編者按：為解碼生命科學最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

光合作用是植物、藻類以及一些特殊細菌利用太陽能將二氧化碳和水轉化為有機物并釋放氧氣的過程。該過程不僅能為其自身生長提供營養(yǎng)，還可以在一定程度上減緩大氣中溫室氣體的積累，從而幫助我們抵御全球變暖。

干旱環(huán)境對植物的生長有很大的影響，包括根系受損、光合作用受阻、水分收支不平衡以及生長受限等，最終將導致植物的產量下降，對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生物多樣性造成威脅。

中國的沙漠面積超過六十萬平方公里，是全球沙漠面積最廣的國家之一。在沙漠中種植植物不僅能夠固沙防風、減少水土流失，還能消耗溫室氣體，為抵御全球變暖作出巨大貢獻。那么如何實現(xiàn)在干旱的沙漠種植植物呢？

沙漠植物

（圖片來源：veer圖庫）

一張膜，哪里神奇？

2024年5月21日，我國科學家在《自然可持續(xù)》（Nature Sustainability）雜志上發(fā)表了一篇關于促進植物光合作用的輻射冷卻膜的文章，有望解決氣候變化中“水-糧食-能源”關系問題。

研究成果發(fā)表于《自然可持續(xù)》雜志

（圖片來源：《自然可持續(xù)》雜志）

作者通過建模，確定凈輻射能的輸入與植物的生長有很大的關系，凈輻射能的輸入與溫度變化速率和水分丟失速率息息相關。基于此，作者制備了三明治結構的光合活性輻射冷卻膜(PRCF)。

PRCF由聚二甲基硅氧烷(PDMS)輻射層、優(yōu)化后的光子晶體層和聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠層組成，聚二甲基硅氧烷層具有較高的中紅外發(fā)射率，可以實現(xiàn)最大的輻射冷卻；光子晶體層可以選擇性地透過適合光合作用的光，促進光合作用；聚丙烯酰胺層可以防止起霧，避免水蒸氣凝結的遮陽效應。

光合活性輻射冷卻膜的設計與表征。

（a.??? 旱地種植植物的挑戰(zhàn)；b. 溫度變化速率和水分丟失速率與凈輻射的關系；c. PRCF的使用效果圖；d. 陽光透射率和中紅外發(fā)射率與波長的關系；e,f. PRCF的介紹；g,h,i,j. PRCF的表征）

（圖片來源：參考文獻1）

為驗證光合活性輻射冷卻膜的降溫和節(jié)水效果，作者將其與聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片覆蓋的土壤和沒有覆蓋的土壤進行了戶外溫度控制實驗。

實驗結果顯示，PRCF傳輸?shù)膶χ参锕夂献饔糜行У年柟馑脚c聚氯乙烯（PVC）薄膜、紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片兩個對照組相似，但是卻能大大減少其他波長的陽光輸入。

此外，PRCF具有較高的中紅外波長的輻射能量輸出，有助于減少輻射熱負荷。PRCF實驗組的最低氣溫為35.4℃，比UV-NIR濾光片、PVC膜和無覆蓋物情景分別低2.4℃、4.6℃和1.9℃。與紫外–近紅外（UV–NIR）濾光片、聚氯乙烯（PVC）薄膜和無覆蓋物的對照組相比，PRCF表現(xiàn)出優(yōu)異的減少水分蒸發(fā)的能力。

PRCF具有被動冷卻和減少水分蒸發(fā)的能力，有助于改善植物在干旱炎熱環(huán)境下的生長狀況。研究者評估，在全球范圍內，與不使用薄膜的情況相比，在旱地植物上應用薄膜可將碳匯增加約40%，對減緩氣候變暖具有積極作用。

光合活性輻射冷卻膜的冷卻和節(jié)水性能

(a.用于測試PRCF性能的設備照片；b.不同覆蓋材料的光譜圖；c.不同覆蓋膜對太陽光的傳輸和吸收；d.不同覆蓋材料在不同溫度下的中紅外能量輸出；e.不同覆蓋材料的能量流功率；f,g.不同覆蓋膜條件下，空氣溫度與土壤溫度的比較；h.不同覆蓋膜條件下的水分丟失率）

（圖片來源：參考文獻1）

還有哪些途徑可以消耗二氧化碳？

海水的吸收：海洋是大自然中重要的二氧化碳儲存庫，海水可以通過溶解作用和海洋生物的代謝過程實現(xiàn)二氧化碳的消耗，在調節(jié)大氣中二氧化碳濃度方面起著重要作用。

海洋

（圖片來源：veer圖庫）

微生物的代謝：細菌和浮游生物等利用二氧化碳作為碳源，通過合成有機物質來固定碳，并減少大氣中的二氧化碳濃度。微生物在土壤、水體等環(huán)境中廣泛存在，對二氧化碳的消耗具有重要影響。

化學轉化：通過化學方法，如碳捕獲和儲存（CCS）技術，可以將二氧化碳從工業(yè)排放源中分離出來，并將其儲存在地下或其他安全位置。這種方法可以顯著降低大氣中的二氧化碳濃度，但需要大量的技術投資和政策支持。

種植植物減少二氧化碳

（圖片來源：veer圖庫）

結語：

消耗二氧化碳、減少溫室氣體排放已經成為應對全球氣候變暖過程中刻不容緩的任務。從植物的光合作用到海洋的碳匯，再到微生物的代謝和人為技術的創(chuàng)新應用，我們見證了自然界和人類智慧在應對溫室效應上的不懈努力。

然而，我們必須認識到，這些努力還遠遠不夠。要真正實現(xiàn)溫室氣體的減排目標，需要全社會的共同參與和持續(xù)努力。讓我們從身邊小事做起，節(jié)約能源、減少排放、推廣可再生能源、倡導低碳生活，共同為地球環(huán)境的保護作出貢獻。

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參考文獻：

1. Li, J., Jiang, Y., Liu, J. et al. A photosynthetically active radiative cooling film[J]. Nat Sustain, 2024.
2. 張遠輝,王偉強,陳立奇.海洋二氧化碳的研究進展[J].地球科學進展, 2000, 15(5).
3. 陶雨萱,郭亮,高聰,等.代謝工程改造微生物固定二氧化碳研究進展[J].化工進展, 2023, 42(1).
4. Mackay E .Modelling the injectivity, migration and trapping of CO2 in carbon capture and storage (CCS)[J]. ?2013.