“雙碳”目標下高等農業院校環境微生物學課程教學改革探索

摘" 要：環境微生物學研究是認識和緩解氣候變化以及保障陸地和水生生態系統健康的關鍵。文章針對“雙碳”背景下國家對高等農業院校資源環境類創新型人才培養的需求，通過將碳中和知識與“環境微生物學”專業課程有機融合，在課堂上進行科研拓展，為學生打通學研通道以及建立靈活性的多元化課程考核方式等措施，對學校環境科學專業的環境微生物學課程進行了教學改革初探。在授課效果達到課程目標的同時，使學生從本質上理解“環境微生物”與“雙碳”目標達成之間的關系，以滿足國家“雙碳”發展戰略需求下對資源環境類專業人才提出的新要求。

關鍵詞：“雙碳”目標；高等農業院校；環境微生物學；教學改革

世界氣候變化正在對人類社會造成極大的威脅。2020年，全世界與能源相關的CO2排放量高達315億噸，并且仍在不斷增長。［1］為共同應對氣候變化挑戰，并緩解全球變暖趨勢，世界各國紛紛以國際協約的方式減排溫室氣體。習近平總書記在第75屆聯合國大會上提出“雙碳”目標，中國將在未來幾十年里，采取一系列方法、政策和措施，CO2排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現碳中和。中央財經委員會第九次會議特別強調，要推動綠色低碳技術實現重大突破，抓緊部署低碳前沿技術研究，加快推廣應用減污降碳技術，建立完善綠色低碳技術評估、交易體系和科技創新服務平臺。這一觀點突出了在推進“雙碳”目標進程中，科技發展對生態環境的保護與生態文明建設的重要意義。中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”列為2021年八項重點任務之一。“碳達峰與碳中和”被首次寫入政府工作報告。可以預見，碳中和必將帶來一場影響社會經濟環境的重大變革。

一、全球各地高等教育相繼踏上助力“碳中和”之路

“碳達峰與碳中和”不僅是我國層面關心的重要問題，更是各國高校應肩負的重大使命。世界各地的部分高等教育組織已經在為達成低碳目標而付諸行動。例如早在2009年，美國中康涅狄格州立大學（Central Connecticut Stade University）就開展了減少碳足跡和以環境可持續原則為中心的校園文化宣傳。［2］2010年，韓國國立忠北大學（Chungbuk National University）通過文獻查閱查找碳中和校園發展措施。［3］2011年加拿大的紐芬蘭紀念大學（Memorial University in Newfoundland and Labrador）根據能源效率達到“碳中和”目標給出了許多新的措施。［4］2018年德國的格賴夫斯瓦爾德大學（Ernst Moritz Arndt University of Greifswald）認為其經過制度變革，正逐漸地向“碳中和大學”方向發展。［5］2019年，美國加州大學戴維斯分校（University of California， Davis）給出了為實現碳中和對能源系統實施改革的方法。［6］2021年意大利熱那亞大學（University of Genoa）與美國邁阿密佛羅里達國際大學（Florida International University）把碳中和設計運用到建筑設計學，并計劃對兩所大學的校內建筑實施碳中和改造，從而實現校園碳中和目標。［7］

自2020年中國向全世界莊嚴宣告將實施有力政策和舉措以來，我國各大高校開始紛紛響應國家號召，踏上了助力“碳中和”之路。2020年12月，在我國能源局的支持下，北京大學能源研究院組織能源行業召開了“碳中和愿景下能源低碳轉型路徑研討會”，上百名專家學者和領導參與了討論。廈門大學統籌校內學術與科技資源成立了碳中和創新研究中心，南京市政府與東南大學共同創立了東南大學長三角碳中和戰略發展研究院，主辦了“東南大學長三角碳中和發展研討會”。2021年1月，北京大學能源研究院與清華大學聯合舉辦了碳中和愿景下能源轉型路徑研討會，隨后正式成立了北京大學能源研究院碳中和研究所。2021年3月，清華大學山西清潔能源研究院統籌清華大學學科優勢及資源，正式組建了清華大學山西清潔碳中和研究所。北京工業大學利用學校能源、環境、化工、材料、城市建設、循環經濟等多學科優勢資源，組建了碳中和城市科技創新研究院。2021年4月，四川大學組建了四川省碳中和技術創新中心，舉行了碳中和技術創新高峰論壇。2021年5月，西北大學與榆林市人民政府共建了西北大學榆林碳中和科創中心，成立了西北大學榆林碳中和學院（以上資料均來源于各高校官網）。身為培養人才基地的高等院校，理應擔負起用實際行動推動國家“雙碳”發展戰略如期達成的目標使命。

二、高等農業院校資源環境類專業教學改革已勢在必行

“碳達峰碳中和”理論與技術體系屬于新生事物，目前在全國高等教育中尚未形成成熟的“碳中和”學科及其相應的專業和課程。2021年教育部印發了《高等學校碳中和科技創新行動計劃》的通知，明確提出中期目標是在5—10年內，若干高校率先建成世界一流碳中和學科和專業。由此可見，作為高等院校，從教育、教學改革的理念出發，對現有碳中和有關學科、專業課程實施優化改革是當務之急。目前，已有部分高校對“碳中和”有關的學科或教學過程進行了教育教學改革。例如2021年美國密歇根大學（University of Michigan）針對碳中和校園，正在規劃相關的碳中和課程。［8］武漢大學探討了“碳中和”背景下的科學知識推廣與水利類專業教育教學改革路徑。［9］哈爾濱工業大學針對碳中和背景下能源動力類專業改革進行了思考與實踐。［10］同濟大學針對高等工科大學的環境工程專業進行了“雙碳”背景下課程模塊化教學研究。［11］福建工程學院生態環境與城市建設學院提出將綠色低碳理念融入高校環境化學課程教學過程。［12］國家應對氣候變化戰略研究和國際合作中心的劉長松提出，雖然近年來中國在改善生態環境上已取得較明顯成效，但環境治理目標與綠色低碳發展行動仍存在一定差距，推動綠色低碳發展有助于進一步提升生態環境治理成效。［13］

作為高等農業院校，對與“雙碳”發展有關的環境類相關學科、專業實施優化改革是當務之急。以西北農林科技大學資源環境類專業課程“環境微生物學”為例，該課程是一門橫跨現代微生物學與技術、環境科學、環境工程等眾多學科的新興交叉學科，在環境領域人才培養中具有重要地位。課程重點是培養學生系統地掌握微生物學基礎知識、微生物在環境污染治理中的作用，以及環境微生物實驗操作技能。然而，目前“環境微生物學”課程內容缺乏相關的“碳中和”關鍵知識點，教學過程缺乏給學生普及微生物學研究與氣候變化之間重要關系的理念，學生無法理解微生物學研究是了解和減緩氣候變化以及維護陸地和水生生態系統健康的關鍵。因此，該門課程的教學已無法滿足國家對高質量“碳達峰、碳中和”創新型人才的需求。

三、“雙碳”目標下“環境微生物學”教學改革探索

（一）“碳中和”知識與原有課程內容有機融合

通過深挖原課程章節教學內容中所蘊含的“碳中和”的相關元素，梳理出與“環境微生物學”課程內容有關的“碳中和”知識點，將“碳中和”知識與“環境微生物學”專業課程有機融合，以滿足國家“雙碳”發展戰略需求下對資源環境類專業人才提出的新要求。

例如在微生物學基礎知識部分講述微生物的營養類型時，可以拓展講解固碳微生物，重點強調固碳微生物在世界氣候變化以及低碳經濟方面產生的巨大效果。課堂上進行適當的科研拓展，向學生介紹科學家已經發現微生物中存在的7條天然固碳途徑，已經開始設計和構建人工固碳途徑，使學生可以掌握“雙碳”主題有關的最新科研成果。能夠固定CO2的微生物，從營養類型上來可分為自養和異養，自養固碳微生物利用光能或者無機物氧化時產生的化學能，同化CO2合成細胞物質；而異養固碳微生物以有機化合物作為碳源和能源，在其自身代謝過程中固定少量的CO2，由此可見，自養微生物固定CO2的能力遠超異養微生物。自養固碳微生物吸收無機CO2并將其轉化為生物質，這是自然界無機碳轉化為有機碳并進入生物圈的重要途徑，可以減少大氣中CO2的含量，對于緩解溫室效應具有重要作用。在實驗教學過程中，可以增設固碳微生物篩選的實驗內容，例如，利用無機培養基從污泥、沼液或土壤中分離篩選出以CO2為碳源的微生物菌株。再比如引入“碳中和生物”的新概念，［14］使學生耳目一新，尤其是了解到原來大型哺乳動物是動物界的超級固碳貢獻者，是極為強大的碳中和動物。通過介紹“碳中和生物”的分類、特點、作用與溫室氣體排放存在關系，使學生意識到自然界生物本身在碳減排方面的重要作用。

（二）科研拓展，為學生打通學研通道

為培養“雙碳”環境領域的高素質人才，努力通過課上課下為學生打通學研通道。首先，通過翻轉課堂教學方法，增加文獻閱讀匯報環節，使學生了解與“雙碳”主題有關的最新科研成果。其次，通過結合以問題為引導的教學模式，基于“雙碳”視角，著眼未來，引導學生獨立創新，啟發其思索、探究，最終確定解決問題的方案。最后，鼓勵學生利用課余時間開展科創活動，根據科研計劃，在教師及高年級研究生的幫助下完成相關科研實踐。

例如在介紹固體廢棄物的生物處理時，根據高等農業院校的特點以及教師的研究方向，著重為學生講述農業廢棄物與“碳中和”。再根據《2006IPCC國家溫室氣體清單指南》，通過分析農業廢棄物綜合利用過程中溫室氣體核算流程，讓學生正確理解農業廢棄物資源化利用對碳減排的重要意義。

雖然自養微生物固定CO2的能力遠超異養微生物，但在“雙碳”背景下，異養微生物的固碳能力也不容忽視，科學家們早在20世紀初就發現了戊糖丙酸桿菌具有固碳能力，后來又發現大腸桿菌、釀酒酵母和谷氨酸棒狀桿菌等都具有一定的固碳能力。天然異養微生物即使具有固碳能力，仍存在固碳效率低、能量供應不足等缺點，難以大規模應用。如今，在“雙碳”目標下，科學家通過合成生物學技術、遺傳學技術、代謝工程等手段可顯著提升異養微生物的固碳能力。例如，中國科學院微生物研究所在大腸桿菌中導入了卡爾文循環中的磷酸核酮糖激酶和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶，發現可以在大腸桿菌的中央代謝中固定額外的CO2；進一步引入藍細菌特有的碳濃縮機制，大腸桿菌中央代謝的固碳速率可以達到22.5mgCO2g DCW-1h-1，實現了藍細菌固碳和碳濃縮機制在異養生物中的重編程，為進一步提高異養生物固碳效率奠定了基礎。［15］

2015年9月，聯合國193個成員國審議通過了《變革我們的世界：2030年可持續發展議程》，其核心內容是“聯合國可持續發展目標”（Sustainable Development Goals， SDGs），其中包括了氣候變化、污染物和其他環境污染對海洋和陸地生態系統的負面影響，而利用微生物這種多功能的新陳代謝能力可以減輕這些負面影響。［16］課堂上可以啟發學生思考，為了應對這些挑戰，如何來開展新的微生物學研究。例如，可以利用微生物來降低大氣CO2和甲烷含量，如利用土壤微生物以礦物質形式或死亡細胞生物質（殘體）形式固碳。多年生深根禾本科植物可把CO2輸送至土壤表層以下，再以根系分泌物的形式被瀝濾，并成為棲息在根圈土壤微生物的底物，進而被儲存于持久的有機質庫中。

（三）建立靈活性的多元化課程考核方式

傳統課程考核主要是以期末閉卷考試作為主要的考核方式，難以體現學生獨立思考及解決實際問題的能力。因此，在此次教改實踐過程中，增加了課堂討論、實驗操作、文獻閱讀、科研實踐、團隊合作等多元化的考評機制，重點考查學生的科研創新潛力，以及獨立思考和解決實際問題的能力，進而激發學生對“雙碳”研究領域的興趣和對相關科研探索的積極性。

四、結束語

“雙碳”戰略背景為高等農業院校環境類學科的發展與人才培養提出了全新的挑戰，唯有對現有的教學內容做出合理調控并引入相應的考核制度，方可讓學生意識到環境微生物研究是了解和減緩氣候變化，以及保障中國陸地與水生生態系統安全的關鍵。因此，通過將“碳中和”知識與原有課程內容有機融合，突出強調“雙碳”背景下環境微生物學研究的重要性，課堂上的科研滲透以及改革課程考評方式，使學生從本質上理解“環境微生物”與“雙碳”目標達成之間的相互關聯，以滿足國家“雙碳”發展戰略下對高等農業院校資源環境類專業人才提出的新要求。

參考文獻：

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（責任編輯：邵秋露）

基金項目：陜西省本科和高等繼續教育教學改革研究項目“碳中和知識體系融入資源環境類本科專業人才培養過程的路徑探索與實踐”（項目編號：21BG009）；西北農林科技大學校級教學改革項目“‘碳達峰與碳中和’背景下環境微生物學課程改革”（項目編號：JY2103090）。

作者簡介：王小娟（1982—）女，博士，西北農林科技大學資源環境學院博士生導師，副教授，研究方向為農業環境污染修復及環境微生物；王效琴（1974—），女，博士，西北農林科技大學資源環境學院副教授，研究方向為農業系統固碳減排；田霄鴻（1969—），男，博士，西北農林科技大學資源環境學院院長，教授，研究方向為植物營養與土壤固碳。