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经典论文解读：弗林特水危机解析
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：弗林特水危机解析解读人：庄媛作者：Kelsey J. Pieper, Min Tang, Marc A. Edwards文章标题：Flint Water Crisis Caused By Interrupted Corrosion Control: Investigating “Ground Zero” Home文献来源：Environmental Science & Technology, 2017被引次数：335次（Google Scholar）研究背景饮用水安全与人类健康息息相关。然而回顾历史，饮用水安全问题时有发生。美国弗林特水危机是全球著名水污染事件，弗林特水危机始于2014年4月，当时密歇根州弗林特市在没有采取适当防腐蚀措施的情况下，将其水源切换到弗林特河。这一决定导致水管中含铅腐蚀层的失稳。在接下来的十个月里，居民报告称其水中的铅含量逐渐升高，达到了危险浓度。一项深入的后续调查显示，受监测住宅的所有水样中铅含量均高于15 μg/L，其中几个样本超过了5000 μg/L（达到了危险废物的标准）。法医分析确定，导致高铅含量的直接原因是铅管下游镀锌铁管的腐蚀（水务公司没有实施腐蚀控制措施，例如继续投加磷酸盐）。2015年9月，当弗林特儿童被检测出血铅水平升高时，这场危机引起了广泛关注。此事促使当地宣布进入紧急状态，并采取了公共卫生干预措施，包括分发过滤器和瓶装水，这些措施帮助减少了进一步的铅暴露。水化学指标的变化看似微小，却可能会显著破坏铅和铁沉积物的稳定性，导致水中颗粒物浓度增大。研究结果1. 冲洗并未影响水龙头铅浓度：2015 年 4 月 28 日，在一户已知存在水含铅问题的家庭中，根据时间和流速，从厨房冷水龙头采集了 32 个水样。所有 32 个样品的铅含量均高于 EPA 行动水平 15 μg/L，最低浓度为 217 μg/L。冲洗超过 20 分钟后，收集的样品（>50 L）含有 13200 μg/L 铅，几乎是美国环保署危险废物标准的三倍。因此，即使按照当地建议的在用水前冲洗管道 25 分钟，也无法保护居住者免受水中过量铅的影响。图 1 有、无腐蚀抑制剂情况下腐蚀层稳定性对比2. 流速变化对铅释放没有关联：尽管已知小流速（<1L/min）会降低铅含量，因为颗粒铅的迁移大大减少，但在采集的样本中，基于流速的铅中位浓度没有显著差异。低流速下的平均铅浓度为2384 μg/L，中等流速下为1687 μg/L，高流速下为2988 μg/L。在低流速下，铅浓度随时间呈下降趋势，这表明较长的冲洗时间可以通过冲洗过夜停滞期间积累的铅来逐步“清洁”管道。当水龙头调节到中等流量时，在连续采样过程中观察到了两个大的铅峰值（3655 和 6048 μg/L），这是由于流速增加引起管道中含铅沉积物的移动，但是铅含量再次有所下降。当拆除曝气器并将水设置为高流量时，铅含量变得非常不稳定，第一个样品的含量为 5702 μg/L，比之前样品的 292 μg/L 高出 20 倍。接下来的四个连续样品中的铅浓度有所下降，但第六个样品的铅浓度为 13200 μg/L。最后五个水样（即冲洗间隔）中的铅浓度持续增加，表明尽管冲洗管线超过 26 分钟（> 100 L），厨房水龙头中的水仍然不能安全饮用。 图2 在不同流速下水中铅浓度3. 室内家庭管道不是铅的主要来源。相反，铅污染来自腐蚀的镀锌铁服务管线：一段1.5厘米的室内镀锌钢管（GSL）被分析。其外表面含94.2%锌、2.2%铁和1.6%铅。对涂层刮取样本的分析显示其含92.0%锌、1.7%铅、0.2%镉和0.2%锡。水中的铅浓度与镉、锌和锡密切相关，表明这些金属来自GSL的涂层，并在管道暴露于腐蚀性的弗林特河水时被释放出来。镉存在于GSL涂层中，但在其他管道中很少见，被用来追踪GSL的贡献。GSL涂层中镉与锌的比率与水中观察到的比率一致，证明GSL是这些金属的来源。水中的铅与锌的比率远高于原始涂层中的比率，表明来自上游铅服务管线（LSL）的铅已渗入GSL。由于水源的变化，这种富含铅的涂层被释放出来，这表明即使在移除铅服务管线后，GSL仍可能是水中铅的重要来源。图3 镀锌铁服务管线（GSL）和铅服务管线（LSL）的示意图4. 高铅和变色投诉呈现正相关在改用弗林特河水后，变色（红水/黄水）投诉有所增加，而消防栓冲洗引发水力扰动很可能进一步加剧这种情况。虽然红水/黄水投诉是由铁含量增加引起的，但其实还与该房屋中水中铅含量升高有关，例如1 月份样本中的铅和铁含量之间存在很强的相关性（ρ = 1，p < 0.05；表 SI-2）。 1月15日采集的第一份水样变色程度最轻，铅、铁含量分别为360 μg/L和9.0 mg/L（图5）。相比之下，1月21日采集的第一份水样变色严重，铅和铁含量分别为3585 μg/L和168 mg/L。变色预示着该家庭中含有铅管线的水中铅含量较高，平均铁铅比为 1 mg/L铁对 28 μg/L铅。然而，值得注意的是，虽然水变色与 1 月份样品中的高铅含量密切相关，但没有变色并不是水铅含量安全的指标，正如 4 月份的分析中观察到的没有变色所表明的那样样品（即没有美观问题但 Pb ≥ 217 μg/L 的样品）。图4 2015 年 1 月收集的水样水变色与铅浓度之间的关联。原始样品瓶的照片上覆盖着水中铅浓度的条形图。研究意义尽管本文测试的案例很可能是弗林特铅含量最高的案例之一，因为该地区的管线长达 65.2–66.1 m（214–217 英尺；图3），但铅含量的相对增加表明弗林特其他用户可能出现的水质问题的严重程度。血铅数据分析显示，2015 年 9 月下旬，弗林特全市儿童的血液中铅含量超标，地方、州和联邦卫生官员宣布进入紧急状态，其中包括分发过滤器和瓶装水，以避免额外的健康危害。研究历史进展概述2014年弗林特更换了水源：弗林特在2014年4月将水源从底特律水系统切换到弗林特河，以节省资金，因为城市面临财务危机。然而，弗林特河水更具腐蚀性且处理不当，导致铅污染和儿童健康问题。M. Hanna-Attisha等人对这一变化对儿童血铅浓度升高的影响进行了研究（Hanna-Attisha et al., 2016），该文被引1236次（Google Scholar）。2015年对可溶性铅的可能来源进行了分析：在尝试通过降低饮用水pH值来减少铅的溶解度时，整体铅浓度反而上升。这使得S. Masters等人分析了与铅污染相关的可能因素。后来得出结论，水中铅的增加与铁的腐蚀有关。该事件最终在2017年1月被宣布为联邦紧急状态（Master et al., 2015），该文被引87次（Google Scholar）。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b04034
2024-11-21
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经典论文解读：环境中的全氟及多氟烷基物质
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：环境中的全氟及多氟烷基物质解读人：刘春雷、丁泽作者：Marina G. Evich , Mary J. B. Davis，James P. Mccord，Brad Acrey , Jill A. Awkerman, Detlef R. U. Knappe , Andrew B. Lindstrom , Thomas F. Speth , Caroline Tebes-Stevens , Mark J. Strynar , Zhanyun Wang , Eric J. Weber , W. Matthew Henderson , and John W. Washington文章标题：Per- and polyfluoroalkyl substances in the environment文献来源：Science研究背景全氟及多氟烷基化合物（Per- and polyfluoroalkyl substances，PFASs）具有优异的化学稳定性和热稳定性，并且耐高温、耐光照，能够抵抗水解和生物降解作用，广泛应用于皮革、纺织、造纸、农药、食品包装等领域。PFASs已经生产了近70年，全球每年产量超过一百万吨，但公众对这些化合物的认识仍然相对较浅，其生产、利用与废弃量的增加增大了其在环境中的暴露几率。随着PFASs在水体、大气、土壤等环境介质及动物和人体血液中的大量检出，其对于人体健康的危害、对生态的潜在风险问题逐渐受到社会公众的广泛关注。PFASs的相关研究在不断开展。由于PFASs的数量众多且还在增加，研究进展缓慢且相关替代物质的不利影响也未知；PFASs与环境的相互作用复杂，数据杂乱不成体系；新开发的PFASs特征不明，甚至缺乏明确的化学结构，难以进行毒理学研究。目前PFASs污染修复仍处于起步阶段，针对饮用水的研究较多，对于其他环境介质的研究较少。基于此，本文总结了主要的PFASs组的合成路线、结构性状及使用情况；分析了PFASs的主要分解途径；讨论了PFASs在环境中的持久性、环境流动性、暴露和修复方面的核心问题。PFASs的生命周期 PFASs产品从生产商到市场，再到消费者，最后到处置，每一步都向大气和水体进行释放。土壤是PFASs一个长期的环境汇，缓慢地释放PFASs到水体中，并被生物群吸收，最终在深海沉积物中积累。研究结果1. 部分长链PFASs会引起机体不同程度的氧化应激且会影响无脊椎动物的抗氧化防御系统，具有神经诱导毒性和重复毒性效应，在生物体的残留时间超过任何已知的人为排放的污染物。2. PFASs的降解率可能会受到共存污染物或合成副产品的影响，且随着链长的增加，PFASs的毒性、生物积累和持久性增强。无论降解途径如何，PFAS自然转化的反应产物，导致垃圾填埋场等沉积位点成为了PFASs的延时源。3. 真实环境条件的复杂性会导致PFASs相关研究与实验室条件下的反应方案和降解速率存在差异，增强了后续研究的挑战性。4. 大部分现有的处理技术只能浓缩PFASs，而浓缩处理无法彻底去除，需尽量减少PFASs的使用，同时对污染基质进行更剧烈、更具破坏性的修复，并找到一种确保完全销毁PFASs的废物管理方法。环境介质中PFASs的分布特征 土壤固相物质随环境的变化而显著变化，NOM集中在浅层土壤中，铁（氧）氢氧化物通常在地下介质中占主导地位。对数Kd随氟烷基数和末端部分变化而变化[(A)；pH = 5.2]。当不受前体物质降解影响时，PFASs的相对迁移率通常随氟烷基碳数变化而变化[(B)，(D)，(E)]，陆地植被的积累随着氟烷基数量的增加而减少，但陆地捕食者的积累随着氟烷基数量的增加而增加[(C)]。在水生环境中，植物的积累随着氟烷基数量的增加而增加[(F)]。营养传递和环境暴露 长链全氟羧酸盐（上图）和全氟磺酸盐（下图）在水生食物网中的生物积累因子（BAFs）要大于短链全氟烷基羧酸盐。采用单猎物分类法（Fish Base）和生物湿重的标准化生物累积系数评估营养级积累情况，发现在营养水平较高的生物中，PFOS的生物积累大于PFOA（中图）。多重毒理学意义（右图）反映了PFASs理化性质的多样性与其官能团和氟烷基碳链长度有关。意义与反响尽管近几十年来在了解PFASs的生命周期、流动性、毒性和处理措施方面取得了很大的进展，但在这些持久性化学品的整个生命周期中仍存在相当大的管理问题。许多PFASs化学物质、制造过程、工业副产品和应用存在机密性，阻碍了新兴化合物的研究。此外，PFASs影响的环境介质复杂多样，难以通过实验室研究实现突破性进展。本文对PFASs目前的研究进行了系统地综述，为后续相关研究提供了理论依据，对PFASs未来的管理与限制具有指导意义。文章自2022年发表至今已被引用594次（Web of Science）。作者：约翰·华盛顿（John W. Washington）2022年，John W. Washington凭借在《Science》杂志上发表的年度杰出研究论文，“Hunting the eagle killer: A cyanobacterial neurotoxin causes vacuolar myelopathy.”获得 AAAS 纽康克利夫兰奖。2021年，荣获宾夕法尼亚州立大学地球与矿物科学学院 125 周年纪念研究员。2020年，John W. Washington因使用创新分析方法开发传统 PFAS 指纹图谱并检测新型 PFAS 化学品和降解物而获得 EPA 国家荣誉奖及 USEPA 科学成就奖。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg9065
2024-11-21
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周伟奇课题组在城市绿地降温效率尺度推绎方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室周伟奇课题组在城市绿地降温效率尺度推绎方面取得新进展。研究结果以“A scaling law for predicting urban trees canopy cooling efficiency”为题在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences。城市热岛效应是一个全球性的问题，气候变化和城市化的叠加效应进一步加剧城市升温的问题，极端高温事件频繁发生，严重影响城市生态系统和居民身心健康，是城市可持续发展的巨大挑战。城市绿地具有显著降温作用，为此，全球众多城市设定绿化目标、启动城市绿化行动，以缓解城市高温。但是，城市绿化目标的降温效果如何？这一城市管理和决策者关切的问题，尚未得到很好的回答。这是因为已有相关研究主要聚焦居民区、街道等局地尺度，研究结果难以外推至管理和决策者关心的城市尺度，无法为城市尺度绿化目标的制定提供有力支持。围绕局地尺度的研究结果是否可以、如何推绎到城市尺度这一关键科学问题，研究团队以四个气候背景迥异的城市：中国的北京和深圳，美国的巴尔的摩和萨克拉门托为研究对象，创新性地引入景观生态学的尺度推绎思想，采用绿地降温效率量化降温成效，通过解析从局地到城市一系列分析单元上降温效率的变化规律，揭示了降温效率随分析单元的增大而上升，呈幂函数的定量关系的规律。该定量关系在不同气候背景、不同天气条件下具有稳健性，可为计算城市尺度降温效率，制定城市绿化目标提供关键科技支撑。论文的通讯作者为周伟奇研究员和美国卡里生态系统研究所Steward Pickett教授，第一作者为助理研究员王佳。该研究工作得到了国家自然科学基金杰青项目、国家重点研发计划等的支持。论文全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.240121012图1 绿地降温效率科学研究与城市绿化行动现实需求存在空间尺度不匹配的问题图2 绿地降温效率随分析尺度增加呈幂函数变化规律，且在不同气候背景、不同天气条件下具有稳健性城市与区域生态国家重点实验室2024年11月11日<!--!doctype-->
2024-11-11
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张长斌课题组在催化转化CO2研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心张长斌课题组在催化转化CO2研究方面取得重要进展，相关成果以“Sulfate residuals on Ru catalysts switch CO2 reduction from methanation to reverse water-gas shift reaction”为题，在线发表于Nature Communications （https://www.nature.com/articles/s41467-024-53909-8）。在“碳达峰、碳中和”的政策背景下，CO2的高效催化转化近年来成为催化领域的重要研究方向。在常压条件下，CO2催化加氢反应主要发生甲烷化反应和逆水煤气变换反应（RWGS），分别生成CH4和CO，这两种产物在能源和工业领域广泛应用。然而，在反应温度低于500 oC时，CO2的甲烷化反应在热力学上比RWGS反应更为优势，如何在此条件下实现向CO的高选择性转化仍然是一个技术上的重大挑战。Ru基催化剂是CO2催化加氢反应的一类重要催化剂，研究者们前期发现Ru负载在不同TiO2载体时选择性存在显著的差异，通常归因于TiO2的晶型效应和金属与载体强相互作用。张长斌研究团队深入探究了不同商业来源TiO2以及不同气氛预处理对Ru/TiO2催化剂CO2催化加氢反应的影响，发现TiO2载体上残留的微量硫酸根（SO42-）是导致CO2还原选择性显著变化的关键性影响因素。研究发现，在无残留的Ru/TiO2表面主要生成甲烷，而表面有微量SO42-残留时产物主要为CO，Ru/TiO2由高效甲烷化催化剂转变成为高效的RWGS催化剂。进一步发现，CO2还原选择性发生转变与Ru/TiO2界面处的SO42-密切相关，而空气焙烧处理是诱导SO42-从TiO2载体迁移至Ru/TiO2界面的必要预处理条件。系列表征和DFT理论计算表明，Ru/TiO2界面的SO42-显著增强了H从Ru颗粒向TiO2转移，从而阻碍了CO加氢生成CH4，显著提高了CO选择性。该研究发现突显了催化剂表面微量元素在CO2催化加氢反应中的关键作用，为设计和开发高性能的多相催化剂提供了重要启示。该论文第一作者为中国科学院生态环境研究中心助理研究员陈敏，通讯作者为加州大学河滨分校刘福东副教授和中国科学院生态环境研究中心张长斌研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金和面上基金（22025604和22276204）的支持。图1. 微量硫酸根（SO42-）对Ru/TiO2催化还原CO2性能的影响。大气环境与污染控制实验室2024年11月10日<!--!doctype-->
2024-11-10
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曲久辉院士团队在电化学厌氧膜生物反应器研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心曲久辉院士团队在电化学厌氧膜生物反应器方面取得重要研究进展，相关成果以“Recovering nutrients and unblocking the cake layer of an electrochemical anaerobic membrane bioreactor”为题，在线发表于Nature Communications (https://www.nature.com/articles/s41467-024-53341-y). 污水处理同步回收资源和能源是水务行业绿色低碳转型的重要方向。厌氧膜生物反应器（AnMBR）有能耗低、有机负荷与出水质量高的优点，在污水资源化领域具有重要应用前景。然而，传统AnMBR膜污染严重，且无法回收废水中的氨氮和磷。为此，研究团队创建了一种资源回收型电化学厌氧膜生物反应器（eRAnMBR），该反应器采用镁阳极-导电膜双阳极、石墨阴极结构，首次实现了废水中碳、氮、磷的全回收，并显著缓解了膜污染。镁阳极释放镁离子与氨氮和磷酸盐结合生成鸟粪石；同时，阴极析氢反应增加了局部pH，有利于鸟粪石的阴极沉积，从而促进了鸟粪石与污泥的分离以实现原位回收。 研究团队深入探究了膜表面滤饼层结构的调控对于膜污染缓解的效果及电子传递路径对于甲烷生成的促进作用。释放的Mg2+增大了污泥絮体尺寸，减少了污泥颗粒与膜表面间的粘附力，并且降低了胞外聚合物蛋白质二级结构中氢键的比例，从而削弱了凝胶层的形成，使滤饼层结构变得疏松多孔。电化学反应强化了种间直接电子传递并丰富了产甲烷途径，产生的甲烷纯度提高至94%。 通过成本估算，如对eRAnMBR的甲烷电能回收利用，可以覆盖反应器的电力和电极消耗成本。该反应器具有工艺简洁、膜维护少、碳足迹低等优点，为下一代污水处理提供了新的技术选择。 该论文第一作者为博士生张宇涵，通讯作者为胡承志研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。图 1 电化学厌氧膜生物反应器回收碳氮磷并缓解膜污染机理论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53341-y环境水质学国家重点实验室2024年10月24日
2024-10-24
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阴永光课题组在Nature Food发文揭示人为活动塑造鱼类汞浓度水平的地理差异
中国科学院生态环境研究中心阴永光课题组在人为活动塑造鱼类汞浓度水平的地理差异方面取得重要进展，相关成果以“Human activities shape important geographic differences in fish mercury concentration levels”为题，在线发表于Nature Food (https://doi.org/10.1038/ s43016-024-01049-z).甲基汞是毒性最强的汞化合物之一，可沿食物链富集累积，鱼类消费是人类汞暴露的主要途径之一。鱼类汞含量与环境汞浓度、鱼类特征及食物网结构密切相关（图1a）。这些因素又受控于人为活动，但尚不清楚各因素对鱼汞累积的具体贡献。目前对人为活动如何驱动鱼类汞含量的地理差异认识有限，阻碍了汞污染的有效管理。研究团队分析了全球 315 个水生系统的鱼汞特征，发现鱼类总汞和甲基汞浓度在不同国家/区域间存在显著的地理差异。进一步以中国和美国为例进行对比研究，发现尽管中国的汞排放较高，但其鱼类总汞和甲基汞水平却远低于美国。为厘清驱动鱼汞累积的关键因素，该团队运用结构方程模型将鱼类甲基汞的地理差异与人为活动、环境汞浓度、食物网结构和流域特征相关联。结果显示，人为活动通过加剧环境汞浓度和水体富营养化，以及/或改变鱼类性状来影响鱼类甲基汞浓度水平。其中，鱼类大小是最具影响力的直接因素，正向影响鱼类甲基汞累积，其次是鱼类营养级（图1b）。但过度捕捞等人为活动会降低鱼类大小和营养级、缩短食物链及鱼类寿命，从而降低鱼类甲基汞累积。这也是中国鱼类甲基汞浓度水平较低的关键因素。这一研究提示，虽然中国目前鱼类汞浓度水平较低，但随着中国社会经济的发展、食物链的恢复（由于生态系和统恢复和对过度捕捞的限制），即使是在汞排放有所减少的情况下，未来仍可能会面临鱼类甲基汞升高的困境。在将汞污染作为一个全球性问题进行管理的同时，还需考虑区域汞排放、社会经济发展以及食物网结构的地理差异。图1影响鱼类汞浓度水平的因素该论文的通讯作者为阴永光研究员和蔡勇研究员，第一作者为博士后/特别研究助理向玉萍（现任西南大学资源环境学院副教授）。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s43016-024-01049-z环境纳米技术与健康效应重点实验室2024年10月21日
2024-10-21
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经典论文解读：基于生物多样性热点的保护优先区识别
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：基于生物多样性热点的保护优先区识别解读人：杨洪波、陈续高作者：Norman Myers, RussellA. Mittermeier, Cristina G. Mittermeier, Gustavo A. B. da Fonseca, and Jennifer Kent文章标题：Biodiversity hotspots for conservation priorities文章来源：Nature被引次数：21375次（Web of Science）；39223次（Google Scholar）背景和问题研究背景：生物多样性丧失是当前全球发展面临的重大挑战。但是全球生物多样性保护普遍面临资金短缺的问题，因此识别生物多样性热点（biodiversity hotspots）对于确定保护优先区，提升保护资金效益至关重要。英国牛津大学（Oxford University）科学家Norman Myers及其研究团队率先提出了“生物多样性热点”的概念，围绕生物多样性热点的识别方法开展了多年深入研究，于2000年在《Nature》上发表了这篇题为“Biodiversity hotspots for conservation priorities”的文章，引起了全球广泛关注。科学问题：需要优先保护的全球生物多样性热点分布在哪里？研究内容研究思路：作者根据“生物多样性热点”的概念内涵，即生物种类丰富且栖息地丧失严重的地区，建立了生物多样性热点的识别方法。基于维管植物和四大类脊椎动物的特有种数量，以及原始植被的丧失程度，确定了25个全球生物多样性热点（如图1）。图1 全球25个生物多样性热点的空间分布图核心发现：（1）研究识别的25个全球生物多样性热点仅占地球陆地面积的1.4%，但这些地区拥有异常丰富的特有种。这25个热点地区分布有133149种植物物种（占全球所有植物物种的44%；如表1）和9645种脊椎动物物种（占全球所有脊椎动物物种的35%；如表2）。同时，这些生物多样性热点地区正面临严重的栖息地丧失压力，已经丧失了88%的原始植被。表1 全球25个生物多样性热点中分布的植物物种信息表2 全球25个生物多样性热点中分布的脊椎动物物种信息（2）这25个全球生物多样性热点集中分布于热带和地中海地区：有15个热点分布于热带森林地区，5个热点分布于地中海地区。许多岛屿是生物多样性热点。其中9个生物多样性热点主要或完全由岛屿组成，而几乎所有的热带岛屿都属于生物多样性热点。（3）通过优先保护这些生物多样性热点，可以以较小的成本保护更多的物种。这在其中的五个热点（热带安第斯山脉、苏门答腊、马达加斯加、巴西大西洋森林和加勒比地区；如表3）中尤其突出，它们的特有种植物和脊椎动物数量分别占全球总数的2%以上，但这些热点只占地球陆地面积的0.4%。此外，这些热点区域的栖息地损失严重，有的已经丧失了90%以上的原始植被。表3 特有种植物与脊椎动物在主要热点地区的分布情况研究启示生物多样性热点区域的物种丰富度高，栖息地受人类活动干扰严重，集中资源保护这些热点地区，可以以相对较低的成本保护大量物种，提升生物多样性保护效率。这在当前生物多样性保护资金与人力资源都面临不足的背景下尤为重要。通过识别生物多样性热点，进而制定不同区域的生物多样性保护的优先级，可以帮助将有限的保护资源分配到最需要的地区。此外，生物多样性热点地区不仅对生物多样性保护至关重要，还为人类提供了诸如气候调节、水源保护、土壤保持、粮食安全等重要生态服务。保护这些区域有助于维护全球生态系统的稳定，促进人类福祉与社会的可持续发展。作者信息简介：诺曼·迈尔斯（Norman Myers, 1934-2019）是英国著名的环境学家和保护生物学家，提出了 “生物多样性热点”这一关键科学概念。通过方法创新和广泛的跨学科视角，迈尔斯开创了多个新的研究领域，影响了全球保护策略的制定和实施，对全球生态环境保护产生了深远的影响。（作者信息链接：https://www.nature.com/articles/s41559-020-1095-8）荣誉：1、1991年获蓝色星球奖（Blue Planet Prize），以表彰他在环境保护领域的杰出贡献。2、1992年获沃尔沃环境奖（Volvo Environment Prize），全球顶级的环境保护奖项之一。3、入选联合国环境规划署全球500名人堂（UNEP Global 500 Roll of Honour），他因其环境保护工作被列入该名人堂。4、1994年被评选为美国国家科学院外籍院士（Foreign Associate, US National Academy of Sciences），这是对他在生态保护领域杰出贡献的高度认可。5、1995年获UNEP环境奖（Sasakawa Prize），联合国环境署授予他该奖，以表彰他的环保成就。6、2007年被评选为《时代》杂志“环境英雄”，以表彰他对保护生物多样性和环境保护的贡献。论文链接：https://doi.org/10.1038/35002501<!--!doctype-->
2024-10-15
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胡立刚等在汞微生物甲基化机制研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心胡立刚课题组在微生物汞甲基化机制研究方面取得重要进展。相关研究近日以“The origin of methyl group in methanogen-mediated mercury methylation: from the Wolfe cycle”为题，在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences （PNAS） 期刊（DOI: 10.1073/pnas.2416761121）。 环境中甲基汞主要由产甲烷菌和硫酸盐还原菌、铁还原菌等微生物介导生成，其中产甲烷菌研究甚少。以往认为，产甲烷菌汞甲基化过程的甲基与硫酸盐还原菌和铁还原菌相同，来源于乙酰辅酶A途径，但缺乏实验证据支撑。另一方面，产甲烷菌中存在其他一碳单位携带者，其介导生成甲基汞的甲基可能来源于其他代谢途径。 研究首先对产甲烷菌Methanospirillum hungatei JF-1汞甲基化机制进行深入研究。差异表达蛋白质组分析和底物限制实验表明，该微生物汞甲基化与甲烷代谢密切相关。随后研究使用13C同位素标记碳代谢底物，通过测定同位素在甲基汞和甲烷中的分布，证明了该微生物汞甲基化过程的碳原子几乎全部源于Wolfe cycle（产甲烷途径），而乙酰辅酶A途径对甲基汞生成无贡献。最后，产甲烷菌基因组分析及后续的13C同位素标记实验发现，Wolfe cycle依赖的汞甲基化机制在产甲烷菌中很可能普遍存在。该研究推进了对微生物汞甲基化基本生物化学过程的理解，为环境中甲基汞的生成潜力评估与甲基汞污染治理策略提供了重要信息。图1 产甲烷菌Wolfe cycle依赖的汞甲基化机制 论文的第一作者是2019级直博生高峻，通讯作者是胡立刚研究员和阴永光研究员。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目和生态环境研究中心所级项目的支持。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2416761121环境化学与生态毒理学国家重点实验室2024年10月12日
2024-10-12
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经典论文解读：迷航-所有的塑料去了哪里？
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：迷航-所有的塑料去了哪里？解读人：肖可青、邵紫怡随着全球塑料生产的急剧增长，海洋中的塑料污染问题越来越严峻。我们常常看到新闻报道海洋生物因塑料垃圾受伤或死亡，但实际上，不仅是大型塑料碎片，微观塑料（即“微塑料”）在海洋环境中的分布更为广泛且隐蔽。而最早提出塑料微粒概念的是英国普利茅斯大学(University of Plymouth)的科学家Richard C. Thompson及其研究团队，并于2004年在《Science》发表题为“Lost at sea: Where does all the plastic go?”的文章，引起了全球广泛关注。作者：Richard C. Thompson , Ylva Olsen, Richard P. Mitchell, Anthony Davis, Steven J. Rowland, Anthony W. G. John, Daniel McGonigle, and Andrea E. Russell文章标题：Lost at Sea: Where Is All the Plastic?文献来源：Science被引次数：4310次（Web of Science）；6868次（Google Scholar）研究内容为了量化微塑料的丰度，作者采集了英国普利茅斯周围的海滩、河口沉积物和潮下带沉积物的样本。通过浮选法分离较轻的颗粒，利用傅里叶变换红外（FT-IR）光谱分析进行鉴定。共鉴定出9种聚合物：丙烯酸、醇酸树脂、聚（乙烯：丙烯）、聚酰胺（尼龙）、聚酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯和聚乙烯醇。为了评估污染程度，他们对大西洋东北部（英国东部、西部和南部）的17个海滩进行了调查，发现了类似的塑料纤维，表明微塑料在沉积环境中普遍存在。为了评估微塑料丰度随时间变化的长期趋势，作者检查了自20世纪60年代以来在阿伯丁和设得兰群岛（315公里）以及从苏勒斯克里到冰岛（850公里）之间的航线上定期收集的浮游生物样本，发现早在20世纪60年代的样本中就有塑料夹杂在浮游生物中，而且其丰度随着时间的推移显著增加。为了确定微塑料是否可能被生物摄取，作者将片脚类动物、海蚯蚓和藤壶放置在含有少量微塑料的水族箱中。几天内，三种物种都摄取了塑料。图1 (A)在海洋沉积物中发现的许多碎片之一，经傅里叶变换红外光谱鉴定为塑料。(B)采样点位于大西洋东北部。普利茅斯附近的六个地点（□）被用来比较不同生境中微塑料的丰度。在其他海岸（●）也发现了类似的碎片。利用连续浮游生物记录仪(CPR 1和CPR 2)沿不同航线进行采样，以评估自1960年以来微塑料丰度的变化。(C)微观碎片的FT-IR光谱与尼龙的广谱相匹配。(D)潮下带沉积物中微塑料的丰度高于沙滩(*，F2,3=13.26, P＜0.05)，但相同生境类型的不同地点之间丰度一致。(E)与1980年代和1990年代的样品相比，1960年代和1970年代的CPR样品中微观塑料的丰度显著增加(*，F3,3=14.42, P＜0.05)。将全球合成纤维的大致产量进行重叠比较。海洋路线CPR 1的微塑料丰度低于CPR 2 (F1,24=5.18, P＜0.05)。图2在实验室试验中，海蚯蚓、藤壶和片脚类动物摄入了微型塑料。图中是片脚类动物（海滨跳虫）肠道内的塑料碎片(箭头所示)。关键发现：1、微塑料的广泛存在：微塑料碎片和纤维广泛存在于海洋中，并已在远洋和沉积环境中积累。这些微塑料来自日常物品，如服装、包装材料和绳索等。2、微塑料的长期积累趋势：自20世纪60年代以来，微塑料在水体中的丰度随着时间的推移显著增加。3、微塑料的摄取与环境影响：实验显示，海洋生物如藤壶、片脚类动物和海蚯蚓等在短时间内便会摄入微塑料，预示着微塑料潜在的生态系统威胁。这篇文章开创了微塑料污染研究领域，提出了许多重要问题：我们需要找到方法来量化存在的微观塑料的全部材料种类？微塑料对生态系统的长期影响是什么？它们是否能够进入食物链？2024年：20年后，我们学到了什么？时隔20年，在2024年的9月19日，Thompson在Science发表了一篇综述，总结了过去20年微塑料污染的研究进展。从最初的海洋污染到如今，微塑料不仅存在于海洋中，还遍布空气、土壤，甚至人类体内。该文章详细讨论了微塑料的来源、传播路径、环境积累以及其对生态系统和人类健康的潜在影响。20年间，Richard C. Thompson的研究展示了塑料污染的起源、扩展和未来威胁。从2004年的初步发现，到2024年全球范围内的广泛证据，他的研究提醒我们，解决微塑料污染问题不仅是科学界的任务，也是社会各界共同的责任。随着全球塑料污染的加剧，采取措施已迫在眉睫。关键信息：1、定义的完善：微塑料的定义逐渐明确，现在微塑料通常指≤5毫米的固体塑料颗粒，来源包括轮胎磨损、纺织纤维、清洁产品以及较大塑料物品的降解。2、全球分布：微塑料的污染已扩展到全球各个生态系统，包括海洋、河流、土壤，甚至在珠穆朗玛峰和北极冰层中也发现了微塑料。3、人类健康的影响：微塑料已经被发现存在于人体血液、肝脏、肺等器官中，尽管目前尚不明确其长期健康影响，但已有证据表明其可能对人体产生负面作用。4、政策与行动：随着公众对微塑料污染的关注增加，多个国家和国际组织已制定政策，推进更严苛的塑料回收法规。未来展望：Thompson在这篇综述文章中指出，如果当前的塑料生产和使用方式不发生重大改变，到2040年，环境中的微塑料污染可能会翻倍，预计会造成大规模危害。目前公众对微塑料危害的关注日益增加，国际谈判中正在考虑采取多种措施来解决微塑料污染的问题。现在需要明确的证据来证明潜在解决方案的有效性，以解决该问题并最大限度地减少意外后果的风险。作者：英国普利茅斯大学海洋研究所所长理查德·汤普森教授 (Richard C. Thompson)Richard 是全球顶尖的海洋科学家，处于海洋垃圾原因和影响的开创性研究的最前沿。他创立并领导了英国普利茅斯大学的国际海洋垃圾研究小组，该小组绘制了从北极海冰到深海的微塑料的全球分布图。荣誉：2017年，Thompson因其对海洋科学的服务而被授予OBE（大英帝国军官勋章）。他因对微塑料的开创性研究而被授予2017年沼泽海洋和淡水保护奖。2019年被授予女王周年纪念奖，以表彰Thompson和他的同事在海洋微塑料污染及其对环境的影响和行为改变方面的开创性研究。Thompson被授予2023年蓝色星球奖，以表彰他的开创性研究以及与英国和全球同事的持续合作。参考文献：R.C. Thompson, et al. (2004). “Lost at Sea: Where Is All the Plastic?” Science 304,838-838.R.C. Thompson et al. (2024). “Twenty years of microplastics pollution research-what have we learned?” Science 0 eadl2746.论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.1094559<!--!doctype-->
2024-10-09
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彭汉勇团队||JACS封面 ||RNA 激活的 CRISPR/Cas12a 纳米机器及其活细胞成像
2024年8月，环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇课题组与江桂斌院士、加拿大X. Chris Le院士等团队合作，在CRISPR基因编辑工具开发方向取得新进展，研究成果以“RNA-activated CRISPR/Cas12a nanorobots operating in living cells ”为题发表在Journal of the American Chemical Society期刊上（Supplementary Cover）。CRISPR-Cas系统作为一种革命性的基因编辑工具，因其操作简单、编辑精确、效率高等特点，已在分子生物学和基因治疗领域得到了广泛应用。CRISPR基因编辑技术中的Cas蛋白，如Cas12a和Cas13a，能够特异性靶向核酸，并激活反式切割活性，非特异性持续切割单链核酸报告基因。Cas酶的反式切割特性使得检测信号可以被放大，提高了检测的灵敏度，推动了CRISPR技术在超灵敏分析和分子诊断领域的发展。然而，目前这些Cas酶主要用于试管内分析，而在活细胞中的应用受到限制。主要原因为：一、RNA激活的Cas13a会对胞内功能性RNA进行非特异性反式切割，可能对细胞造成伤害，而Cas12a虽然仅反式切割单链DNA，但能否被胞内RNA激活尚未明确；二、活细胞内条件无法达到最佳切割活性，包括Mg2+离子、报告基因浓度等，受限于复杂的胞内递送过程。因此，亟需开发新的CRISPR工具，以满足活细胞应用需求。 环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇团队通过研究Cas12a酶的功能，发现了Cas12a能够被RNA激活，并反式切割DNA报告基因。CRISPR/Cas12a与靶标RNA通过碱基互补配对结合，其反式切割速率随DNA报告基因的延长而增加。这一发现表明Cas12a蛋白是一种独特的“全能型”蛋白酶，能够直接靶向三种类型的核酸，包括RNA、单链DNA、双链DNA，并激活其反式切割活性。该工作还系统评价了CRISPR/Cas12a的RNA/DNA靶向能力及酶切速率，为CRISPR研究提供了定量数据。该发现为CRISPR/Cas结构与功能研究带来了新的视角，将推动病毒检测、疾病诊断、转录组调控、分子成像和基因编辑等领域的CRISPR新技术研发。 为了突破活细胞应用瓶颈，彭汉勇团队基于上述Cas12a新功能，构建了一种高度集成的RNA激活CRISPR/Cas12a纳米机器，用于活细胞中特征miRNA的成像。通过将CRISPR/Cas12a系统及其报告基因组装到纳米金球表面，实现在胞内外CRISPR体系中各组分的化学计量比始终保持不变，不受进胞量的影响。同时，在纳米金表面的有限纳米空间内，Cas12a及其底物报告基因的局部浓度较高，切割速率得到大幅提升。此外，由于Mg2+离子与核酸链上磷酸基团的相互作用，使得纳米金表面Mg2+离子的局部浓度得到提高，在低Mg2+离子浓度下Cas12a仍能保持高切割活性，从而克服了胞内低浓度Mg2+离子的限制。将CRISPR/Cas12a纳米机器与细胞进行孵育，在胞内识别特征miRNA后启动，产生持续放大的荧光信号，实现对胞内miRNA的成像。CRISPR/Cas12a纳米机器在活细胞中具有优异的RNA识别能力和胞内成像性能，融合了精准识别、高效运转与自动化操作等特性，同时展现了组件更换的设计灵活性，为开发新的CRISPR工具提供了一种个性化定制平台。 该工作发现RNA可以直接激活CRISPR/Cas12a系统的反式割活性，这一发现打破了之前仅限于DNA激活的认知，并揭示了RNA与DNA激活的Cas12a系统的基因切割行为差异。通过人工合成的CRISPR纳米机器平台，实现CRISPR系统在胞内的高效运转，有望在分子诊断、基因编辑、癌症治疗、感染性疾病和其他遗传性疾病的精准医疗中发挥重要作用，为环境健康、生物技术、医学领域的进步提供新的动力。图1. RNA 激活的 CRISPR/Cas12a 纳米机器及其活细胞成像图2. RNA 激活的 CRISPR/Cas12a及其反式切割活性评价。(a)显示CRISPR/Cas12a系统的RNP与靶RNA、ssDNA或dsDNA的相互作用的示意图。(b)使用RNA激活的CRISPR/Cas12a系统通过8 nt报告基因（100、500、1000和2000 nM）的反式切割产生的荧光。(c)从溶液中miRNA激活的crRNA-Cas12a RNP对不同长度DNA报告基因的反式切割中观察到的反应速度。crRNA-Cas12a RNP的浓度为2 nM，靶miRNA的浓度为40 nM。当使用30 nt FQ reporter作为底物时，米氏常数（KM）测定为3.5 × 10- 8 M，切割速率（Kcat / KM）为2.8 × 106 M-1 s-1。当使用8 nt的报告基因作为底物时，米氏常数（KM）为2.2 × 10−6M，Kcat / KM为3.1 × 104M−1 s−1。miRNA激活的crRNA-Cas12a RNP的反式切割有利于30 nt报告基因而不是8 nt报告基因（底物）。(d)显示从8、15、20、25和30 nt底物裂解的片段的凝胶图像。CRISPR/Cas12a系统由RNA或ssDNA激活。反应30分钟后进行凝胶电泳。(e)通过RNA活化的CRISPR/Cas12a系统跨切8、15、20、25、30、35和40 nt底物的表观切割速率（kobs）。(f)在CRISPR/Cas12a系统被五种microRNA（miRNA-21、miRNA-10 b、miRNA-141、miRNA-let-7a和miRNA-222）激活后，切割30 nt报告基因的荧光。(g)在CRISPR/Cas12a系统被不同长度（23、69和986 nt）的RNA激活后，切割30 nt报告基因的荧光。图3. CRISPR纳米机器的构建与性能评价。(a)CRISPR纳米机器由用分子构建体修饰的AuNP组成，以使CRISPR系统能够运行。ssDNA底物链的5′端被硫醇化以促进底物与AuNP的缀合。底物链的3′-末端用FAM荧光团标记，其荧光被AuNP淬灭。硫醇化的锚链也与AuNP缀合。crRNA序列被延伸以包括在一端与锚链杂交并且在另一端与延伸的crRNA杂交的摆臂。crRNA和Cas12a形成RNP复合物，该复合物组装在AuNP支架上。(b)响应于200 pM miRNA，实时监测由CRISPR纳米机器产生的荧光。(c) 凝胶电泳表征30 nt底物及其被反式切割的产物。DNA和RNA分别用于激活溶液中的CRISPR纳米机器或游离的CRISPR RNP。(d)通过CRISPR纳米机器和溶液中的游离CRISPR RNP对底物反式切割产生的荧光。Mg2+浓度为1 mM，靶miRNA-21浓度为500 pM。图4. CRISPR纳米机器用于RNA检测的稳定性、选择性和灵敏度。(a)在FBS存在下CRISPR纳米机器与常用DNA报告基因的稳定性的比较。DNA报告基因是一条短链DNA，两端用FAM和猝灭剂标记。DNA报告基因和CRISPR纳米机器分别与80% FBS混合。通过测量FAM的荧光强度随时间变化来表征DNA报告基因和CRISPR纳米机器的稳定性。(b)CRISPR纳米机器对miRNA-21靶标的选择性。只有miRNA-21靶标的序列与crRNA的序列互补。miR-let-7a、miR-141、miR-155、miR-222和miR-10 b的序列与crRNA不互补。(c)CRISPR纳米机器人响应不同浓度（0 - 2000 pM）的靶miRNA产生的荧光强度。(d)CRISPR纳米机器产生的荧光强度与miRNA浓度成线性关系。线性范围为1 - 100 pM（R2 = 0.99）。图5. CRISPR纳米机器的活细胞成像。(a)HeLa细胞在与CRISPR纳米机器或突变体纳米机器或没有纳米机器（阴性对照）孵育后的荧光图像。靶miRNA与CRISPR纳米机器的结合激活纳米机器并启动Cas12a的反式切割活性。活性Cas12a重复切割数百个锚定在AuNP表面上的FAM标记的底物链。这些FAM标记的底物片段从猝灭的AuNP中释放，产生放大的荧光。作为miRNA-21的模拟物的合成RNA序列用作阳性对照。使用miRNA-21抑制剂（与miRNA-21结合的互补DNA序列）作为额外的阴性对照。(b)在CRISPR纳米机器或突变体纳米机器的细胞内操作0、1、2、3和4小时后拍摄HeLa细胞的时程图像。每个图像中细胞的荧光强度被量化，从而允许评估CRISPR纳米机器的细胞内活性的时间动态。 该论文的第一作者为中国科学院生态环境研究中心2021届博士生袁爱姣，通讯作者为彭汉勇研究员。该团队还对核酸纳米机器设计、合成及应用等相关技术进行了系统综述（TrAC-Trend Anal Chem 2023,158, 116870.TrAC-Trend Anal Chem 2024,175, 117724.）。该工作得到了国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项（B类）等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c02354
2024-10-03
