当期目录

2025年, 48卷, 第5期 
刊出日期:2025-05-01
    
  • 全选
  • Gensheng Li, Jinsheng Sun, Zhangxin Chen, Zhenhua Rui
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  • 孙宝昌,米梦彤,王圣毅,王肖娟,宋晓玲,初广文,李学宽,黄东,王丹,陈建峰
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  • Review
     
    Zhenhua Rui, Tingting Liu, Xin Wen, Siwei Meng, Yang Li, Birol Dindoruk
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  • Review
    樊欣,胡青,程玉峰
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     目前,碳捕集与封存(CCS)是唯一成熟且商业化、能有效经济地减少温室气体排放的技术,可对地球二氧化碳水平产生显著即时影响。值得注意的是,由于对地表生态环境影响极小且安全性高,捕获CO₂的长期地质封存已成为主要封存方式。但在超临界CO₂封存环境中,钢制套管腐蚀和水泥降解可能破坏封存井筒的完整性,导致封存CO₂泄漏。本综述旨在通过深入分析地质CO₂封存的环境特性、工程运行及该领域最新研究进展,为相关腐蚀与材料退化问题建立知识基础。本文首先探讨了CO₂在注入与封存期间超临界状态的物理化学特性,随后阐述了地质封存原理、封存系统构建要点,以及涉及含水介质和微生物群落的独特地质-生物-化学环境。在系统分析现有CO₂封存腐蚀知识(包括腐蚀机理、参数影响和腐蚀速率测量方法)的基础上,本文指出了技术空白,并提出了地质CO₂封存系统中钢材腐蚀问题的潜在研究方向。
  • Article
    Kaoping Song, Daigang Wang, Fengyuan Zhang, Hong Fu, Mingxing Bai, Hamid Emami-Meybodi
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  • Article
    王波,成怀刚,刘雄,狄子琛,宋慧平,张东柯,程芳琴
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     煤炭是全球能源的重要组成部分,但在煤炭开采和利用过程中会产生大量的采空区、煤基固废和排放大量的CO2,是生态环境的风险因素之一。基于此,本工作提出了利用煤基全固废矿化低浓度CO2(15% CO2和85% N2)制备充填材料用于煤矿采空区治理的新思路。单一固废的固碳能力依次为电石渣(CS)>赤泥(RM)>粉煤灰(FA)。复合固废(粉煤灰-电石渣-赤泥)矿化CO2充填材料的性能满足采空区充填要求。CO2矿化全固废充填材料(FA60CS20RM20)28天的最大抗压强度为14.9 MPa,较未矿化试块强度提高了32.2%,其固碳能力可达到14.4 kg·t−1。固碳潜力分析表明,单独利用FA、CS和RM可以分别实现3.42、10.78和0.61 Mt的碳减排,而CO2矿化全固废复体系(FA–CS–RM)可以实现1.23 Mt的碳减排。通过中国黄河流域煤矿采空区地下空间的评估可知,全固废矿化充填技术具备封存0.18 Gt的CO2的潜力。该技术为大规模烟气CO2封存、煤基固废物消纳利用和煤矿采空区充填治理提供了一种可行的解决方案,对全球煤炭低碳绿色转型及碳中和具有实际借鉴价值。
  • Article
     
    Rukuan Chai, Qianqian Ma, Sepideh Goodarzi, Foo Yoong Yow, Branko Bijeljic, Martin J. Blunt
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  • Article
     
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  • 研究论文
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    王香增,杨红,黄勇杰,梁全胜,刘静,叶冬青
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    CO₂驱油过程中的封存机制解析至关重要,因为众多碳捕集、利用与封存(CCUS)项目均与提高原油采收率(EOR)密切相关。CO₂在油藏中长期封存需经历驱油和关井两个阶段,涵盖注采同步、只注不采及注采停止等多重动态过程。由于不同阶段CO₂封存的控制机制尚不明确,其长期演化规律仍未被充分认知。本研究通过实验与理论分析,建立了低渗透致密砂岩油藏CO₂封存评价数学模型,涵盖构造/地层封存、残余气封存、溶解封存及矿物封存四大机制。基于华子坪油田精细地质模型,结合试井获得的储层渗透率和裂缝特征参数进行校准,模拟了连续注气和气水交替两种情景下全生命周期CO₂封存动态。结果表明:CO₂封存呈现"完全封存-动态封存-稳定封存"三阶段特征。连续注气方案(情景1)的CO₂封存总量和封存效率分别为6.34×10⁴吨和61%,气水交替方案(情景2)则为4.62×10⁴吨和46%。两种情景下构造/地层封存、残余气封存、溶解封存及矿物封存占比分别为33.36%、33.96%、32.43%、0.25%与15.09%、38.65%、45.77%、0.49%。CO₂封存机制演化呈现整体规律:构造/地层封存与残余气封存先增后减,溶解封存持续衰减,矿物封存稳步递增。基于此,研究构建了低渗透致密砂岩油藏CO₂封存机制长期演化图谱。
  • Article
    Siwei Meng,Fengyuan Zhang,Jiaping Tao,Xu Jin,Jianchun Xu,He Liu
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    The development of shale reservoirs is important in ensuring China’s national energy security by achieving energy independence. Among the key technologies for shale oil production, CO2 fracturing is an effective method that can not only enhance oil recovery but also promote large amounts of CO2 storage, thereby supporting China’s goals of achieving a carbon peak and carbon neutrality. This research paper aims to study the impacts and prospective applications of CO2 fracturing in shale reservoirs, using real exploitation parameters from the GYYP1 well in the Songliao Basin. By utilizing numerical simulation, the dynamics of CO2 production are analyzed. Adsorption and diffusion are identified as pivotal mechanisms for CO2 storage in shale reservoirs. After the analysis of the fracturing process, approximately 22.13% of CO2 is found to be adsorbed, which decreases to 11.06% after ten years due to pressure decline. Diffusion increases the volume of CO2 interacting with a greater extent of shale, thereby enhancing the adsorption mechanism. Over time, the diffusion process results in a remarkable increase of 26.02% in CO2 adsorption, ensuring the long-term and stable storage of CO2 within the shale reservoir. This investigation delves into the contribution of these two crucial mechanisms of CO2 storage in shale reservoirs, ultimately predicting that, by 2030, approximately two million tons of CO2 can be effectively stored in the Daqing Oilfield through CO2 fracturing in shale oil reservoirs. Such an achievement will undoubtedly contribute to the sustainable development of the energy sector and foster the transformation and upgrading of China’s energy structure.
  • Article
     
    Lin Du, Yao-Yu Xiao, Zhi-Chao Jiang, Hongbo Zeng, Huazhou Li
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  • Article
    朱莹, 刘晶晶, 何广智, 谢少华, 单文坡, 连志华, 刘福东, 贺泓
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     催化活性和水热稳定性对用于柴油车尾气净化的NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)催化剂至关重要。本研究合成了一种Sn掺杂Ce-Nb复合氧化物的NH3-SCR催化剂。Sn掺杂显著提升了催化剂的NH3-SCR活性和水热稳定性。即使经过1000 °C的水热老化,该Ce1Sn2Nb1Ox催化剂在325~500 °C温度范围内的NOx转化率仍然大于90%。结合多种表征手段和密度泛函理论计算,明确了Sn物种对该催化剂活性和水热稳定性的促进作用。结果表明,Sn掺杂促进了Ce-Nb活性相的形成,其稳定的结构和物相组成有助于催化剂NH3-SCR性能和水热稳定性的提升。本研究为柴油车NOx排放控制提供了一种优异的高稳定性催化剂。
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    张淑芳 , 李予辉 , 张睿娴 , 李炳志 , 王晴
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     目前,基于聚合酶链式反应(PCR)扩增的文件检索方法是DNA文件检索最常用且有效的方法。正交引物的数量限制了可以被准确访问的文件数量,且会影响单个寡核苷酸池中的文件存储密度。本文针对大容量DNA数据存储提出了一种单个寡核苷酸池中基于PCR文件检索的多模式DNA序列设计方法。首先,通过分析每个预测引物长度下正交引物的最大数量,发现引物长度和最大可用引物数量之间并不呈线性增加的关系,正交引物的最大数量约为104数量级;然后,本文分析了具有不同种类引物结合位点的DNA序列可进行文件映射的最大地址空间容量。在引物库的容量为R(其中R为偶数)的情况下,利用本文所提出的单引物DNA序列设计方案可映射的地址空间数是以前的4倍,并且利用两级引物DNA序列设计方案可以达到$\left[\frac{\mathbb{R}}{2} \bullet\left(\frac{\mathbb{R}}{2}-1\right)\right]^{2}$倍。最后,根据寡核苷酸池中待存储文件的数量要求,设计了一种多模式的DNA序列生成方法,以满足在存储有大规模文件数量的寡核苷酸池中进行目标文件随机检索的需求。验证了利用本文所提正交引物库设计器进行引物生成的性能,其产生的正交引物之间所形成的最稳定异源二聚体的平均吉布斯自由能为-1 kcal∙(mol∙L−1)−1 (1 kcal = 4.184 kJ). 同时,通过选择性PCR扩增对具有两级引物结合位点的DNA序列进行随机访问,当不同位置的引物结合位点序列彼此互异时,支持按照最低103倍的reads数精确读取出目标序列。本文提供了一套用于正交引物库生成以及文件与引物间多模式映射方案的流程,所提方案有助于实现在大规模DNA核苷酸池中对文件的精确随机访问。
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    卢颖娟,张嘉男,赵伊晗,张俊伟,张珍,蒋睿哲,梁竟程,李会东,戴俊彦,崔铁军,程强
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     借助数字编码技术,可重构智能超表面(RIS)已成为实时调控电磁波的高效系统。然而,现有自动设计方法大多需要对单元的无源结构与有源器件进行大量数值仿真,导致数据采集与训练成本高昂。此外,在无源结构设计中,广泛采用的随机像素化方法面临双重挑战:海量像素组合带来的计算复杂性,以及离散化结构引发的激励电流阻断问题,最终导致设计效率与性能难以提升。针对上述两大关键挑战,本文提出一种融合高效拓扑表征与分离式设计架构的通用RIS设计范式。首先,引入非均匀有理B样条(NURBS)表征连续拓扑结构,解决激励电流阻断问题。该表征方法通过少量控制点即可实现连续结构的精细调控,将结构解空间缩小20倍,显著提升RIS优化效率。其次,基于多端口网络理论建立分离式设计架构,实现无源结构与有源器件独立设计,使数据集构建成本降低62.5%。通过多端口理论分步计算,仅需预测一次图案电磁参数即可快速获取不同结构组合下RIS的多状态电磁响应,实现数据集与模型在不同RIS设计间的重复利用。结合混合连续-离散优化算法,本文通过三类典型设计案例(包括两种高性能RIS与一款超宽带多层RIS)验证了所提出的设计范式的优越性。本工作为RIS自动设计提供了高效的解决方案,其生成的结构有望推动RIS在无线通信与传感领域的广泛应用。
  • Article
    游宇杰,谭侃,姜泽坤,章乐
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     沙门氏菌作为一种常见的食源性病原体,鉴于其抗微生物菌株的出现,对公共卫生安全构成了严重威胁。由于目前缺乏基于大语言模型的系统平台,以实现沙门氏菌耐药性预测、数据呈现和数据共享。因此,为了克服以上问题,我们首先提出了一种基于卡方检验和条件互信息最大化的两步特征选择过程,以在泛基因组学分析中找到关键的沙门氏菌耐药基因,并基于Qwen2 大语言模型和低秩自适应开发了一种基于大语言模型的沙门氏菌抗微生物耐药性预测模型SARPLLM,实现准确的沙门氏菌耐药性预测。其次,我们通过构建一个称为QSMOTEN的量子数据增强算法来优化SMOTEN算法的时间复杂度,以线性的计算计算复杂度计算样本间的距离。第三,我们建立了一个基于知识图的用户友好的沙门氏菌耐药性预测在线平台,该平台不仅便于用户进行在线耐药性预测,还可视化沙门氏菌数据集的泛基因组学分析结果。
  • 研究论文
  • Review
    Rui Gao,Shu-Hong Gao,Jun Li,Yiyi Su,Fang Huang,Bin Liang,Lu Fan,Jianhua Guo,Aijie Wang
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    Biological contaminants (BCs), including but not limited to various pathogens and their endogenous pollutants such as intracellular pathogens and antimicrobial resistance genes (ARGs), are ubiquitously detected in effluent of wastewater and drinking water treatment systems which were originally designed to remove common indicator bacteria, resulting in potential impacts on public health. Although there are many emerging technologies that showing promising antimicrobial effects, few have progressed to the actual water scenarios. It’s crucial to understand the main knowledge gaps and thereby design the future developments to better meet engineering requirements. In this review, we first summarize the performance of conventional water treatment towards BCs removal. Then we showcase the advances of proof-of-concept strategies, including nanotechnology, advanced oxidation process, biological control process and integrated techniques, for BCs control in light of antimicrobial mechanisms, characteristics, proper niches in water treatment, challenges and latest improvements. Further, we proposed a semi-quantitative framework coupling life cycle assessment (LCA) and analytic hierarchy process (AHP) to assess and compare the application potential of representative pilot technologies, in which the antimicrobial effects, economic issues and sustainability are comprehensively considered. For wastewater treatment, non-thermal plasma weights highest among the emerging technologies and outperforms conventional disinfection in terms of efficacy indicators (overall inactivation rate, ARGs removal rate and growth inhibition), but fall behind overall mainly due to more energy input. Bacteriophage-based treatment has the potential to synergistically inactive the persistent pathogens in combination with conventional disinfection, serving as a cost-effective and environmental-friendly supplement. For drinking water treatment, the integrated photocatalytic nanocomposite receives the highest application potential among the emerging technologies and appears to be supplementary or even alternative next-generation disinfectants. This review shares valuable insights to propel the proof-of-concept antimicrobial trials towards industrial procedures.
  • Article
     
    Fawei Lin, Hongyun Yao, Chujun Luan, Chenxu Zhong, Huiyi Mao, Lei Che, Hongdi Yu, Guanyi Chen, Eslam Salama, Mona Ossman, Li’an Hou
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  • Article
    丁凡,罗锡文,张智刚,胡炼,吴欣洛,鲍开元,张嘉锐,苑炳轩,张闻宇
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     为实现水稻无人农场、提高作业效率,本研究开发了协同收获-转运系统,使用履带式收获机和运粮车进行全自动收获、卸粮和转运。在此基础上,本研究提出了两种卸粮-转运模式——“收获机等待卸粮(Harvester Waiting for Unloading, HWU)”和“运粮车跟随卸粮(Transporter Following for Unloading, TFU)”,并确定了收获-卸粮-转运(Harvesting–Unloading–Transportation, HUT)策略;通过分解协同收获作业主要阶段、设计模块状态机(Module-State Machines, MSM)、构建状态转换链,采用有限状态自动机(Finite-State Machine, FSM)的概念和方法,设计了适合嵌入式导航控制器的 HUT 协同作业逻辑框架,解决了HUT 协同作业中多阶段、非顺序和流程复杂的问题。本研究采用仿真和田间收获试验结合的方法评估所提出策略和系统的适用性。试验结果表明:HUT 协同作业策略能够将路径规划、路径跟踪控制、机间通信、协同作业控制和机具控制有效地结合在一起,可以实现全流程自主收获、卸粮和转运,田间试验的收获效率达到了0.42 hm2∙h−1。本研究可为协同收获提供理论技术支持,并为无人农场的收获环节提供解决方案。
  • Review
    薛亚楠, 周俊平, 鲁莹, 张慧玲, 陈柏霖, 董绍安, 薛雅雯, 詹侃, 陈成, 孙燚, 吴溯帆, 金利群, 柳志强, 郑裕国
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    糖尿病创面(diabetic wounds, DWs)是糖尿病的严重并发症之一,其复杂的病理生理微环境导致发病率和死亡率居高不下。当前,传统创面管理策略难以应对这种复杂性。随着对DWs愈合机制研究的深入,研究者已开发了多种生物活性敷料以调节创面微环境。这些研究形成了"微环境响应型按需调控"策略,旨在通过响应创面动态变化的需求实现精准的治疗。然而,现有的文献中尚未提到关于创面微环境主动和被动按需调控策略的系统综述。本文首先分析DWs区别于急性创面的独特致病机制和微环境特征,随后系统综述了针对创面微环境的主动、被动及按需调控策略,探讨该领域的主要挑战,并提出提高生物活性敷料疗效和特异性的潜在创新方向。本文旨在将个性化治疗模式与DWs的病理生理状况相结合,指导未来按需管理研究的发展,最终改善患者预后。
  • Article
    王晨然, 谭霖, 黄茂华, 林宇宁, 蔡明详, 邓丽娟, 胡欣朋, 邱胜辉, 陈晓婷, 张益铭, 罗小美, 史长征, 陈敏锋, 叶文才, 张君秋, 张冬梅, 刘湘宁
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     肿瘤代谢重编程通过重塑肿瘤微环境(TME)促进转移,但其分子机制仍有待深入解析。本研究旨在探讨烯醇化酶 2(ENO2)在头颈部鳞状细胞癌(HNSCC)淋巴转移中的作用及机制。研究发现 ENO2 高表达与 HNSCC 淋巴结转移显著相关,且其表达水平与患者预后呈负相关。机制研究表明,ENO2 通过增强糖酵解代谢,促使肿瘤细胞分泌磷酸烯醇丙酮酸(PEP);该代谢产物进入肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)后,通过诱导组蛋白 H3 第 18 位赖氨酸乳酸化(H3K18la)修饰,驱动巨噬细胞向免疫抑制性 M2 型极化。极化后的 M2 型巨噬细胞通过旁分泌作用促进 HNSCC 细胞上皮 - 间质转化(EMT)及侵袭能力,形成 “肿瘤细胞 - 巨噬细胞” 互作的促转移微环境。功能验证显示,靶向 ENO2 的药理学抑制剂 POMHEX 可显著逆转巨噬细胞极化表型,抑制体内外淋巴转移进程。本研究不仅证实 ENO2 可作为 HNSCC 预后评估的生物标志物及潜在治疗靶点,更首次阐明糖酵解代谢产物 PEP 通过组蛋白乳酸化修饰调控肿瘤免疫微环境的新机制,为转移性肿瘤的精准治疗提供了新思路。
  • Article
    焦谊,王朝冉,刁文雅,耿其顺,王星,曹晓雪,石彤,徐加和,赵璐,王子涵,邓甜甜,杨磊,邓婷婷,肖诚
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     风湿关节炎(RA)是一种进行性自身免疫性疾病,骨破坏是其主要的病理特征之一,主要由破骨细胞(OCs)的过度激活引起,因此OCs成为关键的治疗靶点。雷公藤甲素(TP)具有显著的抗RA作用,但治疗窗窄和相关毒性限制了其临床应用,因此亟需与其他药物联用以达到减毒增效的目的。美迪紫檀素(Med)是一种具有抗炎和抗骨破坏特性的黄酮类化合物,已显示出抑制破骨细胞生成的潜力。然而,TP和Med联用治疗RA的协同作用机制尚不清楚。为探究该问题,我们在胶原诱导性关节炎(CIA)大鼠模型中评估了TP、Med及其联用的治疗效果,并将骨侵蚀作为研究重点。同时,在体外OCs分化模型中进行实验验证,以评估各治疗方式对OCs形成及功能的影响。基于RA患者的聚合酶链式反应(PCR)芯片数据,我们进一步聚焦于N6-甲基腺苷(m⁶A)甲基化及其调控因子,鉴定出甲基转移酶样蛋白3(METTL3)和YT521-B结构域家族蛋白1(YTHDF1)可能是TP与Med的作用靶点。研究结果表明,低剂量的TP与Med联用即可显著缓解骨破坏,并抑制OCs分化,其效应强于单药作用。机制上,TP与Med协同调控METTL3和YTHDF1,经m⁶A甲基化通路联合抑制OCs生成,进而减轻RA相关的骨破坏。综上,本研究揭示了m⁶A修饰在TP与Med联合治疗RA中的重要作用,并为中药活性成分的联合应用提供了理论依据,具有潜在的临床转化价值。
  • Article
    柳亚,夏江海,管博,席超强,宁玲,张浩
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     密集台阵背景噪声层析成像是实现高分辨率地下成像的强大工具,对地质灾害防控具有重要影响。然而,传统密集台阵研究需要大量台站同时观测以获得广泛覆盖。为了使用有限台站进行全面的岩溶特征调查,我们设计了一种新型同步-异步观测系统,以促进密集台阵观测。我们结合同步骨干台站,开展了两轮各持续约24小时的异步观测。我们利用197个节点式检波器实现了研究区域的广泛覆盖,平均台站间距为7米。聚束分析结果显示了昼夜间噪声源分布的明显变化。我们估计了稳相区的震源强度,并使用加权方案对互相关函数(C1函数)进行叠加,以抑制非均匀噪声源分布的影响。叠加权重由与瑞雷波相关的多分量C1函数之间的相似性系数导出。我们采用C1函数的互相关(C2方法)来获取异步台站之间的经验格林函数。为了消除由C1函数高阶模式面波引起的C2函数伪影,我们基于与多阶瑞雷波相关的不同粒子运动对C1函数进行了滤波。从C1C2函数获得的瑞雷波频散测量被用于面波层析成像。反演得到的三维剪切波(S波)速度模型揭示了在40至60米深度范围内存在两个显著的低速区,这与钻井数据中发现的岩溶洞穴吻合良好。短期同步-异步背景噪声层析成像方法为城镇地质灾害调查提供了一种经济高效的新途径。
  • Article
     
    Yang Zhao, Xinyu Chen, Peng Liu, Chris P. Nielsen, Michael B. McElroy
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  • Review
     
    Yujian An, Bingze He, Zhuochen Ma, Yao Guo, Guang-Zhong Yang
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