中发挥着至关重要的作用。这些发现不仅揭示了细胞发育潜能限制的多维调控，而且有助于优化模拟体外胚胎早期发育过程的培养体系。潘光锦研究员和单永礼副研究员为论文的共同通讯作者，邢琦博士、李菲博士、硕士生冯瑶为论文的共同第一作者。该研究工作由中国科学院广州生物医药与健康研究院、中国科学院香港创新研究院再生医学与健康创新中心等单位合作完成，并得到了国家重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金委、中国科学院青年创新促进会、广东省及广州市科技计划等项目的资助。论文链接图1 USP7通过调节mTOR信号通路调节胚胎干细胞发育潜能

2025-11-24

华南植物园揭示毛竹入侵削弱森林碳汇功能并提高潜在健康风险

毛竹（Phyllostachys edulis）入侵是一种典型的生物入侵现象，其强大的地下根茎系统使其能够快速取代原生植被，重塑森林生态系统结构与功能。然而，毛竹入侵对生态过程的深层影响，尤其是对土壤微生物碳循环功能及其潜在的公共健康风险的影响，长期以来缺乏系统研究。本研究沿毛竹入侵路径设置三个入侵水平（0%、50%、100%），通过宏基因组测序与高通量扩增子测序与Meta分析，系统揭示毛竹入侵对土壤微生物群落及生态功能的影响，系列进展主要涉及以下两个方面：（一）毛竹入侵导致土壤微生物群落确定性组装增强，抗生素抗性基因（ARGs）与毒力因子（VFs）丰度显著提高，尤其在郊区和城市地区表现突出。结果表明，毛竹入侵通过改变土壤pH及养分状况促进携带抗性和毒力基因的微生物类群富集，而人工恢复措施可有效降低其丰度，减缓潜在健康风险。该研究成果以“Elevated public health risks from changes in microbial communities mediated by Moso bamboo invasion”为题发表在Environmental Research（IF5-year :7.7）上。中国科学院华南植物园鼎湖山站已毕业硕士研究生陈锐佳为论文第一作者，周曙仡聃副研究员为通讯作者，刘菊秀研究员参与指导。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发计划等项目资助。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.122215（二）毛竹入侵显著降低了土壤细菌群落多样性与网络复杂性，抑制了与碳循环相关的关键功能基因，导致土壤有机碳含量显著降低。通过Meta分析进一步验证了毛竹入侵普遍导致土壤有机碳含量降低的趋势。表明毛竹入侵通过改变土壤理化性质削弱微生物碳循环潜力，从而影响森林碳汇功能。该研究成果以“Soil Organic Carbon Decline under Bamboo Invasion: The Role of Microbial Carbon Cycling”为题发表于国际学术期刊 Journal of Environmental Management（IF5-year :8.6）上，中国科学院华南植物园鼎湖山站硕士研究生孟楚舒为论文第一作者，周曙仡聃副研究员为通讯作者，刘菊秀研究员参与指导。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发计划等项目资助。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2025.127999 图1. 毛竹入侵程度、土壤性质以及细菌和真菌多样性对ARGs和VF相对丰度的影响图2. 毛竹入侵对土壤有机碳含量的影响

2025-11-23

亚热带生态所陈洪松研究员团队在西南喀斯特坡地水文过程补给机制方面取得新进展

碳酸盐岩广泛发育形成的喀斯特地貌覆盖全球陆地面积约15%，为全球约1/4人口提供稳定的水资源供给。美国东部、欧洲地中海沿岸及中国西南地区构成三大喀斯特地貌集中分布区，其中中国西南是全球喀斯特连续出露面积最大的区域。碳酸盐岩广泛发育形成的喀斯特地貌覆盖全球陆地面积约15%，为全球约1/4人口提供稳定的水资源供给。美国东部、欧洲地中海沿岸及中国西南地区构成三大喀斯特地貌集中分布区，其中中国西南是全球喀斯特连续出露面积最大的区域。该区域碳酸盐岩质地纯正且结构致密，叠加温暖湿润的亚热带季风气候，为碳酸盐岩的化学溶蚀作用创造了优越条件，塑造了独特的“二元三维”水文地质结构，具有地土壤层浅薄、地下基岩裂隙网络发育的基本特征。这种特殊结构导致入渗与多界面径流过程呈现高度复杂性，在气候变化背景下进一步加剧了旱涝灾害带来的不确定性。山坡是西南喀斯特地貌的主要组成单元，决定了流域水文通量及其响应特征。目前，已有研究主要围绕对降雨过程中入渗和产流过程的描述与解析，基本弄清了以岩土结构为主导作用影响下的入渗-产流模式。尽管如此，但现有研究对坡地入渗-产流补给机制认识较为欠缺，结构对水文过程的调控机理仍需要进一步厘清，上述问题的解决将极大深化对喀斯特关键带复杂水文过程的认识，服务于区域水文水资源管理。中国科学院亚热带农业生态研究所陈洪松研究员团队在广西环江通过水稳定同位素示踪技术，揭示了坡地土壤厚度对入渗和径流水补给特征的影响机制。该研究选取两处土壤厚度差异显著的山坡，通过长期原位监测获取土壤水和径流样本，并测定其氢氧稳定同位素组成。基于分段同位素平衡模型，量化了降雨对可移动水的补给比例、平均滞留时间及干旱期径流的蒸发损失比例。结果表明，渗透性更高的浅土山坡具有快速的水分补给特征，表现为更高的雨水补给和水分蒸发损失比例及更短的水分滞留时间（图1）。厚土山坡补给比例和滞留时间具有极显著的相关性（R2=0.78），而浅土山坡这种快速且复杂的水文特征导致其通过水文参数预测过程的难度更高（图2）。因此，即便是在小流域范围，在水资源优化配置方面也需要考虑进行差异性的管理，而土壤厚度理论上是一个重要的参考指标。该研究为理解喀斯特地区复杂水文过程提供了新视角，对区域水资源管理和防洪减灾具有重要实践意义。相关成果已得到国家自然科学基金、广西自然科学基金和中国博士后项目的资助，论文分别以“西南喀斯特坡地土壤厚度对可移动水补给特征的影响：基于水稳定同位素的观点”和Water stable isotope evidence reveals the impact of soil thickness on mobile water recharge in Karst Hillslopes,Southwest China为题发表在《中国科学：地球科学》中/英文版。论文链接：中文版英文版图1 土壤水及径流补给比例（左）和滞留时间（右）图2 补给比例和滞留时间相互关系

2025-11-23

深圳先进院 | 新一代术中分子导航平台：免标记拉曼技术实现肿瘤恶性程度实时分级（Nature Biomedical Engineering）

11月18日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、杨慧研究员团队与复旦大学李聪教授、王杭主任医师、余锦华教授等合作，在Nature Biomedical Engineering上发表题为"Label-free Navigation System for in-situ Grading Prostate Tumor Malignancy via Tissue pH and Prostate-Specific Antigen Activity"的研究论文。研究团队成功研制了一套基于表面增强拉曼散射（SERS）与微流控技术的术中导航系统，实现前列腺癌恶性程度的原位、快速、无标记分级。前列腺癌是全球男性发病率最高的恶性肿瘤，也是我国发病率增速最快的癌种之一。根治性前列腺切除术是治疗局限性前列腺癌的主要手段，但术中肿瘤边界识别不清导致阳性手术切缘发生率高达15%–40%，成为术后复发的主要风险因素。如何在彻底切除肿瘤的同时，最大限度保留患者功能组织，是临床面临的重大挑战。11月18日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、杨慧研究员团队与复旦大学李聪教授、王杭主任医师、余锦华教授等合作，在Nature Biomedical Engineering上发表题为"Label-free Navigation System for in-situ Grading Prostate Tumor Malignancy via Tissue pH and Prostate-Specific Antigen Activity"的研究论文。研究团队成功研制了一套基于表面增强拉曼散射（SERS）与微流控技术的术中导航系统，实现前列腺癌恶性程度的原位、快速、无标记分级。该系统主要由微流控采样、SERS检测阵列、AI智能分析模块组成。团队研发的非对称通道微流控采样笔（NanoDraw）结合气液反馈控制，实现了对组织表面标志物的自动化、无损、连续提取，单点采样仅需6秒，有效避免交叉污染。采样后液滴被自动转移至高灵敏度SERS阵列，通过功能化拉曼报告分子同步检测组织酸度（pH）与前列腺特异性抗原（PSA）活性，实现对肿瘤恶性程度的双重识别。系统内SERS阵列结构均一、信号稳定，具备优异的拉曼增强性能。结合团队构建的二维递归图-卷积神经网络（2D-CNN）AI分析模型，系统可在2秒内完成光谱解析与生物标志物定量输出，精准识别Gleason分级分组GG≥3的高级别肿瘤区域。在涉及144例前列腺癌患者的临床试验中，该系统对高级别肿瘤（GG≥3）识别的AUC值达0.890，展现出优异的临床转化潜力。该系统全流程自动化、无需外源标记物，具备成为术中“实时病理”技术的潜力，有望显著降低阳性切缘率，改善患者预后。杨慧研究员指出：“这项技术的核心目标，就是为外科医生装上一双‘分子眼睛’。在手术中，传统方法很难实时看清肿瘤的恶性边界。我们的系统通过在体、无损采样，几分钟内就能生成一张肿瘤的‘恶性程度地图’。医生可以根据这张地图，果断切除高风险区域，同时放心保留低风险组织，这为实现‘最大化肿瘤切除、最小化功能损伤’这一临床黄金法则提供了切实可行的技术路径。”本研究得到了国家重大科研仪器研制项目、国家杰出青年科学基金、上海市卫健委交叉学科前沿项目等多项支持。目前，团队正积极推进该设备的产业化与临床应用转化，并探索其与腹腔镜、手术机器人等微创手术平台的集成能力。文章上线截图原文链接：https://doi.org/10.1038/s41551-025-01561-y

2025-11-20

深圳先进院 | 揭示大湾区碳汇“源-汇”机制与生态驱动力（Water Research & Limnology and Oceanography Letters）

通过对珠江口海域实施跨季节尺度的高时空精度走航监测与碳循环数据分析，在大湾区碳汇时空格局与机制研究方面取得突破性进展。在国家"双碳"战略与深圳建设"全球海洋中心城市"的时代背景下,海洋碳汇的精准量化已成为亟待攻克的科学难题。粤港澳大湾区近海生态系统承受着高强度人类活动的压力，对其蓝碳储量与固碳效率进行高分辨率科学评估，具有重大战略意义与现实价值。近日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）集成所光电中心姚泓名副研究员、祝铭高级工程师所在团队通过与暨南大学王艳研究员团队、中国海洋大学林贤彪副教授团队开展合作，依托先进院搭建的"大湾区近海蓝碳移动监测平台"，搭载水下原位光谱分析仪、叶绿素a传感器、辐照度计等多款自主研发的海洋生化传感器，通过对珠江口海域实施跨季节尺度的高时空精度走航监测与碳循环数据分析，在大湾区碳汇时空格局与机制研究方面取得突破性进展。研究成果分别发表于国际权威期刊Water Research与Limnology and Oceanography Letters。两项研究从宏观与微观双重维度，系统性揭示了大湾区(珠江口)碳"源-汇"动态的时空演变规律及其生物地球化学驱动机制，构成了大湾区河口碳循环的全面"科学诊断报告"。河口生态系统是全球碳循环的关键枢纽，但正日益遭受富营养化和酸化的双重威胁。传统离散采样难以捕捉河口复杂多变的高频波动，这种观测缺陷导致全球河口碳通量估算存在30%-150%的巨大不确定性。关于海洋酸化与硝化互作的研究多依赖单变量实验室培养，难以还原自然环境中复杂的非线性反馈，导致对河口碳“源-汇”转换及其微观驱动力的认知存在盲区。依托大湾区近海蓝碳移动监测平台的高频走航观测数据（5米空间分辨率）和强大的多参数、多介质（水体、生物）采样和分析能力，精细刻画了伶仃洋河口（大湾区核心水域）的碳通量分布格局，并深入剖析了珠江口（大湾区水域）碳循环“泄露”的微观驱动机制，首次揭示了富营养化驱动下的“酸化–硝化”协同效应。研究发现该区域并非单一的碳源或碳汇，而是一个由河流与海洋共同塑造的“空间划分的碳处理器”，上游（河流影响区）为强 CO₂ 释放源，洪泛期通量峰值高达291.6 mmol C·m⁻²·d⁻¹；下游（海洋影响区）则转变为 CO₂ 吸收汇，净自养作用驱动通量降至-48.6 mmol C·m⁻²·d⁻¹；这一“源—汇”转变主要发生在距河口约40公里的空间阈值处，反映出水文混合与营养盐利用效率的综合调控作用。此外，研究揭示出大湾区蓝碳系统存在显著的季节性脉冲效应——洪汛期的碳通量远高于旱季，陆源输入的增强成为调控碳释放的关键因素。尽管浮游植物光合作用驱动碳吸收，但高达 40%–60% 的固定碳会因异养作用被重新释放回大气。这种“即产即消”的机制形成了一个“碳循环回路”，显著削弱了河口生态系统的净固碳效率，也意味着基于叶绿素或卫星数据的碳汇估算可能被系统性高估。同时，研究进一步发现，长期富营养化状态下，珠江口水体酸化速率远高于开阔海域。在伶仃洋中游区域（即40公里的“源—汇”转换阈值处）形成了显著的“酸化–硝化”耦合热点。在该热点中，氨氧化微生物以铵盐为“燃料”进行硝化作用，每次反应都会释放出氢离子，削弱水体碱度并导致pH下降，形成局部“酸化中心”。该发现揭示了珠江口河口系统中存在一个自我强化反馈回路：富营养化驱动硝化作用，硝化引发酸化，而酸化环境又会筛选并塑造特定的微生物群落，反过来再次增强硝化过程。这一机制从微观层面揭示了大湾区水域固碳效率下降的根本原因，也为治理富营养化、提升区域碳汇潜力提供了新的科学思路。从宏观空间格局到微观生物机制，这两项研究构建了大湾区海洋碳汇的“全景式画像”。它们不仅深化了对河口海岸带碳循环的科学认知，更展示了深圳先进院在海洋科技领域“产–学–研–用”一体化创新体系的成果转化能力。未来，大湾区蓝碳移动监测平台将继续服务于大湾区及全国海洋碳中和战略，推动海洋电子信息、智能装备与生态决策的深度融合，让更多科研成果在“深蓝”中落地生根。深圳先进院副研究员姚泓名分别为两篇论文的第一作者和通讯作者，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、以及Instrument Development for OceanologyLaboratory（I-DO Lab）的支持。图：大湾区蓝碳移动监测平台及自研传感器展示图：碳“源-汇”与初级生产力的精细化时空格局展示图：海-气CO2通量的宏观驱动因素解析图：大湾区海域酸化与富营养化的耦合效应图：相关微生物组学解析

2025-11-20

深圳先进院｜首个语音驱动超声舌成像的统一生成框架（INFFUS）

近日，中国科学院深圳先进技术研究院环绕智能与多模态研究室提出从语音到舌超声生成的统一扩散模型框架，能够根据输入的未知语音信号（例如健康或病理性语音），自适应地生成高保真度的舌体超声数据，这项研究为解决言语障碍评估与康复中的相关技术难题提供了新路径，相关研究已正式发表于国际期刊Information Fusion。近日，中国科学院深圳先进技术研究院环绕智能与多模态研究室提出从语音到舌超声生成的统一扩散模型框架，能够根据输入的未知语音信号（例如健康或病理性语音），自适应地生成高保真度的舌体超声数据，这项研究为解决言语障碍评估与康复中的相关技术难题提供了新路径，相关研究已正式发表于国际期刊Information Fusion。从“听声音”到“看舌动”的智能跨越在言语治疗与康复领域，准确、直观观察发音时舌头的内部运动对于诊断评估与康复训练具有关键意义。然而，传统超声舌成像设备因操作专业要求高、成本昂贵，在临床普及上面临较多限制。声学-发音反转（Acoustic-to-articulatory inversion,AAI）作为语音处理的重要方向，致力于从语音信号中推断发音器官的运动姿态，构建声音与形体之间的“翻译桥梁”。该技术能够将易于获取的语音信号，转化为难以直接观测的发音生理数据，为言语康复、语言教学乃至无声语音接口的开发提供新路径。因此，基于AAI技术实现的语音到舌超声生成方法，通过算法仅凭语音信号即可“推算”出对应的舌体运动数据，为临床提供了一种低成本、非侵入式的可视化解决方案。统一框架破解两大临床技术难题该技术长期面临两大挑战：一是配对的病理性语音-舌动数据极其稀缺，导致模型泛化性能差；二是健康与病理性言语在发音机制和声学特性上存在显著差异，导致模型在处理未知类型的语音时容易失败。面对这些挑战，研究团队提出了 Uni-UTIDiff统一框架。该框架的核心优势在于：统一建模：首次使用统一模型同时处理健康与病理性语音，无需为不同人群分别训练专家模型，极大提升了数据利用效率和模型通用性。智能辨音：基于对比聚类的无监督发音模式提取器，能自动判别输入语音是正常还是异常，无需人工标注，进一步挖掘更多隐藏特征表示。自适应生成：自适应条件融合模块能动态地将语音特征与识别出的发音模式相结合，确保生成的舌动图像既符合语音内容，又保留了特定发音模式（如病理性异常）的细节。实验结果表明，Uni-UTIDiff 不仅在统一框架下能够分别达到针对健康与病理语音的专家模型性能水平，还能在生成的舌超声图像中展现出优异的清晰度与自然度，充分验证了其在跨发音模式下的鲁棒生成能力。新一代言语智能康复与远程医疗的应用前景这项技术意味着，未来我们有可能仅通过一个APP收录的用户语音，即可生成其对应的发音器官内部运动，为下述不同场景带来应用变化：精准康复与远程医疗平台：为不同地区的构音障碍患者提供专业言语治疗服务。患者通过实时可视化的舌位运动生物反馈，帮助其更有效地进行家庭专业康复训练。临床辅助诊断：作为筛查工具辅助医生快速评估患者的言语运动功能，生成客观的影像报告，提升诊断效率。语言教学与保护：可用于语言教学，帮助学习者直观理解发音要领；记录或推断特定罕见语言的发音生理特征。中国科学院深圳先进技术研究院王岚、燕楠研究员为共同通讯作者，研究助理杨毓栋和高级工程师苏荣锋为共同第一作者。此外，中山大学第八附属医院招少枫主任、香港大学Manwa.L.Ng教授为论文的共同作者。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市自然基金重点项目等项目支持。文章上线截图，论文链接:https://doi.org/10.1016/j.inffus.2025.103896图1 整体方法流程图图2 Uni-UTIDiff的训练和推理细节图3 模型生成效果图(自适应区分健康和异常患者）

2025-11-06