“双碳”目标下高等农业院校环境微生物学课程教学改革探索

摘" 要：环境微生物学研究是认识和缓解气候变化以及保障陆地和水生生态系统健康的关键。文章针对“双碳”背景下国家对高等农业院校资源环境类创新型人才培养的需求，通过将碳中和知识与“环境微生物学”专业课程有机融合，在课堂上进行科研拓展，为学生打通学研通道以及建立灵活性的多元化课程考核方式等措施，对学校环境科学专业的环境微生物学课程进行了教学改革初探。在授课效果达到课程目标的同时，使学生从本质上理解“环境微生物”与“双碳”目标达成之间的关系，以满足国家“双碳”发展战略需求下对资源环境类专业人才提出的新要求。

关键词：“双碳”目标；高等农业院校；环境微生物学；教学改革

世界气候变化正在对人类社会造成极大的威胁。2020年，全世界与能源相关的CO2排放量高达315亿吨，并且仍在不断增长。［1］为共同应对气候变化挑战，并缓解全球变暖趋势，世界各国纷纷以国际协约的方式减排温室气体。习近平总书记在第75届联合国大会上提出“双碳”目标，中国将在未来几十年里，采取一系列方法、政策和措施，CO2排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和。中央财经委员会第九次会议特别强调，要推动绿色低碳技术实现重大突破，抓紧部署低碳前沿技术研究，加快推广应用减污降碳技术，建立完善绿色低碳技术评估、交易体系和科技创新服务平台。这一观点突出了在推进“双碳”目标进程中，科技发展对生态环境的保护与生态文明建设的重要意义。中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”列为2021年八项重点任务之一。“碳达峰与碳中和”被首次写入政府工作报告。可以预见，碳中和必将带来一场影响社会经济环境的重大变革。

一、全球各地高等教育相继踏上助力“碳中和”之路

“碳达峰与碳中和”不仅是我国层面关心的重要问题，更是各国高校应肩负的重大使命。世界各地的部分高等教育组织已经在为达成低碳目标而付诸行动。例如早在2009年，美国中康涅狄格州立大学（Central Connecticut Stade University）就开展了减少碳足迹和以环境可持续原则为中心的校园文化宣传。［2］2010年，韩国国立忠北大学（Chungbuk National University）通过文献查阅查找碳中和校园发展措施。［3］2011年加拿大的纽芬兰纪念大学（Memorial University in Newfoundland and Labrador）根据能源效率达到“碳中和”目标给出了许多新的措施。［4］2018年德国的格赖夫斯瓦尔德大学（Ernst Moritz Arndt University of Greifswald）认为其经过制度变革，正逐渐地向“碳中和大学”方向发展。［5］2019年，美国加州大学戴维斯分校（University of California， Davis）给出了为实现碳中和对能源系统实施改革的方法。［6］2021年意大利热那亚大学（University of Genoa）与美国迈阿密佛罗里达国际大学（Florida International University）把碳中和设计运用到建筑设计学，并计划对两所大学的校内建筑实施碳中和改造，从而实现校园碳中和目标。［7］

自2020年中国向全世界庄严宣告将实施有力政策和举措以来，我国各大高校开始纷纷响应国家号召，踏上了助力“碳中和”之路。2020年12月，在我国能源局的支持下，北京大学能源研究院组织能源行业召开了“碳中和愿景下能源低碳转型路径研讨会”，上百名专家学者和领导参与了讨论。厦门大学统筹校内学术与科技资源成立了碳中和创新研究中心，南京市政府与东南大学共同创立了东南大学长三角碳中和战略发展研究院，主办了“东南大学长三角碳中和发展研讨会”。2021年1月，北京大学能源研究院与清华大学联合举办了碳中和愿景下能源转型路径研讨会，随后正式成立了北京大学能源研究院碳中和研究所。2021年3月，清华大学山西清洁能源研究院统筹清华大学学科优势及资源，正式组建了清华大学山西清洁碳中和研究所。北京工业大学利用学校能源、环境、化工、材料、城市建设、循环经济等多学科优势资源，组建了碳中和城市科技创新研究院。2021年4月，四川大学组建了四川省碳中和技术创新中心，举行了碳中和技术创新高峰论坛。2021年5月，西北大学与榆林市人民政府共建了西北大学榆林碳中和科创中心，成立了西北大学榆林碳中和学院（以上资料均来源于各高校官网）。身为培养人才基地的高等院校，理应担负起用实际行动推动国家“双碳”发展战略如期达成的目标使命。

二、高等农业院校资源环境类专业教学改革已势在必行

“碳达峰碳中和”理论与技术体系属于新生事物，目前在全国高等教育中尚未形成成熟的“碳中和”学科及其相应的专业和课程。2021年教育部印发了《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知，明确提出中期目标是在5—10年内，若干高校率先建成世界一流碳中和学科和专业。由此可见，作为高等院校，从教育、教学改革的理念出发，对现有碳中和有关学科、专业课程实施优化改革是当务之急。目前，已有部分高校对“碳中和”有关的学科或教学过程进行了教育教学改革。例如2021年美国密歇根大学（University of Michigan）针对碳中和校园，正在规划相关的碳中和课程。［8］武汉大学探讨了“碳中和”背景下的科学知识推广与水利类专业教育教学改革路径。［9］哈尔滨工业大学针对碳中和背景下能源动力类专业改革进行了思考与实践。［10］同济大学针对高等工科大学的环境工程专业进行了“双碳”背景下课程模块化教学研究。［11］福建工程学院生态环境与城市建设学院提出将绿色低碳理念融入高校环境化学课程教学过程。［12］国家应对气候变化战略研究和国际合作中心的刘长松提出，虽然近年来中国在改善生态环境上已取得较明显成效，但环境治理目标与绿色低碳发展行动仍存在一定差距，推动绿色低碳发展有助于进一步提升生态环境治理成效。［13］

作为高等农业院校，对与“双碳”发展有关的环境类相关学科、专业实施优化改革是当务之急。以西北农林科技大学资源环境类专业课程“环境微生物学”为例，该课程是一门横跨现代微生物学与技术、环境科学、环境工程等众多学科的新兴交叉学科，在环境领域人才培养中具有重要地位。课程重点是培养学生系统地掌握微生物学基础知识、微生物在环境污染治理中的作用，以及环境微生物实验操作技能。然而，目前“环境微生物学”课程内容缺乏相关的“碳中和”关键知识点，教学过程缺乏给学生普及微生物学研究与气候变化之间重要关系的理念，学生无法理解微生物学研究是了解和减缓气候变化以及维护陆地和水生生态系统健康的关键。因此，该门课程的教学已无法满足国家对高质量“碳达峰、碳中和”创新型人才的需求。

三、“双碳”目标下“环境微生物学”教学改革探索

（一）“碳中和”知识与原有课程内容有机融合

通过深挖原课程章节教学内容中所蕴含的“碳中和”的相关元素，梳理出与“环境微生物学”课程内容有关的“碳中和”知识点，将“碳中和”知识与“环境微生物学”专业课程有机融合，以满足国家“双碳”发展战略需求下对资源环境类专业人才提出的新要求。

例如在微生物学基础知识部分讲述微生物的营养类型时，可以拓展讲解固碳微生物，重点强调固碳微生物在世界气候变化以及低碳经济方面产生的巨大效果。课堂上进行适当的科研拓展，向学生介绍科学家已经发现微生物中存在的7条天然固碳途径，已经开始设计和构建人工固碳途径，使学生可以掌握“双碳”主题有关的最新科研成果。能够固定CO2的微生物，从营养类型上来可分为自养和异养，自养固碳微生物利用光能或者无机物氧化时产生的化学能，同化CO2合成细胞物质；而异养固碳微生物以有机化合物作为碳源和能源，在其自身代谢过程中固定少量的CO2，由此可见，自养微生物固定CO2的能力远超异养微生物。自养固碳微生物吸收无机CO2并将其转化为生物质，这是自然界无机碳转化为有机碳并进入生物圈的重要途径，可以减少大气中CO2的含量，对于缓解温室效应具有重要作用。在实验教学过程中，可以增设固碳微生物筛选的实验内容，例如，利用无机培养基从污泥、沼液或土壤中分离筛选出以CO2为碳源的微生物菌株。再比如引入“碳中和生物”的新概念，［14］使学生耳目一新，尤其是了解到原来大型哺乳动物是动物界的超级固碳贡献者，是极为强大的碳中和动物。通过介绍“碳中和生物”的分类、特点、作用与温室气体排放存在关系，使学生意识到自然界生物本身在碳减排方面的重要作用。

（二）科研拓展，为学生打通学研通道

为培养“双碳”环境领域的高素质人才，努力通过课上课下为学生打通学研通道。首先，通过翻转课堂教学方法，增加文献阅读汇报环节，使学生了解与“双碳”主题有关的最新科研成果。其次，通过结合以问题为引导的教学模式，基于“双碳”视角，着眼未来，引导学生独立创新，启发其思索、探究，最终确定解决问题的方案。最后，鼓励学生利用课余时间开展科创活动，根据科研计划，在教师及高年级研究生的帮助下完成相关科研实践。

例如在介绍固体废弃物的生物处理时，根据高等农业院校的特点以及教师的研究方向，着重为学生讲述农业废弃物与“碳中和”。再根据《2006IPCC国家温室气体清单指南》，通过分析农业废弃物综合利用过程中温室气体核算流程，让学生正确理解农业废弃物资源化利用对碳减排的重要意义。

虽然自养微生物固定CO2的能力远超异养微生物，但在“双碳”背景下，异养微生物的固碳能力也不容忽视，科学家们早在20世纪初就发现了戊糖丙酸杆菌具有固碳能力，后来又发现大肠杆菌、酿酒酵母和谷氨酸棒状杆菌等都具有一定的固碳能力。天然异养微生物即使具有固碳能力，仍存在固碳效率低、能量供应不足等缺点，难以大规模应用。如今，在“双碳”目标下，科学家通过合成生物学技术、遗传学技术、代谢工程等手段可显著提升异养微生物的固碳能力。例如，中国科学院微生物研究所在大肠杆菌中导入了卡尔文循环中的磷酸核酮糖激酶和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶，发现可以在大肠杆菌的中央代谢中固定额外的CO2；进一步引入蓝细菌特有的碳浓缩机制，大肠杆菌中央代谢的固碳速率可以达到22.5mgCO2g DCW-1h-1，实现了蓝细菌固碳和碳浓缩机制在异养生物中的重编程，为进一步提高异养生物固碳效率奠定了基础。［15］

2015年9月，联合国193个成员国审议通过了《变革我们的世界：2030年可持续发展议程》，其核心内容是“联合国可持续发展目标”（Sustainable Development Goals， SDGs），其中包括了气候变化、污染物和其他环境污染对海洋和陆地生态系统的负面影响，而利用微生物这种多功能的新陈代谢能力可以减轻这些负面影响。［16］课堂上可以启发学生思考，为了应对这些挑战，如何来开展新的微生物学研究。例如，可以利用微生物来降低大气CO2和甲烷含量，如利用土壤微生物以矿物质形式或死亡细胞生物质（残体）形式固碳。多年生深根禾本科植物可把CO2输送至土壤表层以下，再以根系分泌物的形式被沥滤，并成为栖息在根圈土壤微生物的底物，进而被储存于持久的有机质库中。

（三）建立灵活性的多元化课程考核方式

传统课程考核主要是以期末闭卷考试作为主要的考核方式，难以体现学生独立思考及解决实际问题的能力。因此，在此次教改实践过程中，增加了课堂讨论、实验操作、文献阅读、科研实践、团队合作等多元化的考评机制，重点考查学生的科研创新潜力，以及独立思考和解决实际问题的能力，进而激发学生对“双碳”研究领域的兴趣和对相关科研探索的积极性。

四、结束语

“双碳”战略背景为高等农业院校环境类学科的发展与人才培养提出了全新的挑战，唯有对现有的教学内容做出合理调控并引入相应的考核制度，方可让学生意识到环境微生物研究是了解和减缓气候变化，以及保障中国陆地与水生生态系统安全的关键。因此，通过将“碳中和”知识与原有课程内容有机融合，突出强调“双碳”背景下环境微生物学研究的重要性，课堂上的科研渗透以及改革课程考评方式，使学生从本质上理解“环境微生物”与“双碳”目标达成之间的相互关联，以满足国家“双碳”发展战略下对高等农业院校资源环境类专业人才提出的新要求。

参考文献：

［1］ 国际能源署（IEA）. 全球能源回顾：2021年二氧化碳排放［EB/OL］. （2021-04-20）. http：//www.iea.org/reports/global-energy-review-2021/CO2-emissions.

［2］ Walton J， Button C E. Towards carbon neutrality and environmental sustainability at CCSU［J］. International Journal of Sustainability in Higher Education，2009，10（03）：279-286.

［3］ Woo H M， Baek J I， Kwak J H， et al. Analyzing carbon-neutral campus development measures through recognition analysis of students-focused on Chungbuk National University［J］. Plant Journal，2010，13（04）：427-438.

［4］ Waheed B， Khan F， Veitch B， et al. An integrated decision-making framework for sustainability assessment： a case study of Memorial University［J］. Higher Education Policy，2011，24（04）：481-498.

［5］ Udas E， Woelk M， Wilmking M. The ‘carbon-neutral university’-a study from Germany［J］. International Journal of Sustainability in Higher Education，2018，19（01）：130-145.

［6］ Wiryadinata S， Morejohn J， Kornbluth K. Pathways to carbon neutral energy systems at the University of California， Davis［J］. Renewable Energy，2019，130：853-866.

［7］ Del Borghi A， Spiegelhalter T， Moreschi L， Gallo M. Carbon-neutral-campus building： design versus retrofitting of two university zero energy buildings in Europe and in the United States［J］. Sustainability 2021，13（16），9023.

［8］ Tonietto R， O’Brien L， Haitsma C V， et al. Toward a carbon neutral campus： a scalable approach to estimate carbon storage and biosequestration， an example from University of Michigan［J］. International Journal of Sustainability in Higher Education，2021，22（05）： 1108-1124.

［9］ 尹家波. “碳中和”科学知识推广与水利类专业教育教学改革路径研究［J］. 社会科学前沿，2021，10（8）：2065-2069.

［10］ 帅永， 陈绍文. 碳中和背景下能源动力类专业的改革思考与实践——以哈尔滨工业大学为例［J］. 高等工程教育研究，2023，（S1）：7-9.

［11］ 王林，李咏梅，谢丽，等. “双碳”背景下环境类专业实践课程模块化教学探索——以同济大学环境工程专业为例［J］. 环境教育， 2022（04）：32-34.

［12］ 陈艺兰，刘敏毅，徐升，等. 碳达峰与碳中和目标对环境化学课程教学的启示［J］. 福建轻纺，2021（05）：27-30.

［13］ 刘长松. 2060年碳中和目标背景下协同推动应对气候变化与生态环境治理的初步思考［J］. 世界环境，2020（06）：52-55.

［14］ 周启星，李晓晶，欧阳少虎. 关于“碳中和生物”环境科学的新概念与研究展望［J］. 农业环境科学学报，2022，41（01）：1-9.

［15］ Gong F， Liu G， Zhai X， et al. Quantitative analysis of an engineered CO2-fixing Escherichia coli reveals great potential of heterotrophic CO2 fixation［J］. Biotechnology for Biofuels，2015，8（01）：86.

［16］ Janssom J K. Microorganisms， climate change，and the sustainable development goals： progress and challenges.［J］. Nature Reviews. Microbiology，2023，21（10）：622-623.

（责任编辑：邵秋露）

基金项目：陕西省本科和高等继续教育教学改革研究项目“碳中和知识体系融入资源环境类本科专业人才培养过程的路径探索与实践”（项目编号：21BG009）；西北农林科技大学校级教学改革项目“‘碳达峰与碳中和’背景下环境微生物学课程改革”（项目编号：JY2103090）。

作者简介：王小娟（1982—）女，博士，西北农林科技大学资源环境学院博士生导师，副教授，研究方向为农业环境污染修复及环境微生物；王效琴（1974—），女，博士，西北农林科技大学资源环境学院副教授，研究方向为农业系统固碳减排；田霄鸿（1969—），男，博士，西北农林科技大学资源环境学院院长，教授，研究方向为植物营养与土壤固碳。