科研进展----中国科学院生态环境研究中心

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贺泓院士团队在O₂介导碳酸盐表面NO与SO₂协同氧化方面取得重要进展
在国家重点研发计划（2024YFC3711902）和国家自然科学基金（22188102、22327806和22476201）等项目资助下，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队与宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授团队合作，在O2介导碳酸盐表面NO与SO2协同氧化方面取得重要进展。研究成果以“O2‑Mediated Synergistic Oxidation of NO and SO2 on Carbonate Surfaces”为题于近日发表于Journal of the American Chemical Society (DOI:10.1021/jacs.5c20427)。作为地质碳循环的主要储库，碳酸盐矿尘通过风化与沉积作用长期参与调节大气CO2浓度。传统观点认为碳酸盐缺乏固有氧化能力，仅依赖酸中和作用影响二次气溶胶生成，工业脱硫脱硝亦需借助高级氧化剂。然而，碳酸盐在真实大气条件下的反应行为及氧化机制研究十分有限。尽管已有研究证实SO2与NO2在碳酸盐表面存在协同吸收，但其化学本质尚不明确；对于直接排放量大、反应活性低的NO，其转化动力学与反应机理更是研究空白。为揭示碳酸盐在大气环境中与气态污染物的反应机制，本研究结合精密实验设计与密度泛函理论（DFT）计算，证实了SO2与NO在Na2CO3表面的协同氧化作用。研究发现该协同氧化过程高度依赖O2浓度：适量O2促使NO与SO2生成[SO5-NO]中间体，进而通过O-O键断裂转化为硫酸盐与NO2；NO2则通过进一步协同氧化路径生成硝酸盐。这一发现为复合污染条件下大气氧化性的持续强化提供了机理解释，也为实现在大气环境条件下协同去除NOx和SO2提供了新思路。论文的第一作者为中国科学院生态环境研究中心博士研究生曹青，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心楚碧武研究员、李浩副研究员和宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授。研究得到了中国科学院生态环境研究中心贺泓院士的悉心指导。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c20427图. Na2CO3表面NO和SO2协同氧化示意图大气环境与污染控制实验室2026年2月24日

2026-02-24
贺泓院士团队在可再生能源制氢方面取得重要研究进展
中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在绿色低碳能源制氢方面取得重要研究进展，成果以“Electronic Metal–Support Interaction at ZnOx/Cu Interface Enhances H2 Production in Methanol Steam Reforming”为题发表于Journal of the American Chemical Society期刊上。在全球能源结构转型和“双碳”目标加速推进的背景下，氢能作为清洁高效的二次能源，被认为是构建未来低碳能源体系的关键支撑。甲醇水蒸气重整制氢（Methanol Steam Reforming, MSR）因可与可再生甲醇及二氧化碳资源循环利用相结合，被视为实现低碳、可持续制氢的重要技术路径。然而，如何精准调控催化剂活性位点以提升反应效率和稳定性，始终是该领域面临的核心挑战。图. ZnOx/Cu界面电子金属-载体相互作用增强甲醇蒸气重整制氢针对这一问题，研究团队以工业上长期广泛应用、但其作用机理长期存在争议的Cu/ZnO/Al2O3催化体系为研究对象，通过精细的结构设计，成功构建了界面结构清晰、可控的ZnOx/Cu模型体系，并在此基础上发现并证实了电子金属–载体相互作用（Electronic Metal–Support Interaction, EMSI）的关键作用。研究表明，ZnOx/Cu界面是反应过程中能够持续调控电子分布和催化行为的核心活性中心。ZnOx物种包覆于Cu纳米颗粒周围，促使电子在界面间实现高效、可逆的双向动态转移，从而显著影响Cu活性位点的氧化还原循环。一方面，ZnOx向Cu的电子供给有效抑制了Cu在反应过程中的过度氧化，增强了水分子的活化能力；另一方面，Cu向ZnOx的电子转移则促进了关键中间体甲酸盐物种的脱氢转化。上述由界面EMSI协同诱导的双重促进效应，使甲醇水蒸气重整反应的产氢效率和稳定性均得到显著提升。该研究工作系统阐明了界面EMSI在Cu/ZnO基催化体系中的本质作用机制，为通过界面工程精准调控催化活性位点提供了清晰范式，不仅加深了对经典工业催化体系的基础认知，也为绿色制氢等低碳能源转化技术的设计与发展提供了重要的科学支撑。中国科学院生态环境研究中心博士研究生刘帝儒为论文第一作者，徐光艳研究员和贺泓院士为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（22422609和22276203）的支持。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c20603大气环境与污染控制实验室2026年2月9日

2026-02-09
生态环境中心在全球供应链中畜牧业抗生素足迹研究方面取得重要进展
近日，中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室、环境水质学重点实验室研究团队与北京理工大学、伦敦大学学院等合作，在可持续发展领域顶级期刊《自然-可持续发展》（Nature Sustainability）在线发表题为“Livestock antimicrobial use embodied in global supply chains”的研究论文。该研究首次揭示了全球供应链中畜牧业抗生素足迹（Antimicrobial footprint）及其跨国转移特征，并发现非食品类商品在全球贸易中抗生素足迹占据的重要地位。抗生素耐药性（AMR）已成为全球公共卫生的重大威胁。畜牧业作为全球抗生素消费的主要领域（约占73%），其抗生素使用不仅通过食物链传播风险，还通过环境和贸易网络产生广泛的溢出效应。然而，长期以来，关于畜牧业抗生素使用如何通过国际贸易和全球生产网络在国家间转移的机制尚不清晰。针对这一问题，研究团队开发了包含192个国家、3种主要家畜（牛、鸡、猪）和16种抗生素类型的全球畜牧业抗生素使用清单，并结合多区域投入产出模型（MRIO），系统追踪了2010年至2020年间全球供应链中的抗生素足迹。研究发现，全球畜牧业抗生素足迹在2013年达到峰值（11.86万吨），随后呈现下降趋势，至2020年降至8.4万吨。这一积极变化主要得益于中国和美国等主要抗生素消费国实施了更严格的抗生素管理政策。然而，尽管总量下降，全球贸易中的抗生素足迹份额从2010年的16%上升至2020年的20%，表明抗生素足迹的跨界溢出效应正在增强。图 2010年和2020年全球不同经济体的人均畜牧业抗生素足迹研究进一步揭示了国际贸易中畜牧业抗生素足迹的结构性转变。到2020年，巴西已超越中国，成为全球最大的畜牧业抗生素足迹输出国，这主要与其庞大的肉类出口导向型经济有关。相比之下，发达经济体主要表现为抗生素足迹的净进口，通过全球供应链“外包”了其消费相关的抗生素环境与健康风险。除了肉类和乳制品等食品贸易外，非食品类产品在全球贸易中抗生素足迹流动扮演了关键角色。数据显示，约50%贸易中的抗生素足迹与纺织服装、服务业和制造业有关，使得抗生素风险沿着复杂的产业供应链传播到了远离食品系统的领域。基于上述发现，研究团队提出，应对全球抗生素耐药性挑战需要超越传统的“本地生产-本地治理”视角，建立涵盖生产者和消费者的全球责任共担机制。政策制定者应关注非食品供应链中的抗生素风险，并将抗生素治理纳入国际贸易框架，以实现“全健康（One Health）”理念下的全球协同治理。生态环境中心张俊亚研究员为论文第一作者，马百文研究员、北京理工大学曲申教授和伦敦大学学院郑赫然副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（52322001, 52388101, 52425005, 42477403, 72373141等）、中国科学院青年创新促进会、德国洪堡基金会等资助。论文链接：Nature Sustainabilityhttps://doi.org/10.1038/s41893-025-01751-1水污染控制实验室2026年2月9日

2026-02-09
向经典看齐:解码细菌潜力赋能农田N2O高效减排——微生物新路径
“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：解码细菌潜力赋能农田N2O高效减排——微生物新路径解读人：刘春雷于龙斌作者：Elisabeth G. Hiis, Silas H. W. Vick, Lars Molstad, Kristine Rosdal, Kjell Rune Jonassen, Wilfried Winiwarter & Lars R. Bakken文章标题：Unlocking bacterial potential to reduce farmland N2O emissions文献来源：Nature Vol 630, 13 June 2024, Pages 422–427研究背景N2O是一种强效温室气体，全球增温潜能约为CO2的300倍，且可在大气中存留百年以上。农田是主要人为N2O排放源，贡献全球50%以上排放量。自工业化以来，活性氮输入倍增，其中哈伯–博施工艺合成的氮肥是主要来源。氮肥过量使用导致农业系统“氮泄漏”，加剧温室效应，并引发水体富营养化与土壤酸化。现有减排手段（如提高氮利用效率、施用硝化抑制剂等）虽有一定效果，但普遍存在减排幅度有限（通常低于40%）、受环境与管理因素制约大、成本较高等问题，在发展中国家尤其难以推广。因此，开发高效、低成本、环境友好且易于推广的减排技术，已成为农业可持续发展的重要方向。N2O在土壤中的唯一生物转化途径是通过微生物体内的N2O还原酶（NosZ）将其还原为N2。理论上，增强NosZ活性菌群可有效减排，但实际应用中面临菌株难筛选、效果不稳定、技术成本高及生态风险未知等挑战。为此，本研究提出创新策略：利用有机废弃物（如沼气残留物）作为载体与培养基，筛选并规模化培养具有强土壤适应性的N2O呼吸细菌Cloacibacterium sp. CB-01，构建低成本、高效益的农田N2O减排体系。这一研究突破了传统微生物接种的瓶颈，并为废弃物资源化与温室气体协同减排提供了新路径。研究思路本文的研究思路清晰，可分为以下六个阶段：菌株筛选与表型鉴定：通过“双底物富集策略”从土壤和沼气残渣中筛选出能在土壤中存活的N2O呼吸细菌（NNRB）菌株，最终选定Cloacibacterium sp. CB-01作为目标菌株；生理与动力学表征：测定CB-01的N2O还原动力学参数（Vmax, Km），分析其在不同底物（营养液、沼气残渣）中的生长与呼吸表型；多尺度田间实验验证：采用“梯度验证”策略，分别开展了桶栽实验、田间小区实验和长期桶栽实验，在土壤中施用含CB-01的沼气残渣，监测N2O排放动态，评估减排效果与持久性；菌株存活与生态影响评估：通过qPCR追踪CB-01在土壤中的丰度变化，通过16S rRNA测序分析对土著微生物群落的影响；减排潜力区域尺度推演：基于GAINS模型估算欧洲尺度N2O减排潜力，分析不同国家与农业系统的适用性；技术可行性评估与未来方向：评估CB-01的安全性（无抗生素抗性基因、无致病性），提出拓展至其他有机废弃物的应用前景；核心研究成果1. 关键菌株的分离与特性——CB-01的N2O还原动力学相对较弱，但土壤存活能力突出；研究团队通过双底物富集策略，从土壤和沼气残留物中筛选出一株具有强土壤适应性的NNRB菌株——Cloacibacterium sp. CB-01。CB-01携带NosZII型还原酶基因，但不具备硝酸盐或亚硝酸盐还原能力，属于非反硝化型N2O呼吸细菌（NNRB），因此在缺氧条件下专一性地还原N2O，不产生N2O。实验室生物动力学评估发现，尽管CB-01在高N2O浓度下的还原速率（Vmax）与其他菌株平均值相当，但其对N2O的表观亲和力较低（Km较高），导致在低N2O浓度下的催化效率（Vmax/Km）显著低于许多其他N2O呼吸菌株。此外，它还存在“赌注对冲”策略，即在缺氧初期只有一部分细胞表达NosZ并转向厌氧呼吸。然而，当CB-01在厌氧消化液中生长时，这种“赌注对冲”现象消失，所有细胞都能在氧气耗尽时迅速启动N2O呼吸。这表明其实际应用潜力依赖于载体环境。尽管CB-01的N2O亲和力较低（Km = 12.9 μM），但其在土壤中的持久性和适应能力远超其他高亲和力菌株。图1| CB-01与其他N2O呼吸菌的动力学比较。CB-01在低N2O浓度下的催化效率较低，但具有较高的最大还原速率（Vmax）2. 田间实验证明CB-01可显著降低N2O排放研究者在消化液中规模化培养CB-01（细胞密度达~6×109cells/mL），并将其作为有机肥施用于不同类型的土壤中，开展了一系列桶栽和田间小区试验。实验发现与施用热灭活的CB-01作为对照消化液相比，施用含有活CB-01的消化液，能将农田土壤的N2O排放峰值降低50%-95%，且这种减排效应在不同土壤类型和多个施肥/降雨事件中能持续至少90天。即使在不理想的酸性土壤中，CB-01仍能显著减排，主要得益于沼气残留物对局部pH的缓冲作用。CB-01在土壤中存活时间长，且对土著微生物群落无显著负面影响。图2 | CB-01在pH 6.7黏壤土中对N2O排放的抑制效果。长期桶栽试验表明，CB-01能持续减少N2O排放，在施肥初期和后续的降雨、追肥事件中均表现出显著的减排效应。3. 减排机制解析--CB-01在土壤中具有良好的存活能力CB-01 的减排机制根植于其在土壤中卓越的生态适应性与功能表达的精准调控。作为非反硝化型N2O呼吸细菌，通过携带的NosZII酶专一性地将N2O还原为N2，构成土壤中N2O唯一的生物“汇”。沼气残渣作为载体在其中起了关键作用：一方面，残渣为CB-01提供物理保护与碳源，使其在田间土壤中存活时间显著延长（T1/2约34天），保障了效果的持久性；另一方面，沼气残渣诱导CB-01从实验室条件下的“赌注对冲”表型（仅部分细胞响应）转变为“全员启动”模式，确保所有菌体在缺氧事件（如施肥、降雨）发生时能同步高效地消耗N2O，从而在排放峰值期实现高达50–95%的减排。N2O减排效果呈现情境依赖性，在高N2O通量环境下作用最强，如施肥后、降雨后或再施肥期间，能够通过载体自带的pH缓冲能力适应不同土壤条件。通过16S rRNA基因扩增子测序分析，发现添加CB-01对土著土壤微生物群落的组成和多样性没有产生持续性的显著影响，表明该技术具有良好的生态安全性。此外，在CB-01基因组中未检测到抗生素抗性基因或致病性基因。整个过程对土著微生物群落无持续扰动，且菌株无安全风险，从而构建了一个载体驱动、菌株响应、环境适配、生态安全的完整减排链条。图3 | CB-01在土壤中的存活动态。田间桶栽试验中，CB-01丰度在90天内维持在较高水平；而实验室恒温恒湿条件下，其丰度下降更快，突显了实际田间条件的复杂性。4. 技术推广潜力评估基于GAINS模型估算，若将CB-01技术推广至欧盟所有液态粪肥系统，可使欧盟27国N2O排放降低4.0%。若能进一步拓展至所有有机废弃物和矿物肥料系统，减排潜力可达23%–31%，远超当前其他减排技术（如硝化抑制剂、变量施肥等）。意义与反响本文提出并验证了一套以沼气残渣为低成本载体、利用非反硝化N2O呼吸细菌（NNRB）直接削减农田N2O排放的生物技术体系。其核心创新在于跳出了传统“优化施肥、抑制产生”的路径，转而通过外源强化土壤中唯一的N2O生物汇，实现对排放的“末端治理”。研究证明，所选菌株CB-01虽在纯培养中动力学性能不突出，却凭借其在土壤中卓越的存活与定殖能力，在多种田间条件下实现了50–95%的持续减排，且不影响土著微生物群落。该技术路径为农业温室气体减排提供了一种可扩展、环境兼容且能与沼气工程耦合的微生物解决方案，若在欧洲层面推广，预计可使农业N2O排放削减最高达31%，展现了在应对气候变化和推动农业碳中和方面的巨大潜力与应用前景。作者简介Lars R. Bakken：本文通讯作者，挪威大学生命科学大学教授，长期致力于土壤氮循环微生物过程研究，是反硝化微生物调控领域的国际知名学者。Elisabeth G. Hiis：本文第一作者，主要从事N2O呼吸细菌的分离与功能表征研究。Wilfried Winiwarter：国际应用系统分析研究所研究员，负责减排潜力模型评估。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07464-3

2026-02-03
中国科学院科学家开发新型叶面固氮技术，有望减少化肥使用
近日，中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员团队与国家纳米科学中心（中国科学院）曹宇虹研究员团队联合在国际顶级科学期刊《自然-食品》（Nature Food）上发表了一项最新成果。该成果开发了一种“纳米包膜”技术，相当于给固氮细菌穿上了一层“防护服”，使其能够在恶劣的叶面环境中稳定生存并高效固氮。田间试验表明，该技术在保证作物产量的同时，替代大约74 kg/公顷化学氮肥。该研究为解决可持续农业中的一个长期难题提供了创新方案。现代农业高度依赖化学氮肥来维持产量，但过度施肥已导致土壤退化、水体富营养化及温室气体排放等严重的环境问题。利用微生物进行生物固氮（将空气中的惰性的氮气转化为植物可吸收的活性养分）被视为一种绿色的替代方案。然而，传统的微生物菌剂在叶面施用时面临巨大挑战：叶片表面强烈的紫外线辐射、高温以及干燥缺水环境，往往导致细菌在发挥作用前就大量死亡。该研究在一定程度上缓解了氮肥过量使用带来环境危害。为突破这一生物学瓶颈，联合研究团队通过材料学与生物学的跨界融合，为固氮菌设计了一套纳米级的“防护铠甲”。研究人员利用金属多酚网络（MPNs）和海藻酸钠（一种天然藻类提取物）在单个细菌表面进行自组装，形成了一层致密的纳米涂层。“这层纳米涂层就像是给细菌涂上了‘防晒霜’并穿上了‘保湿衣’，”研究团队介绍道，“它显著提高了细菌对紫外线、氧化应激和干燥环境的抵抗力，极大地增强了细菌在叶片表面的黏附和生物膜形成能力。”联合团队还进行了水稻全生命周期的田间验证。实验表明纳米包膜显著提升固氮菌在叶面的定殖。接种 14 天后，拥有“纳米铠甲”的细菌在水稻叶片上的定殖数量是未包被细菌的3.3 倍。与对照组相比，施用纳米涂层菌剂的处理可以显著增加水稻籽粒产量并减少化学氮肥的使用。这项研究提出了一种可扩展、低成本且环境友好的农业新技术。通过稳定叶际（叶片表面）微生物群落，该技术将农作物叶片转化为高效的“迷你氮肥厂”，为减少集约化农业的碳足迹、保障全球粮食安全提供了新的技术路径。本文通讯作者为朱永官研究员和曹宇虹研究员，第一作者为生态环境研究中心博士研究生廖邑雯，张丽梅、徐大为、曹晴浩、王航、方萍等参与了该项工作。论文链接： Nature Food https://doi.org/10.1038/s43016-025-01280-2土壤环境科学与技术实验室2026年1月6日

2026-01-06
葛源研究组揭示肠道菌调控蜜蜂厌恶性学习记忆的机制
中国科学院生态环境研究中心葛源研究组联合中国农业科学院蜜蜂研究所揭示了肠道菌群参与调控蜜蜂的厌恶性学习记忆，进而改变蜜蜂习得性防御行为的新机制，相关成果近期发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上。蜜蜂是全球生态与农业系统的核心传粉者之一，约90%以上的主要农作物依赖其授粉，其防御行为直接维系着蜂群的安全与稳定。蜜蜂在遭遇天敌时会蜇刺攻击并释放报警信息素召唤同伴，且能通过被天敌攻击的负面经历形成“厌恶性记忆”，在未来遇到相似危险时主动规避或迅速开启防御。前人研究表明，肠道菌群能够通过调控神经系统影响宿主的多种行为，但肠道菌群是否参与调控蜜蜂在防御过程中形成的厌恶性学习与记忆能力？其中涉及的分子神经机制是什么？目前尚不清楚。该研究综合行为学、代谢组学、无菌蜜蜂模型构建及单菌定殖等多项实验技术，发现肠道菌群可通过调节蜜蜂肠道、血淋巴和大脑中的多巴胺水平，进而调控蜜蜂在防御行为中的厌恶性学习与记忆能力，阐明了“肠-脑轴”在蜜蜂防御行为中的作用机制（图1）。该研究通过在超净环境下建立无菌蜜蜂模型，发现移除肠道菌群会导致蜜蜂厌恶性学习记忆能力下降30%；代谢组学分析表明，无菌蜜蜂体内的多巴胺水平同步显著降低；进一步的单菌定殖实验证实，蜜蜂肠道中的肠球菌能通过合成多巴胺，恢复蜜蜂的学习记忆与防御能力，阻断该通路则会重现认知缺陷与行为失调（图2）。该研究从“One Health”的视角认识肠道菌群如何通过“肠-脑轴”调控蜜蜂的社会行为，为通过调控菌群促进蜂群稳定和生态功能提供了新思路。图1. 肠道菌群通过“肠-脑轴”调控蜜蜂厌恶性学习记忆的机制图2. 肠道菌群通过多巴胺代谢调控蜜蜂的习得性防御行为上述研究得到中国农业科学院科技创新工程和中国科学院区域与城市生态安全全国重点实验室资助，蜜蜂研究所博士生封王江、张丽副研究员、生态环境研究中心博士生李静为共同第一作者，葛源研究员与刘永军研究员为共同通讯作者。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67586-8土壤环境科学与技术实验室区域与城市生态安全全国重点实验室2026年1月1日

2026-01-01
刘斌等在微生物生态系统多重稳态机制研究方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员等在微生物群落动态演替与稳态切换机制研究方面取得了新进展，相关研究成果以“Emergence of alternative states in a synthetic human gut microbial community”为题发表于Nature Communications (DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67036-5)。生态系统在受到扰动时如何维持稳定，以及为何会突然发生状态转换，一直是群落生态学研究的核心问题。在微观世界中，微生物群落是否具有“多重稳态”特征，以及这些稳态背后的形成机制，对于理解自然界微生物群落的演化、韧性及人工调控具有重要的理论价值。生态学经典理论指出，由于物种间的相互作用（如互利共生或竞争）以及与环境的反馈调节，生态系统可能存在多个稳定状态。然而，在极其复杂的微生物生态系统中，直接观测稳态的切换并解析其底层机制极具挑战。过去的研究多依赖于对自然样本的观测分析，难以剥离复杂环境变量的干扰，从而无法从动力学角度给出严格的机制解释。为了系统探究微生物群落的多重稳态机制这一科学问题，研究团队构建了一套由多种核心功能物种组成的合成微生物群落，通过精准控制初始丰度、营养输入和扰动频率，在实验室条件下重现了群落的多种稳定状态。本研究的主要发现包括：1.相同的初始物种组成在不同的起始比例或微弱的环境波动下，会收敛至截然不同的稳定终态，这证实了微生物生态系统具有强烈的初值敏感性；2.通过对群落代谢产物（如短链脂肪酸）和环境因子（如pH值）的实时监测，研究发现物种间的交叉喂养（cross-feeding）与环境pH的动态变化形成了非线性反馈回路，这种“物种-环境”的耦合作用是维持不同稳态的核心动力；3.研究识别出了群落从一个稳态向另一个稳态转换的临界点。当环境压力（如营养源切换）超过阈值时，群落会发生“政权更迭（regime Shift）”，且伴随着明显的滞后效应（hysteresis）。本研究以可控的合成生物学体系为基础，通过结合微生物机理模型与流式单细胞技术，发现了同一物种不同亚种群之间的表型转换决定了群落多重稳定状态的涌现。本研究成功验证了非线性动力学理论在微观生态系统中的普适性，深化了对微生物生态学的理论认知。同时，从生态韧性角度，揭示了微生物群落如何通过内部相互作用缓冲外界扰动，为理解自然界复杂系统的稳定性、恢复力和崩溃风险提供了关键的理论依据。虽然本研究主要采用人体肠道微生物物种作为模型，但其揭示的“相互作用-代谢反馈-稳态切换”的理论框架，对于陆地、水域等各类包含微生物群落的生态系统研究均具有重要的借鉴意义。图. 通过构建合成菌群解析生态系统的多重稳态机制本研究由中国科学院生态环境研究中心、比利时鲁汶大学、法国国家农业科学研究院、比利时布鲁塞尔自由大学等多家单位共同合作完成。中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员为该论文的共同第一作者。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67036-5环境生物技术实验室2025年12月31日

2025-12-31
刘斌等在微生物单细胞定量分析上取得新进展
中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员等在高通量定量表征厌氧微生物细胞状态方面取得新进展，相关研究成果以“Growth stage and interspecies interactions shape the cell biology and cell cycle characteristics of human gut bacteria Bacteroides thetaiotaomicron and Roseburia intestinalis”为题发表于Communications Biology (DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-025-08949-1)。在微生物学领域，绝大多数厌氧微生物及非模式物种的细胞生物学特性（如形态演变、胞内组织和细胞周期）仍处于“黑箱”状态。由于缺乏有效的原位成像和定量表征手段，我们对这些物种如何响应环境波动的认知极度匮乏。长期以来，细胞生物学的经典模型（如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌）定义了我们对细菌生长和分裂的认知。然而，自然界中大量存在的厌氧微生物和非模式物种展现出截然不同的生理特征。受限于严格的厌氧培养条件和成像兼容性，这些物种的单细胞定量研究一直面临巨大挑战，限制了我们对生物多样性本质的理解。为此，研究团队打破了厌氧与非模式物种的研究瓶颈，构建了一整套相对普适性的单细胞定量表征体系。为了攻克非模式厌氧菌难以观察的难题，研究团队开发了一套组合染色实验方案与基于人工智能算法的计算分析流水线。该体系不依赖于遗传操作（这对多数非模式物种尤为重要），实现了对复杂细胞组分的同步可视化。主要包括利用Hoechst 33342（类核）、RNASelect（总RNA）、FM4-64（细胞膜）及HADA（荧光D-氨基酸，监测肽聚糖合成）等多种有机染料，构建了适用于厌氧环境的染色矩阵，实现了细胞多组分的同步成像；同时，结合基于人工智能的自动化识别图像处理方式，实现了对数千个单细胞形态特征、亚细胞组分分布及细胞周期状态的精准定量。研究团队以代表性的非模式厌氧菌，多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）和肠道罗斯氏菌（R. intestinalis）为对象，发现了显著区别于模式生物的生物学规律：1.发现非模式菌 R. intestinalis 具有独特的细胞壁合成模式（带状肽聚糖合成模式），且在生长过程中存在非对称分裂现象，突破了传统对称分裂的普适性认知；2.异质性的环境响应策略：在营养耗尽的压力下，不同物种表现出完全相反的形态响应（一种细胞变宽，另一种则变短并伴随剧烈的胞内组分重组），揭示了非模式物种进化的多样性适应机制；3.种间互作对细胞发育的重塑：研究证实，复杂的种间相互作用会从底层重塑非模式物种的细胞形态和转录组图谱。该研究证明了结合多重染色与定量图像分析的方法，是研究非模式、难培养、对氧敏感微生物的有力工具。这一进展不仅填补了厌氧细菌细胞生物学数据的空白，也为在单细胞水平上探索更多自然环境（如土壤、沉积物等）中未知物种的生命活动提供了范式，对于完善微生物生命树的细胞发育图谱具有重要意义。图. 高通量定量表征厌氧微生物细胞状态本研究由中国科学院生态环境研究中心牵头，联合比利时鲁汶大学Karoline Faust教授团队和Sander Govers教授团队等多家单位共同完成。中国科学院生态环境研究中心刘斌研究员为该论文的第一作者。论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-025-08949-1。环境生物技术实验室2025年12月31日

2025-12-31
栾富波课题组在解锁全球雨水收集对加速实现SDG 6目标贡献潜力研究方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心栾富波课题组在加速实现全球SDG 6目标研究方面取得新进展，首次在全球尺度上系统评估了雨水收集对实现SDG 6目标的潜在贡献，为加速实现全球SDG 6目标提供了可持续的解决方案。相关研究成果以“Unlocking Global Rainwater Harvesting Potential for Safe Drinking Water Access”为题发表于Nature Communications。目前全球仍有22亿人缺乏安全饮用水服务，团队通过分析揭示了一个关键悖论：88.5%缺乏安全饮用水的人口生活在降雨量丰富地区，但仅有约1.26%的人直接将雨水作为饮用水源，表明雨水收集具有巨大的潜力。为准确量化这一潜力，团队构建了全球雨水收集潜力和SDG 6贡献潜力的双框架评估模型，精准量化了雨水收集潜力与安全饮用水覆盖率之间的关系。研究提出了可分步实施的双路径协同推进线路图：通过逐步延长季节性储存能力和逐步提高安全饮用水转换率，可将全球安全饮用水覆盖率提升5.6%至26.0%，使4.5亿至20.8亿人受益。研究进一步表明，雨水收集在更为贫穷、落后的国家可以产生更大的贡献潜力；全面推广雨水收集不仅能改善饮用水安全，还可与粮食安全（SDG 2）、公共卫生（SDG 3）、性别平等（SDG 5）和气候行动（SDG 13）等多个可持续发展目标形成积极的协同效应。雨水收集加速实现全球SDG 6目标贡献潜力与实施路径研究突破了传统雨水评估方法单一且局限于区域尺度、难以与可持续发展目标定量衔接等难题，通过融合多维自然与社会经济因素，精准解锁了全球雨水收集贡献潜力，制定了可分步实施的、最大程度释放贡献潜力的双途径实施路径，为加速实现全球SDG 6目标提供了科学依据和具体行动方案。中国科学院生态环境研究中心特别研究助理袁庆科为本研究第一作者，栾富波研究员和孟颖助理研究员为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（52388101）和中国-斯里兰卡水技术研究与示范联合中心，中国科学院中国-斯里兰卡联合科教中心项目资助支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66429-w环境水质学重点实验室2025年12月23日

2025-12-23
曲久辉院士团队在电催化膜的构-效关系研究方面取得新进展
生态环境研究中心曲久辉院士团队基于实验研究与多物理场有限元模拟，在电催化膜的构-效关系方面取得新进展，相关成果以“Confinement-enhanced valorization of contaminants in electrified hydrogenation membranes for water purification”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。电催化还原加氢为污染物资源化提供了一种环境友好的方法，但其在实际应用中常受到传质和电子传递的限制。电催化膜作为一种有效的策略被开发出来，通过空间限域效应增强反应物传质和电子利用效率，然而其结构与性能之间的关系尚不明确。图1. 电催化膜孔道内的反应机制示意图团队开发了具有原子级分散Ru催化位点的电化学膜，实现了对硝酸盐、三氯乙酸和苯酚的高效还原加氢。研究发现，电催化活性与膜孔径之间存在“火山型”关系，孔径为7 μm的电化学膜在55秒内可实现94%的硝酸盐去除率，对铵的选择性超过97%，动力学常数为孔径80 μm膜的2.5倍。然而，进一步减小孔径至4 μm反而导致性能下降。多物理场模拟表明，小孔径虽增强了传质，但也加剧了孔道内电流分布的不均匀性。图2. （a）硝酸盐还原模拟与实验的准一级动力学常数对比；（b）限域效应对传质与电子传递的影响机制示意图本研究揭示了空间限域效应对电化学反应中传质与电子传递耦合机制的关键作用，为设计高效、低成本的电化学膜电极提供了理论依据和设计原则，推动了可持续水处理技术的发展。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作及北京市科技新星等项目资助。论文第一作者是中心博士生康宇阳，通讯作者为古振澳副研究员，研究得到了曲久辉院士、胡承志研究员的悉心指导。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64482-z环境水质学重点实验室2025年11月20日

2025-11-20

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