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  • 判断气体变化
    2021-05-26 01:39:35

    分析 (1)根据图象可知:A→B等容变化,由查理定律即可求出B状态温度

    (2)B→C等压变化,由盖吕萨克定律即可求出C状态温度;比较AC两状态的温度,从而判断气体内能的变化,比较AC两状态的体积可判断W的正负,再根据可根据热力学第一定律即可解决问题.

    (3)根据气体压强的微观因素解释A和C压强不同的原因;

    解答 解:(1)气体从状态A到状态B发生等容变化,由查理定律得:

    $\frac{{p}_{A}^{\;}}{{T}_{A}^{\;}}=\frac{{p}_{B}^{\;}}{{T}_{B}^{\;}}$

    代入数据:$\frac{3×1{0}_{\;}^{5}}{272+27}=\frac{1×1{0}_{\;}^{5}}{{T}_{B}^{\;}}$

    解得:${T}_{B}^{\;}=100K$ 或${t}_{B}^{\;}=-173℃$

    (2)气体从状态B到状态C发生等压变化,由盖吕萨克定律得:

    $\frac{{V}_{C}^{\;}}{{T}_{C}^{\;}}=\frac{{V}_{B}^{\;}}{{T}_{B}^{\;}}$

    代入数据得:$\frac{3×1{0}_{\;}^{-3}}{{T}_{C}^{\;}}=\frac{1×1{0}_{\;}^{-3}}{100}$

    解得:${T}_{C}^{\;}=300$K即${t}_{C}^{\;}=27$℃

    A、C温度相等△U=0,由热力学第一定律有:△U=Q+W

    从A到C气体对外做功为:$W=p△V=1×1{0}_{\;}^{5}×(3×1{0}_{\;}^{-5}-1×1{0}_{\;}^{-5})=200J$

    △U=Q+W

    代入:0=Q+(-200)

    解得:Q=200J

    从状态A到状态C过程吸热吸收的热量200J

    (3)两状态下的分子平均动能相等,状态C的分子数密度小于状态A的分子数密度,故状态C的压强小于状态A的压强.

    答:(1)该气体在状态B时的温度为-173℃;

    (2)该气体从状态A到状态C的过程中与外界交换的热量200J;

    (3)从微观角度解释状态A与状态C气体压强不同的原因是两状态下的分子平均动能相等,状态C的分子数密度小于状态A的分子数密度,故状态C的压强小于状态A的压强.

    点评 解决气体问题的关键是挖掘出隐含条件,正确判断出气体变化过程,合理选取气体实验定律解决问题;对于内能变化.牢记温度是理想气体内能的量度,与体积无关.

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  • 巧算气体做功 之 “图像法

    千次阅读 2021-04-20 08:36:55
    《巧算气体做功 之 “图像法》由会员分享,...但是我们遇到的题目有很多不是发生特殊的热力学过程,而是一般的变化过程,没有使用现成的公式。也有的题目是选择性题目,只需判断做功的正负而不需要计算,如果采用公...

    《巧算气体做功 之 “图像法》由会员分享,可在线阅读,更多相关《巧算气体做功 之 “图像法(4页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。

    1、巧算气体做功 之 “图像法”前面已经介绍了对于包含有特殊热力学过程时可以用特殊的公式直接计算气体对外界所做的功。但是我们遇到的题目有很多不是发生特殊的热力学过程,而是一般的变化过程,没有使用现成的公式。也有的题目是选择性题目,只需判断做功的正负而不需要计算,如果采用公式法计算较为麻烦。还有一些题目是以气体状态变化图像出现的,要转化为用公式计算比较麻烦。那么我们该怎么办呢?别急,这里我们就介绍一种使用气体状态变化图像进行判断和计算热力学过程中气体所做的功的方法,由于采用气体状态变化图像来解决问题,我们就叫它图像法。使用图像法解题,比较直观,有时候一眼就能看出气体是做正功还是负功。下面我们来看看这。

    2、个方便的招。大思路我们常见的各状态变化图像可以按曲线的形状分为封闭形曲线和不封闭曲线。处理这两种图像时稍有不同。曲线封闭:一般是循环过程,需要根据题目条件,获得变化过程的PV图。在PV图像中计算所围面积,就是该循环过程中气体所做的功。顺时针循环,做正功,;逆时针循环,做负功。曲线不封闭:若需要计算做功大小,也需根据题目条件获得PV图,然后计算曲线与横坐标轴(即V轴)所围的面积,这个面积就是这个过程中气体所做的功。如果状态变化方向沿V轴正方向则做功为正,沿V轴反方向则功为负,如果垂直于V周则为零。如果我们只需判断气体是否做功,则可以根据任何自己熟悉的状态变化图像判断初始状态和末状态的体积关系。体。

    3、积增加,做正功;体积减小,做负功;体积不变,不做功。好了,我们就去体验一下怎样使用图像法。经典体验(一)如图,1mol理想气体经历了一个在TV图上标为1231的循环过程。其中,过程12的方程为,过程23是经过原点的线段上的一段,过程31的方程为,为常数。状态和的热力学温度为和。求该气体在此循环中对外所做的功。体验思路: 题目中的循环过程是一个复杂的热力学过程,不是特殊的热力学过程,所以不能使用公式法解决问题。题目给出了一个图,我们可以先将其装换为图,其PV图也为封闭曲线。计算图形面积即可得到功的大小。体验过程: 第一步,先按题意画出PV图;先确定各段曲线形式:12过程:由理想气体状态方程PV=。

    4、n RT和已知的有,因此P与V成正比,在PV图上是直线。23过程:符合等压过程TV曲线,故在PV上是水平线,P=P2。31过程:由PV=n RT及有,P与V成正比,在PV图上为直线。再确定3点的状态参数:1点:(P1,V1,T1)2点:当T= T1时由公式有; 当时。再由有,因此2点状态参数为。3点:由题目有P3=P2。由有,再由有,结合两式有, ,故3点状态参数为。由此,可以画出PV图如右图。第二步,标出循环方向,即是图中1231方向,由于顺时针,故为正功;第三步,计算图像所围面积,转化为功;该循环过程中气体所做的总功为。小 结: 这个例题只是在画PV图时稍微有些难度,但是能很好的反映使用图。

    5、像法的关键画出PV图,求面积。从上可以看出PV图上任意一条曲线与V轴的面积反映的就是该过程所做的功。对于一个循环过程,将各段累加起来,其所作的功为循环曲线所围面积,功的正负则与循环的方向有关。对于不封闭曲线的处理,则稍微简单一些,这里就不给例子了。经典体验(二)ABP1P2O V1 V2 VPCD如图所示,一定质量的理想气体从A经ACDB的一个循环过程后到达B状态,求在整个过程中气体所做的功。体验思路: 题目中的循环过程是一个复杂的热力学过程,其中AC为等压膨胀过程,CD为等容过程,DB为等压压缩过程。这些过程所做的功都可以用上一专题所介绍的公式法分阶段计算功的大小,然后相加就得到在整个过程中。

    6、气体所做的功。但是在这里我们可以使用图像法求解此题。体验过程: 假设气体还继续发生了从B到A的过程,由于B状态下气体的体积和A状态下气体体积相同,故此过程气体不做功。则ACDB过程和ACDBA过程气体所做的功是相等的,故只需计算ACDBA过程气体所做的功。ACDBA过程气体P-V图为封闭曲线,面积大小为(P1-P2)(V2-V1)。同时由于ACDBA为顺时针循环,故做正功,因此所求过程气体所做功为(P1-P2)(V2-V1)。小 结: 由此题可以看出,在气体变化过程中,气体经过一系列变化,即经过一个复杂变化后,气体体积最终没有发生变化,但气体与外界却有机械功,而且功的正负与过程的方向有关。故有。

    7、时候我们不能仅凭气体体积变化与否来判断气体是否对外界做功。提 示: 好了,下面我们来试试两道题目,看看是不是真的好用。试一试(1) 如右图所示,已知一定质量的理想气体,从状态1变化到状态2。问:在此过程中气体对外是否做功?(2) 用n mol理想气体做热机的工作物质,随着热机做功,气体状态变化完成一个循环,如图所示,过程12和23在图中是直线,且23是等容过程,过程31可以表达为,b为常数。求气体在一个循环中所做的功。(3) 一定质量的理想气体,由平衡状态P1 B C P2 A E D O V1 V2 V3 VPA经过一系列变化过程到达平衡状态B,且有VAVB。如图,如果气体变化按AEDCB的。

    8、变化过程进行,求气体在这个变化过程中所做的总功。试一试答案试一试(1)指点迷津 这是一个不封闭曲线,只需要判断是否对外做功,而不需要计算,因此只需判断1、2两状态的体积即可。虽然状态1和状态2在一条直线上,但并不是说pT图上的所有直线都是等容线,只有延长线过原点的直线才表示一个等容过程。我们可以判断等容线斜率来判断1、2两状态下气体体积。实践略解 分别做出过1和2的等容线和,由图可知,直线的斜率大于直线的斜率,则VV,即V2V1,所以,从状态1变化到状态2,气体膨胀对外做功了。试一试(2)指点迷津 此题与例题基本相同,画出PV图求面积即可。实践略解 画出的PV图如右图,为顺时针循环,求得功为 。试一试(3)指点迷津 此题可以分为两个部分,其中一部分为AE段,为不封闭曲线,直接根据其与坐标轴所围面积以及曲线方向求解。另一段为EDCB段,此段与例题2所给的基本相似,从B到E体积相同,不做功,可以看作是一个封闭曲线来进行求解。两部分相加即得到结果。实践略解 AE段:W1= P2(V2-V1), EDCB段:W2=-(P1-P2)(V3-V2)。因此总功为W=W1+W2= P2(V2-V1) -(P1-P2)(V3-V2。

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  •   可燃气体报警自动启停抽排风装置,是通过实时检测油气生产和处理装置现场安装的可燃气体报警探头或火焰探头的输出信号,判断各点的天然气浓度是否达到报警状态。一旦现场某一点或多点的可燃气体浓度达到报警状态...

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                        设计要求
      可燃气体报警自动启停抽排风装置,是通过实时检测油气生产和处理装置现场安装的可燃气体报警探头或火焰探头的输出信号,判断各点的天然气浓度是否达到报警状态。一旦现场某一点或多点的可燃气体浓度达到报警状态,现场报警器输出报警信号,该装置一方面自动启动安装在现场的风机抽排风,一方面自动向上一级自控系统发出区域报警信号,一旦现场所有点的可燃气体浓度低于报警临界状态,则该装置停止现场的风机工作,恢复完好待用状态。同时,风机的启停也可通过现场的开关的控制随时启停。
      无线可燃气体泄漏报警器适用于各种可燃气体(液化气、天然气、城市煤气)泄漏探测报警,即可独立工作,也可方便地配合小区防盗现场报警器与企业无线防盗报警组网使用。
      近年来,随着改革开放的深入发展,人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有,并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此,越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。目前,许多家庭使用了较为安全的防盗门,如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中,必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。为此,提出“无线防盗报警器”的设计任务。
      该报警器适用于家庭防盗、也适用于中小企事业单位。其特点是灵敏、可靠,一经触发,可以立即报警;也可以延时1~35s(秒)再报警,以增加报警的突然性与隐蔽性。

    3方案论证及说明
    3.1 方案一:防盗报警器的论证
    3.1.1 红外线报警器的论证
      红外线具有隐蔽性,在露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点:其一是能有效判断是否有人员进入;其二是尽可能大地增加防护范围。当然,系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。
      此类报警器的要点在于红外线信号的发射与接收部分,由于目在市场上常用的红外线发射器件和接收器件都具有频率选择性,因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能,必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近,现大部分产品的频率为38KHz,我们在设计该电路时,也是让其555电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路,作为报警工作的话,没有像红外线通讯那样要精确地还原出发射端发射的每一个数据,因此相对来说,要求可以放宽一些,设计时可以通过低通滤波,加倍压整流等措施,将发射的红外线信号转变成用于控制的直流控制电压,可以理解为:当有红外线信号收到时输出一个高电平信号,如果有人阻断了红外线信号,输出一个低电平信号,后续电路通过这个低电平信号启动报警。
      从实际的效果来看,报警信号必带有锁存功能,即当有人进入设防区域后报警信号就被锁住即使人离开,报警也将继续,直到人为的按动复位键才停止报警。
    存在的问题
      1.安装时要求严格,精度要求高,有角度限制。
      2.对安装场所及位置要求高,有时需要多组发射与接收对管。
      3.发射与接收易受到干扰,手机,各种红外遥控器的干扰,误报率高。
      4.使用寿命短,监控时电源不可间断,对红外发射与接收对管的寿命影响很大。
    3.1.2 被动式热释电红外报警器的论证
      BISS0001是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器.它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关,这里介绍BISS0001原理和结构以及利用BISS0001设计一种红外线感应报警装置.
      热释电传感器是一种近十几年发展起来的新型红外传感器,在红外检测领域中占有越来越重要的地位,已广泛应用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、激光测量、光谱分析、气体分析、红外摄像和空间技术等诸多方面。与其它红外传感器相比,突出的优点之一是可在室温条件下工作,无需致冷。尽管如此,对于它的温度稳定性仍有必要研究。这是因为这种传感器的应用场合不同,环境温度可能差别很大。
      BISS0001是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器.它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关,BISSO001采用高性能CMOS工艺制造,功耗很低;工作电压是3~6V,推荐使用5V;当工作电压为5V时,输出的驱动电流对应为10 mA;工作温度为-20—70℃ ;贮存温度-40—125℃。
      热释电红外线传感器能克服红外传感器的缺点,所以采用方案二。
    3.2 方案二:危险气体报警器的论证
    3.2.1 催化燃烧式可燃气体报警器的论证
      催化燃烧式可燃气体报警器探测器由一对催化燃烧式检测元件组成,其中一个元件对可燃气体非常敏感(该元件上涂有多层催化剂),另一个元件不敏感,不敏感元件用于补偿环境变化。这一对催化燃烧式检测元件与电路板上一对电阻构成惠斯通电桥,当周围环境存在可燃气体时,在催化剂的作用下敏感元件上发生催化燃烧(这种燃烧是阴燃,不会引爆外界可燃气体),使其温度升高(可高达500℃),从而使其电阻增大,这样,电桥失去平衡,探测器产生与气体浓度成正比的电信号,经电路部分放大后,由控制器报警。
      缺点是成本高,不容易扩展,安装调试复杂,受外界影响较大,所以不采用。
    3.2.2利用集成运放完成的气体报警器的论证
      利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号,放大,处理,控制,便可完成报警功能,工作简单,方便,容易实现,能进行电路扩展,可以单独使用,也可以在小区内组网使用,所以可燃气体报警器探测器选用此方案,工作过程如下:
      a、电源指示:绿灯,通电后亮起,报警时熄灭。
      b、报警指示:红灯,报警时闪亮。
      c、接通电源,绿灯亮或闪烁3分钟后,报警器开始正常工作。当所检测可 燃气体泄漏达到预警浓度,报警器开始报警,绿灯熄灭,红灯闪亮,发出“滴-滴-滴”的持续报警声音,同时发出高频无线报警信号。当所检测气体的浓度下降到预警浓度以下,报警器停止报警。
      d、报警器内的电路板上已预留继电器控制电路,用户可方便加装,报警时可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体,也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源。

    3.3 方案三:无线发射与接收的论证
    3.3.1 VD5026/VD5027无线发射与接收电路的论证
      VD5026、VD5027是CMOS大规模集成电路。前者通过发射系统发射数字编码。二者结合在一起构成一个数字遥控发射接收系统。
      VD5027需与VD5026配合使用,管脚排列图与VD5026相似,也是DIP18脚双列直插芯片。其1~8脚是8位地址编码输入端,使用时其状态与VD5026的1~8脚地址状态完全对应,否则VD5027不能译码。14脚是信息码输入端。10~13脚及17脚是译码输出端。15、16脚是内置振荡器电阻输入端,使用时必须与VD5026的15、16脚的电阻保持一致 。
      当VD5027译码到的地址(VD5O26的地址编码)与自己的地址编码对应时,接收到的VD5026的l0~l3脚的输入状态就被锁存到VD5027的10~13脚,直到VD5026的10~13脚的输入状态再次改变并被VD5027接收到。同时当VD5027译码到的地址与自己的地址编码对应时,17脚就输出高电平,但不保持,一旦VD5027接收不到该信息,17脚就返回到低电平。根据这一特点,设计者可以根据自己的逻辑需要选择合适的控制端。
      根据以上介绍可知, 同一个由VD5026组成的遥控发射器,通过选择不同的地址编码,可以控制6561个由VD5027组成的遥控接收器,进而可以控制多达6561个对象,应用非常方便。

    3.3.1 PT2262/PT2272无线发射与接收电路的论证
      PT226/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位、通用编解码电路,PT2262/2272最多可有12位{AO—A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(DO—D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从6脚串行输出,可用于无线遥控发射电路。
      PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改:
      在通常使用中,我们一般采用8位地址码和4位数据码,这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1—8脚为地址设定脚,有三种状态可供选择:悬空、接正电源、接地三种状态。3的8次方为6561,所以地址编码不重复度为6561组,只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同才能配对使用。当两者地址编码完全一致时,接收机对应的DO~D5端输出约4V互锁高电平控制信号,同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级放大,便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
      此两种方案都比较方便,容易实现,这里选用PT2262/PT2272。

    3.4 方案四:单片机的论证
      8051是MCS-51系列单片机的典型产品。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。
      此单片机价格低,功能多,实现方便,外围电路少,所以选用此单片机。

    4 危险气体泄露报警器设计
    4.1 可燃性爆炸气体的形成
      可燃性爆炸气体是指由两种或两种以上成分组成的爆炸性物质。其成分之一是可燃物(还原剂),二是助燃剂(氧化剂)。这类爆炸主要是可燃性气体与空气或氧气的混合物所发生的爆炸。如果可燃气体与空气或氧气混合后,一旦达到它的爆炸极限,遇火源即发生爆炸。一般来说不同的可燃气体有不同的爆炸极限。爆炸极限浓度通常用可燃性气体的体积百分浓度表示,如甲烷的爆炸下限为5%。它又分为爆炸上限及爆炸下限,爆炸下限用“LEL”表示(Lower Explosive Limit),爆炸上限用“UEL”表示(Upper Explosive Limit)。可燃性气体在空气(或氧)中的含量低于下限或高于上限都不会发生爆炸。如果可燃性气体浓度小于爆炸下限即为过稀的混合物,它无爆炸危险,引燃时过稀的混合物很快地燃烧掉。相反如果可燃性气体浓度高于爆炸上限,即混合物的浓度过大,空气(或氧)的含量不足,也不能形成爆炸。如:空气中甲烷的爆炸下限为5%,爆炸上限为15%也就是说空气中甲烷浓度在5%.15%是最危险的,一旦遇火源即会引起爆炸。
    4.2 可燃气体报警器的分类
    4.2.1 按使用方法分类
      (1) 便携式可燃气体报警器仪器将传感器,测量电路,显示器,报警器,充电池,抽气泵等组装在一个壳体内,成为一体式仪器,小巧轻便,易携带,泵吸式采样,可随时检测。
      (2) 固定一体式可燃气体报警器与便携式一样,不同的是安装在现场,220V交流供电,连续自动检测报警,大多为扩散式采样。
      (3) 固定分体式可燃气体报警器传感器和信号变送电路组装在一个防爆壳体内,俗称探头,安装在现场。二次仪表也称控制器包括数据处理,显示器,报警控制和电源,安装在控制室(安全场所):探头扩散式采样,二次仪表显示报警。
    4.2.2 按传感器原理分类
      (1) 催化燃烧式可燃气体报警器检测各种可燃气体或蒸汽。由两只固定电阻构成惠斯登检测桥路。测量时要在参比和测量电桥上施加电压,使之加热而发生催化反应。正常情况下,电桥是平衡的,V1=V2,输出为零,如有可燃性气体存在,它的氧化过程会使测量桥被加热,温度增加,而此时参比桥温度不变,电路会测出它们之间的电阻变化+V2>V1,电桥输出一个变化的电压信号,这个电压信号的大小与可燃气体的浓度成正比。它具有选择性好、反应准确、稳定性好、定量检测、控制可靠、不易产生误报。目前绝大部分可燃气体检测采用该类型传感器。
      (2) 红外式可燃气体报警器(根据滤光技术而定):红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有抗中毒性好,反应灵敏,对大多数碳氢化合物都有反应:但结构复杂,成本高。
      (3)半导体式可燃气体报警器半导体式传感器利用被测气体的吸附作用,改变半导体的电导率,通过电流变化的比较,激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大,输出线形不稳定。因其反应十分灵敏,故目前广泛用于测量气体的微漏现象。
      (4) 热导式可燃气体报警器的工作原理是利用各种气体不同的热导系数,即具有不同的热传导速率来进行测量的。当被测气体以恒定的流速流人仪器时,热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化,运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号,通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化,使其成为测量值。氢气浓度的测量一般采用热导式气体分析仪器,由于氢气的热导系数较高,一般测量氢气浓度的分析仪器都采用热导原理。

    4.3 主要技术指标
    4.3.1 技术参数
      a、工作电压:交流220V
      b、静态功耗:<2W
      c、报警浓度:液化气 0.1%—0.5%;天然气 0.1%—1%;城市煤气(H2) 0.1%—0.5%;一氧化碳 0.1%—0.4%
      d、燃气响应恢复时间:≤30s;一氧化碳响应恢复时间:≤200s
      e、报警音量:≥70dB
      f、工作环境:湿度≤97%RH;温度-15℃—+50℃

    4.3.2 主要特性
    a稳定性
      稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性,取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时,整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化,表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下,一个传感器在连续工作条件下,每年零点漂移小于10%。
    b 灵敏度
      灵敏度是指传感器输出变化量与被测输人变化量之比,主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术,它对目标气体的阀限制(TLV-thresh -old limit value )或最低爆炸限(LEL -lower explosive limit )的百分比的检测要有足够的灵敏性
    c 选择性
      选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的,因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性,理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。
    d 抗腐蚀性
      抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时,探头应能够承受期望气体体积分10-20倍。在返回正常工作条件下,传感器漂移和零点校正值应尽可能小。
      气体传感器的基本特征,即灵敏度、选择性以及稳定性等,主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料,使气体传感器的敏感特性达到最优。
    4.3.3 器件选择
    a.MR513热线型半导体气敏元件
      MR513型气敏元件通过气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理,由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR513由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂,遇可燃性气体时检测元件电阻减小,桥路输出电压变化,该电压变化随气体浓度增大而成比例增大,补偿元件起温度补偿作用。该器件适合民用,工业现场的便携式酒精探测器和汽车点火控制系统。
    b.MQ—303A酒精传感器
      MQ—303A是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器,对酒精具有高灵敏度和快速的响应性,适合于便携式酒精探测器和汽车点火控制系统。
    c.M007可燃性气体传感器
      M007可燃性气体传感器用于家庭及工业对丙烷,丁烷,氢气及其他可燃性气体的检测(天然气,液化石油气等)。
    4.4 工作原理
    危险气体泄露报警器电路如图1—1
      工作过程是:在待机状态下,传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度,当室内可燃性气体的浓度超过5%时,传感器产生的电压将超过门限电压,此时振荡器开始工作,输出脉冲去控制蜂鸣器发出报警,同时经三极管控制继电器,将拍风扇打开,使可燃性气体的浓度降低,避免因可燃性气体的浓度过高引起爆炸或使人员发生中毒,同时控制无线发射电路工作,发出无线报警信号,使远程监控人员及时发现,避免重大事故的发生。
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  • Nature综述: 微生物与气候变化

    千次阅读 2020-11-20 07:00:00
    编译:艾奥里亚,编辑:十九、江舜尧。导读在人类繁衍至今的地球上,大多数物种正遭受着气候变化的影响。微生物支持所有高等营养生命形式的存在。为了了解地球上的人类和其他生命形式(包括那些我们尚...

    编译:艾奥里亚,编辑:十九、江舜尧。

    导读

    在人类繁衍至今的地球上,大多数物种正遭受着气候变化的影响。微生物支持所有高等营养生命形式的存在。为了了解地球上的人类和其他生命形式(包括那些我们尚未发现的)如何能够抵御人为的气候变化--重要的是纳入对微生物的了解。我们不仅应该了解微生物如何影响气候变化(包括温室气体的生产和消耗),还应该了解它们将如何受到气候变化和其他人类活动的影响。这一共识声明记录了微生物在气候变化生物学中的核心作用以及其在全球范围内的重要性。它提醒人们,气候变化的影响将在很大程度上取决于微生物的响应,而微生物的响应对于实现环境可持续发展的未来至关重要。

    论文ID

    原名:Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change

    译名:科学家对人类的警告:微生物与气候变化

    期刊:Nature Reviews Microbiology

    IF:34.648

    DOI:https://doi.org/10.1038/s41579-019-0222-5

    发表时间:2019年

    通信作者:Ricardo Cavicchioli

    通信作者单位:新南威尔士大学(The University of New South Wales)

    文章上线一年就被引186次,可见期重要性和影响力

    综述内容

    人类活动及其所产生的气候环境变化造成生物多样性的下降。目前对物种、群落和生境损失的研究较多,但在气候变化的背景下(特别是气候变化对微生物的影响),有关微生物的研究较少。虽然人类对微生物的影响不那么明显,但需要关注的是微生物多样性和活动的变化将何如影响其他生物生产力的恢复,从而影响它们应对气候变化的能力。微生物在养分循环、动植物健康(包括人类)、农业和全球食物网中发挥着关键作用。微生物生活在地球上被宏观有机体占据的所有环境中,同样它们也是深层环境或“极端”环境的唯一生命形式

    尽管微生物在调节气候变化方面至关重要,但它们很少成为气候变化研究的重点,在政策制定中也未被提及。在这一共识声明中,作者阐述了微生物、宏观有机体和气候变化之间的联系,并提醒人类,除非人类认识到微生物过程的重要性,否则将从本质上限制我们对地球生物圈的理解和对气候变化的响应,从而危及创造一个可持续发展的未来。

    1 共识声明的范围

    人们将“微生物”定义为肉眼看不见的任何微生物或病毒(小于50μm),这些微生物或病毒可以单细胞、多细胞、聚集体(例如,生物膜)或病毒等形式存在。除了微观细菌、古菌、真核生物和病毒之外,作者还讨论了某些宏观的单细胞真核生物(例如,较大的海洋浮游植物)和木质素分解真菌。作者的目的不是详尽地涵盖所有环境或所有人为影响,而是提供来自全球主要生物群落(海洋和陆地)的例子,突出气候变化对微生物过程的影响。作者还强调了农业和传染病以及微生物在缓解气候变化中的作用。本共识声明提醒微生物学家和非微生物学家,微生物在加速或减轻人为气候变化影响方面的重要作用。

     

    2 海洋生物群

    海洋生物占地球表面的70%,从沿海河口,红树林和珊瑚礁到公海(图1)。温度上升不仅会影响生物过程,还会降低水的密度,导致分层和环流现象的发生,从而影响生物的扩散以及营养物质的运输。降水,盐度和风也影响分层,混合以及环流。来自空气、河流和河口流动的养分输入同样会对微生物的组成和功能造成影响,而气候变化会影响所有这些物理因素。

    海洋环境中除了数量庞大的海洋微生物外,还发挥着重要的生态系统功能。海洋微生物通过碳和氮的固定,使有机物矿化,形成海洋食物网以及全球碳和氮循环的基础。颗粒有机物中碳的沉积以及其固定到海洋沉积物中过程是大气中螯合CO2的关键长期机制。因此,通过矿化和海底储藏碳氮的释放之间的平衡决定了气候变化。除了变暖(由于大气中CO2浓度的增加,增强了温室效应),海洋环境自工业化前以来酸化了约0.1个pH单位,预计到本世纪末还会进一步减少0.3-0.4个单位。因此有必要了解海洋生物将做出何种响应。温室气体浓度升高对海洋温度,酸化,分层,混合,温盐环流,养分供应,辐射和极端天气事件的影响会对海洋微生物菌群产生重大环境影响,这些影响包括生产力,海洋食物网,海底碳排放和固定等方面。

    图1 海洋和陆地生物中的微生物和气候变化。在海洋环境中,微生物初级生产大大促进了CO2的固存。海洋微生物还回收营养,用于海洋食物网和过程中释放CO2到大气。在广泛的陆地环境中,微生物是有机物质的关键分解物,在土壤中释放养分用于植物生长,同时释放CO2和CH4进入大气。微生物生物量和其他有机物(植物和动物的残余物)在数百万年内被转化为化石燃料。人类活动的许多活动,包括农业、工业、运输、人口增长和人类消费,再加上包括土壤类型和光照在内的当地环境因素,极大地影响了微生物与其他微生物、动植物相互作用的复杂网络。这些相互作用决定了微生物如何应对和影响气候变化,以及气候变化如何反过来影响微生物。

     

    2.1 微生物影响气候变化

    海洋浮游植物只占全球植物生物量的1%,但却完成了全球一半的光合作用(CO2的固定以及O2的产生)。与陆生植物相比,海洋浮游植物分布范围更广,受季节变化的影响较小,周转率更快。因此,浮游植物在全球范围内对气候变化反应迅速。太阳辐射、温度和淡水向地表水输入的增加加强了海洋分层,从而减少了营养物质从深水到地表水的输送,降低了初级生产力。相反,CO2含量的升高,在营养成分不受限制的情况下,可以增加浮游植物的初级生产力。一些研究表明,在过去的一个世纪里,全球海洋浮游植物的总体密度有所下降,但由于数据获得的有限性、分析方法的差异等多方面原因,这些结论需要进一步考证。也有研究发现全球海洋浮游植物产量增加以及特定区域或特定浮游植物群的变化。全球海水冰面积的下降,导致更高的光渗透率和潜在的更多初级生产;然而,对于可变混合模式、养分供给变化以及极地地区的生产力趋势影响的预测效应相存在矛盾的现象。这强调了收集关于浮游植物生产和微生物群落组成的长期数据的必要性。

    除了海洋浮游植物对CO2固定的贡献外,化学自养古菌和细菌同样可以在深水黑暗条件下以及极地冬季期间在表层进行CO2的固定。海底产甲烷菌和甲烷氧化菌是CH4的重要生产者和消费者,但它们对这种温室气体大气通量的影响尚不确定。海洋病毒、嗜细菌细菌以及真核食草动物也是微生物食物网的重要组成部分。气候变化对捕食者-被捕食者的相互作用的影响,包括病毒-宿主的相互作用,可以影响全球生物地球化学循环。

    气溶胶影响云的形成,从而影响阳光照射和降水,但它们影响气候的程度和方式仍不确定。海洋气溶胶由海盐、非海盐硫酸盐和有机分子的复杂混合物组成,可以作为云凝结的核,影响辐射平衡,从而影响气候。了解海洋浮游植物对气溶胶的贡献方式,可以更好地预测不断变化的海洋环境将如何影响云层和对气候的反馈。此外,大气本身含有大约1022个微生物细胞,确定大气微生物生长和形成聚集体的能力对于评估它们对气候的影响具有重要价值。

    植物生长的沿海生境对于碳的固定具有十分重要的意义,人类活动,包括人为的气候变化,在过去的50年里使这些栖息地减少了25-50%,海洋捕食者的数量减少了高达90%。基于微生物活动决定了有多少碳被再矿化并释放为CO2和CH4,同时考虑到如此广泛的环境扰动,因此这些扰动对微生物群落的影响同样需要进一步评估。

     

    2.2 气候变化对微生物的影响

    气候变化扰乱了物种之间的相互作用,迫使物种适应、迁移或被其他物种取代或灭绝。海洋变暖、酸化、富营养化和过度使用(例如捕鱼、旅游)共同导致珊瑚礁的衰退,并可能导致生态系统的改变。一般来说,微生物比宏观生物更容易分散。然而,许多微生物物种存在生物地理差异,扩散、生活方式和环境因素强烈影响群落组成和功能。海洋酸化使海洋微生物的pH条件远远超出其历史范围,从而影响到其胞内pH水平。不善于调节体内pH值的物种会受到更大的影响,许多环境和生理因素影响微生物在其本土环境中的反应和整体竞争力。例如,温度升高会增加真核浮游植物的蛋白质合成,同时降低细胞核糖体浓度。由于真核浮游植物的生物量为~1 Gt C,核糖体富含磷酸盐,气候变化引起的氮磷比的改变将影响全球海洋的资源分配。海洋变暖被认为有利于较小的浮游生物而不是较大的浮游生物,改变了生物地球化学通量。海洋温度升高、酸化和营养供应减少预计将增加浮游植物细胞外溶解有机质的释放,微生物食物网络的变化可能导致微生物产量增加,而牺牲更高的营养水平。温度升高还可以缓解铁对固氮蓝藻的限制,对未来变暖海洋的食物网提供的新氮来源具有潜在的深远影响。需要认真注意如何量化和解释环境微生物对生态系统变化和与气候变化相关的压力的响应。因此,关键问题仍然是关于菌群转移的功能后果,例如碳再矿化与碳固存的变化,以及与养分循环之间的关系。

     

    3 陆生生物

    陆地生物量是海洋生物量的100倍,其中陆地植物约占全球一半的净初级生产力。土壤储存了约2万亿吨的有机碳,其数量远高于大气和植被中碳的总和。陆地环境中的微生物总数与海洋环境中的总数相似。土壤微生物调节储藏在土壤中以及释放到大气中的有机碳的数量,并通过提供调节生产力的多种营养元素间接地影响植物和土壤中的碳储存。

    植物通过光合作用吸收大气中的CO2,并产生有机质;相反,植物的自养呼吸和微生物的异养呼吸将CO2释放回大气中。温度影响这些过程之间的动态平衡,从而影响陆地生物圈捕获、储存人为碳排放的能力(图1)。而气候变暖可能加速碳的排放。森林覆盖陆地面积的30%,占陆地初级生产力的50%,对人为排放的CO2的固存率高达25%。永久冻土中的有机物质中碳的积累远超过呼吸所损失的,创造了最大的陆地碳汇。但由于气候变暖预计将使永久冻土减少28-53%,从而使大型碳库可用于微生物呼吸以及温室气体排放。

    通过对表层土壤(10cm)和以及深层土壤(100cm)剖面进行对比评估发现,气候变暖会增加碳向大气中的排放。有关不同土壤地点之间碳损失的差异的进一步解释需要更多的预测变量。然而,来自全球对变暖反应的评估的预测表明,气候变暖条件下,陆地碳损失产生了积极的反馈,加速了气候变化的速度,特别是在寒冷和温带地区(这些地区储存全球大部分土壤碳)。

     

    3.1 微生物对气候变化的影响

    CO2含量的升高,提高了初级生产力,增加了植物凋落物含量,促进了微生物对凋落物的分解从而导致更高的碳排放。温度的影响不仅是微生物反应速率的动力学效应,也是植物输入刺激微生物生长的结果。一些固有的环境因素(如微生物群落组成、枯木密度、氮素可获得性和水分)影响微生物活动,这就需要通过地球系统模型对气候变暖所造成的土壤碳损失进行预测,以纳入对生态系统过程的控制。在这方面,植物养分的可获得性影响森林的净碳平衡,营养贫乏的森林比营养丰富的森林释放更多的碳。植物将约50%的固定的碳释放到土壤中,供微生物生长。分泌物除了被微生物利用作为能源外,还可以破坏矿物-有机体的结合,从微生物呼吸利用的矿物中释放出有机化合物,增加碳排放。这些植物-矿物质相互作用的相关性说明了在评估气候变化的影响时,除了生物相互作用(植物-微生物)之外,生物-非生物相互作用的重要性。

    土壤有机质用于微生物降解还是长期储存取决于许多环境因素,包括土壤矿物特征、酸度、氧化还原状态、水的有效性、气候等方面。有机物的性质,特别是基质的复杂性,同样会影响微生物的分解。此外,不同土壤类型中微生物获取有机质的能力具有差异性。如果将可获得性考虑在内,预计大气中CO2含量的增加将促进微生物的分解能力,这会使得土壤中有机碳的留存量降低。升高的CO2浓度增强了植物和微生物之间对氮的竞争。食草动物会影响土壤中的有机质含量,从而影响微生物的生物量和活性。气候变化可以减少食草动物,导致全球氮和碳循环的总体变化,从而减少陆地碳的固定。有害动物(例如蚯蚓)通过间接影响植物(例如,增加土壤肥力)和土壤微生物来影响温室气体排放。蚯蚓肠道中的厌氧环境含有执行反硝化并产生N2O的微生物。蚯蚓提高了土壤肥力,它们的存在可以导致温室气体净排放,尽管温度升高和降雨量减少对有害生物摄食和微生物呼吸的综合影响可能会减少排放。

    在泥炭地,抗腐烂的枯枝落叶等会抑制微生物分解,同时水饱和度限制了氧的交换,促进了厌氧菌的生长以及CO2和CH4的释放。植物凋落物组成和相关微生物过程的变化(例如,减少对氮的固定化和增强的异养呼吸)正在将泥炭地从碳汇转变为碳源。永久冻土的融化使得微生物可以分解先前冻结的碳,释放CO2和CH4。永久冻土的融化导致了水饱和土壤的增加,这促进了产甲烷菌和一系列微生物产生CH4和CO2。据预测,到本世纪末,缺氧环境的碳排放将比好氧环境的排放在更大程度上驱动气候变化。

     

    3.2 气候变化对微生物的影响

    气候的改变可以直接(例如季节性和温度)或间接(例如植物组成、植物凋落物和根系分泌物)影响微生物群落的结构和多样性。土壤微生物多样性影响植物多样性,对包括碳循环在内的生态系统功能很重要。短期实验室模拟变暖以及长期(50多年)自然地热变暖最初都促进了土壤微生物的生长和呼吸,导致CO2净释放,随着基质的耗尽,导致生物量减少,微生物活性降低。这意味着微生物群落不容易适应高温,由此产生的对反应速率和底物损耗的影响减少了碳的整体损耗。相比之下,一项长达10年的研究发现,土壤群落能够通过改变基质使用的模式以适应升高的温度,从而减少碳的损失。在年平均温度范围超过20°C的森林土壤中也发现了细菌和真菌群落的实质性变化。

    微生物生长对温度的响应是复杂多变的。微生物生长效率是衡量微生物如何有效地将有机物转化为生物量的指标,效率较低意味着更多的碳被释放到大气中。一项为期一周的实验室研究发现,温度升高导致微生物周转率增加,但微生物生长效率没有变化,同时该研究预测,气候变暖将促进土壤中的碳积累。一项长达18年的实地研究发现,土壤温度越高,微生物的效率就会降低,在这段时间结束时,不易分解的底物的分解会增加,同时土壤碳的净损失也会增加。

    气候变化通过温度、降水、土壤性质和植物输入等几个相互关联的因素直接或间接地影响微生物群落及其功能。由于沙漠中的土壤微生物受到碳的限制,植物增加的碳输入促进了含氮化合物的转化,微生物生物量,多样性,酶活性以及对复杂有机物的利用。虽然这些变化可能会增强呼吸作用和土壤中碳的净损失,但干旱和半干旱地区具有的特点可能意味着它们可以起到碳汇的作用。为了更好地了解地上植物生物量对CO2水平和季节性降水的响应,我们仍需增加对微生物群落响应以及功能的了解。

    气候变化同样也使湖泊、海水等环境中富营养化的频率、强度和持续时间增加。水华蓝藻能够产生各种神经毒素、肝毒素和皮毒素,危害鸟类和哺乳动物的健康。有毒蓝藻目前已造成了包括中国太湖在内的全世界多个地区严重的水质问题。气候变化直接和间接地有利于蓝藻的生长,许多形成水华的蓝藻可以在相对较高的温度下生长。与此同时,湖泊和水库热分层的增加使浮力蓝藻能够向上漂浮并形成密集的表面水华,这使它们能够更好地获得光,更加具有选择性优势。目前实验室和原位实验都证明了有害的蓝藻Microcystis属具有适应高CO2的能力。因此,气候变化和CO2含量的增加预计会影响蓝藻水华的菌株组成。

     

    4 农业

    根据世界银行表明(世界银行关于农业用地的数据),近40%的陆地环境专门用于农业。这一比例在未来预计有可能增加,这将导致土壤中碳、氮和磷以及其他养分的循环发生重大变化。此外,这些变化与生物多样性的丧失息息相关。增加对使用植物和动物相关的微生物的了解,以提高农业可持续性发展,减轻气候变化对粮食生产的影响,但这样做需要更好地了解微生物对气候变化的响应。

     

    4.1 微生物对气候变化的影响

    甲烷菌在自然和人工厌氧环境中产生甲烷,此外还有与化石燃料相关的人为甲烷的排放(图2)。近年来(2014-2017)大气CH4水平显著升高,但其背后的原因尚不清楚。尽管水稻仅覆盖了10%的可用耕地,但却养活了全球一半的人口,同样,稻田也贡献了农业20%的CH4排放的。据预测,到本世纪末,人为气候变化将使水稻生产产生的CH4排放量翻一番。反刍动物是人为CH4排放的最大单一来源,反刍动物肉类生产所产生的碳排放比植物高蛋白食物生产的碳排放高19-48倍;即使是非反刍动物肉类生产所产生的CH4也比植物高蛋白食物生产的碳排放高出3-10倍。化石燃料的燃烧和化肥的使用大大增加了环境中可利用氮含量,扰乱了全球生物地球化学过程,威胁到生态系统的可持续发展。农业是温室气体N2O的最大排放者,N2O通过微生物氧化和氮的还原而释放。气候变化扰乱了微生物氮转化(分解、矿化、硝化、反硝化和固定)和N2O的释放速率。迫切需要了解气候变化和其他人类活动对氮化合物微生物转化的影响。

    图2 农业以及其他人类活动影响微生物。农业活动以具体的方式影响微生物群落。土地使用(例如,植物类型)和污染来源(例如,肥料)扰乱微生物群落组成和功能,从而改变碳、氮和磷转化的自然循环;产甲烷从反刍动物(例如,牛、绵羊和山羊)和具有厌氧条件的饱和土壤(例如稻田和人工湿地)直接产生大量的甲烷;导致微生物多样性减少的人类活动也降低了微生物支持植物生长的能力。

     

    4.2 气候变化对微生物的影响

    升温和干旱强烈地影响着作物的生长。以真菌为基础的土壤食物网在广泛管理的农业(例如牧场)中很常见,而以细菌为基础的食物网通常出现在集约化系统中,但与后者相比,前者更能适应干旱环境。对全球范围内的表层土进行评估发现,土壤真菌和细菌占据了特定的生态位,并且对降水和土壤pH的响应不同,这表明气候变化将对它们的丰度、多样性和功能产生不同的影响。预计由于气候变化而增加的干旱会导致全球旱地中细菌和真菌的多样性和丰度的减少,这种减少将进一步降低微生物群落的整体功能,从而限制了它们支持植物生长的能力。

    气候变化和富营养化(由于化肥的施用)对微生物竞争力的综合影响存在不可预测的影响。例如,营养丰富通常有利于有害的藻类繁殖,但在相对较深的Zurich湖中观察到了不同的结果。

     

    5 感染性疾病

    气候变化影响着海洋和陆地生物群中疾病的发生和传播(图3),这取决于不同的社会经济、环境和宿主病原体特有的因素。了解疾病的传播和设计有效的控制策略需要充分了解病原体、及其传播媒介和宿主的生态学,以及扩散和环境因素(表1)。例如,海洋酸化还可能直接导致鱼类等有机体的组织损伤,潜在地导致免疫系统减弱,从而创造细菌入侵的机会。对于农作物来说,当人们考虑对病原体的响应时,包括CO2水平、气候变化、植物与病原体的相互作用在内的不同相互作用的因素都是重要的。不同的的微生物能够引起不同的植物疾病,进而影响作物生产,导致饥荒,并威胁粮食安全。病原体的传播和疾病的出现是通过物种的运输和引进来促进的,并受天气对扩散的影响和生长环境条件的影响。

    图3 气候变化加剧了病原体的影响。人为的气候变化改变了自然生活,从而使病原体引起疾病情况增加;对水产养殖、粮食生产动物和作物的影响威胁到全球粮食供应;人类活动(如人口增长和运输),加上气候变化,增加了病原体的抗生素抗性,从而增加了人类、其他动物和植物的疾病。

    表1 病原体对气候和环境因素的传播响应。

     

    气候变化可以通过改变宿主和寄生虫的适应来增加疾病风险。对于外温动物(如两栖动物),温度可以通过扰乱免疫反应,从而增加感染的易感性。每月和每天不可预测的环境温度波动增加了古巴树蛙对病原菊苣真菌Batrachochytrium dendrobatidis的敏感性。温度升高对感染的影响与真菌在纯培养中生长能力下降形成对比,说明在评估气候变化的相关性时,更应该注重于评估宿主-病原体的反应(而不是从分离微生物的生长速率研究中推断)。气候变化预计会增加一些人类病原体对抗生素的耐药率。2013-2015年的数据表明,日最低温度提高10°C,将导致Escherichia coliKlebsiella pneumoniae以及Staphylococcus aureus的抗生素耐药率增加2-4%。潜在的潜在机制包括:高温促进抗药性可遗传因子的水平基因转移,以及提高病原体生长率,促进环境的持久性、携带和传播等。

    食源性、气源性、水源性和其他环境病原体可能易受气候变化的影响(表1)。对于媒介传播的疾病,气候变化将影响媒介的分布,从而影响疾病传播的范围,以及媒介传播病原体的效率。许多传染病,包括几种媒介传播疾病和水传播疾病,都受到大规模气候现象(如ENSO)造成的气候变化的强烈影响,这种现象每隔几年就会破坏全球约三分之二地区的正常降雨模式和温度变化。据报道,与ENSO有关的疾病有疟疾、登革热、齐卡病毒病、霍乱、鼠疫、非洲马病和许多其他重要的人类和动物性疾病。

    尽管已经在自然和实验室条件下,微生物种群的适应机制已有研究,但与动物(包括人类)和植物相比,微生物物种适应当地环境的研究较少。与植物和动物相关的病毒、细菌和真菌病原体以影响生态系统功能、影响人类健康和粮食安全的方式适应非生物和生物因素。病原农业真菌的适应模式很好地说明了微生物活动与人类活动之间的循环反馈。“农业适应”病原体引起流行病的可能性比自然产生的菌株更高,这会对作物生产构成更大的威胁。真菌病原体通过进化以适应更高的温度来增强它们入侵新的栖息地的能力,这使真菌病原体对自然和农业生态系统构成的威胁更加复杂。

     

    6 微生物减缓气候变化

    增加对微生物相互作用的了解将有助于设计缓解和控制气候变化及其影响的措施。例如,了解蚊子如何对Wolbachia细菌(节肢动物的一种常见共生体)作出反应,通过将Wolbachia引入埃及伊蚊种群并将其释放到环境中,从而减少了寨卡病毒、登革热和基孔肯雅病毒的传播。在农业方面,了解将N2O还原为无害N2的微生物的生态生理学的进展为减少排放提供了选择。生物炭是广泛和间接减轻气候变化微生物影响的农业解决方案的一个例子。生物炭是通过限制氧条件下生物质的热化学转化而产生的,其可以通过减少微生物矿化和减少根系分泌物对矿物释放有机物的影响,从而促进植物的生长,减少碳的释放,从而改善有机质的存留。

    微生物生物技术可以为可持续发展提供解决方案,微生物技术同样为实现联合国17个可持续发展目标中的许多目标提供了实用的解决方案(化学品、材料、能源和补救措施),解决贫困、饥饿、健康、清洁水、清洁能源、经济增长、产业创新、可持续发展等问题。毫无疑问,通过提高公众对全球变暖中微生物的主要作用的认识,即通过实现社会的微生物学素养,无疑会促进对此类行动的支持。

     

    7 总结

    微生物对固碳做出了重大贡献,特别是海洋浮游植物,它们固定的净CO2与陆地植物一样多。因此,影响海洋微生物光合作用和随后在深水中储存固定碳的环境变化对全球碳循环具有重要意义。微生物还通过异养呼吸(CO2)、产甲烷(CH4)和反硝化(N2O)等作用对温室气体排放做出重大贡献。许多因素影响微生物温室气体捕获与排放的平衡,包括生物群落、当地环境、食物网的相互作用和反应,特别是人为气候变化和其他人类活动。直接影响微生物的人类活动包括温室气体排放、污染、农业活动以及人口增长,这些活动促进了气候变化、污染、农业活动以及疾病传播。人类活动改变了碳固定与释放的比率,将加速气候变化的速度。相比之下,微生物也提供了重要的机会,可以通过改善农业、生产生物燃料和修复污染来补救人为问题。

    为了理解可控范围内小规模相互作用的微生物多样性和活动如何转化为大系统通量,重要的是将研究结果从个体扩展到群落,再到整个生态系统。为了了解世界各地不同地点的生物地球化学循环和气候变化反馈,我们需要关于推动物质循环的生物(包括人类、植物和微生物)以及调节这些生物活动的环境条件(包括气候、土壤理化特性、地形、海洋温度、光和混合)的定量信息。

    现存的生命经过了数十亿年的进化,产生了巨大的生物多样性,而微生物多样性与宏观生命相比实际上是无限的。由于人类活动的影响,宏观生物的生物多样性正在迅速下降,这表明动植物物种的宿主特异性微生物的生物多样性也将减少。然而,与宏观生物相比,人类对微生物与人为气候变化之间的联系所知甚少。我们可以认识到微生物对气候变化的影响,以及气候变化对微生物的影响,但我们对生态系统的了解并不全面,因此,在解释人为气候变化对生物系统造成的影响方面仍存在挑战。由于人类的活动,正导致气候变化,这对全球生态系统的正常行驶功能造成影响。在海洋和陆地生物群落中,微生物驱动的温室气体排放的增加,并积极地反馈给气候变化。忽视微生物群落对气候变化的作用、影响和反馈反应可能导致会导致对人类的发展造成威胁。目前迫切需要立即、持续和协调一致的努力,明确将微生物纳入研究、技术开发以及政策和管理决策当中。

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