科研进展----中国科学院生态环境研究中心

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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
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

2024-10-15
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
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

2024-10-09
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
邓晔研究团队在微生物共现与代谢互补网络分析方面取得进展
在自然生境中微生物物种间如何相互作用以适应环境的极端压力？随着环境组学技术的进步，我们才有工具来探索这些微小生物之间的复杂关系。传统上，微生物共现网络被用来推测物种间的互作，但这种网络往往不能揭示微生物之间更深层的相互依存机理。近日，中国科学院环境生物技术重点实验室的邓晔团队开发完成了一种新的工作流程，该流程结合了微生物宏基因组数据的共现网络分析与微生物代谢互补潜力的预测，为探索微生物互作的潜在底层机制提供了新的视角。团队开发了一个在线分析平台（https://inap.denglab.org.cn），允许研究人员上传环境宏基因组序列，进行代谢模型预测、构建共现网络/代谢互补网络、网络参数与模块化分析，以及互补代谢物的分析与可视化等。这一工具极大地简化了微生物互作研究的复杂性，为全球科研人员提供了一个强大的分析工具。利用这一工作流程，邓晔团队对中国云南腾冲的热泉微生物群落进行了深入分析。研究发现，共现网络和代谢互补网络识别的互作关系在自然界中是稀少的。辅酶A、氨基酸与糖类化合物及其衍生物是这些互作关系中最常见的潜在可交换物质。此外，研究还发现微生物间的协同关系主要表现为偏利共生（commensalism），而非互利共生（mutualism）。这一发现对于理解微生物如何在极端环境中生存和繁衍具有重要意义。为了验证这些发现的普适性，该团队还对基于堆肥实验的温度梯度样品进行了分析。结果表明，这一工作流程在分析的可重复性与结论的一致性上是可靠的，进一步证实了其在不同环境条件下的适用性。相关成果分别发表在Nature Communications和iMeta上。课题组直博生彭玺为论文第一作者，邓晔研究员为通讯作者（课题组助理研究员冯凯为iMeta论文共通讯作者）。研究得到国家重点研发计划国际合作项目以及国家自然科学基金联合项目的支持。图本研究的分析流程示意图论文链接：1. https://www.nature.com/articles/s41467-024-52532-x2. https://doi.org/10.1002/imt2.235中国科学院环境生物技术重点实验室2024年9月19日

2024-09-19
中心发布中国环境标志30年发展绩效评估成果
9月10日，中国科学院生态环境研究中心召开《中国环境标志30年发展绩效评估》成果发布会。中心党委副书记、纪委书记占剑、生态环境部环境发展中心副主任张耀东出席发布会并致辞。来自财政部国库司、生态环境部科技与财务司、中国环境标志认证机构、获证企业和相关协会代表，以及经济日报、人民日报、中国环境报等新闻媒体出席发布会。会议由科技开发处处长张洪主持。发布成果提出，中国环境标志发展30年来，持续致力于推动形成绿色低碳的生产方式与生活方式，促进实现污染防治目标，引导产业绿色转型发展，是推动我国消费领域节能减排目标实现的有效措施，是践行绿色发展理念、推进可持续消费工作的重要抓手。同时，中国环境标志是全球环境标志网络组织与国际绿色采购组织中的重要成员，与德国、北欧、日本、韩国、澳大利亚等国家和地区的环境标签组织签署了合作协议，实现了环境标志的国际互认，在推进国际可持续消费与可持续生产进程中发挥了积极作用。该项成果发布由我中心城市与区域生态国家重点实验室城市代谢与产业生态研究组完成。基于在经济社会绿色低碳转型、产业生态学、产品生命周期评价与碳足迹核算领域的长期研究和深厚积累，该研究组通过开展深入的调查研究和系统的报告编写，对中国环境标志发展30年的系统绩效进行了全面回顾、科学评估和系统总结，顺利完成了该项成果的研究与发布。该项成果的发布有助于中心继续深化与主管部委、相关协会与工业企业的合作，进一步开展可持续产品导向的环境政策与产业生态学理论方法研究，扩大生态环境中心在绿色低碳产品发展领域的影响力。城市与区域生态国家重点实验室2024年9月13日

2024-09-13
环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金团队在NC发文揭示大气细颗粒体内转运新机制
环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金研究员研究组在大气细颗粒物诱发肺内免疫应答及肺外组织分布方面取得新进展，相关成果以“Lung megakaryocytes engulf inhaled airborne particles to promote intrapulmonary inflammation and extrapulmonary distribution”为题，在线发表于Nature Communications（DOI:10.1038/s41467-024-51686-y）。大气细颗粒物能否以及如何进入血液循环并扩散至肺外远端器官，是认识细颗粒诱发多组织器官损伤风险中的关键科学问题。环境流行病学和毒理学证据显示，吸入大气细颗粒改变肺内免疫细胞的类群及应答状态，引起肺部及周身炎症，目前细颗粒突破肺屏障实现在肺外器官中再分布的载体和途径尚不清楚。研究团队利用小动物呼吸暴露实验仓，模拟人体呼吸暴露大气细颗粒的剂量，设置不同时长的实验小鼠暴露组。利用多种体内高分辨成像技术，在暴露小鼠肺部识别并鉴定了一种新的肺内原位免疫亚群细胞——肺泡巨核细胞。进一步构建荧光报告基因小鼠，以及对细胞及荧光标记颗粒的体内双示踪模型，发现该细胞能快速捕获并定植颗粒在肺泡内壁，持续刺激肺泡，诱发免疫损伤，在细颗粒暴露诱发的肺损伤中起到关键作用。机制研究表明，肺泡巨核细胞沿肺泡内部爬行“巡逻”，持续捕获入肺的细颗粒，导致细颗粒在细胞膜界面富集，诱发巨核细胞表达多种炎性因子，参与诱发肺内的炎性风暴。更为重要的，巨核细胞是典型的造血细胞，肺泡巨核细胞在吞噬颗粒物后被高度活化并迁移至肺泡毛细血管处，将伪足伸入血管中，在血流剪切力作用下以胞质分裂的方式释放新生血小板进入外周血。新生血小板不仅继承了母源巨核细胞胞内的颗粒，还获得了带有巨核细胞免疫活化分子的细胞膜，一方面使得外周血中具有高粘附与凝血能力的血小板数量增多，增加了肺部及外周器官产生血栓的风险，另一方面血小板作为细颗粒的载体，携载细颗粒随血液循环到达多个肺外器官。这一研究工作不仅发现了新的、特异性指示细颗粒暴露的新免疫细胞——肺泡巨核细胞，还发现了区别于传统认知中细颗粒直接突破气血屏障的方式，即由细胞携载细颗粒由肺内向肺外传递的细颗粒体内转运新途径。该文的通讯作者为马娟副研究员，第一作者为2023届博士生丘嘉煌。该研究工作得到国家自然科学基金原始创新项目、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51686-y?utm_source=rct_congratemailt&utm_medium=email&utm_campaign=oa_20240827&utm_content=10.1038/s41467-024-51686-y

2024-09-03
贺泓院士团队发现大气活性溴（Br₂）生成新机制
大气活性溴是引发臭氧空洞和汞沉降的关键物种，对大气氧化性也有重要贡献。传统理论认为，海盐气溶胶中Br-的氧化需要强氧化剂（如OH自由基、O3等）的参与才能发生，但这些已知机制不能解释在日间观测到的Br2浓度峰值。近期，贺泓院士团队与北京理工大学张秀辉教授团队、宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授团队和Blas Cabrera物理化学研究所Alfonso Saiz-Lopez教授团队合作研究发现，H3O+可以促使O2和Br-在气液界面上自发结合形成[Br--O2-H3O+]复合体，并通过质子电子转移过程自发生成Br自由基和HO2自由基，进而生成分子溴（Br2）和OH自由基。光照和溶液酸度对产生Br2均有显著促进作用，结合动力学测量结果，预估该机制对热带海洋环境Br2的贡献最大可达50%；同时，该过程产生的高活性氧化剂可以将SO2氧化为硫酸盐，而SO2氧化反应产生的H+又可以反过来促进Br-的活化，说明Br-离子活化和SO2氧化具有协同促进作用，呈现正反馈效应。研究以“Spontaneous molecular bromine production in sea salt aerosols”为题目发表在期刊Angewandte Chemie International Edition上（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, e202409779）。图1. 大气Br-和O2协同活化并自发产生分子溴的机制图颗粒物界面过程对大气氧化性的增强和二次颗粒物形成的促进作用及其正反馈机制，是“大气霾化学”污染区别于以往典型污染事件的重要特征，也是“大气霾化学”研究的核心内容。传统大气化学理论中，通常以气相氧化剂，特别是自由基的浓度作为衡量大气氧化性的标准。但气相氧化机制无法准确描述我国复合污染条件下二次污染的形成。而大气中高浓度的颗粒物为大气污染的转化提供了反应界面，可以极大降低反应能垒。然而，当前认识的大气界面过程只是冰山一角，很大程度上限制了研究者对大气复合污染形成理论的认识和采取针对性治理的措施。因此，基于“大气霾化学”的概念和理论框架，贺泓院士团队总结了国内外大气界面过程的最新研究进展，提出需要深入揭示界面过程对霾化学污染中大气氧化性的增强作用，才能实现对大气复合污染条件下二次污染形成过程的准确刻画，为PM2.5和O3的协同控制提供理论支撑。研究结果以“Revealing the contribution of interfacial processes to atmospheric oxidizing capacity in haze chemistry” 为题目在期刊Environmental Science & Technology上发表了展望（perspective)文章(Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 6071−6076）。图2. 大气界面过程对大气氧化性的促进作用相关研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（22188102）、科技部重点研发计划项目（2022YFC3701004）和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202409779https://doi.org/10.1021/acs.est.3c08698大气环境与污染控制实验室2024年9月2日

2024-09-02
葛源研究组揭示人类活动影响的土壤磷循环微生物全球分布格局
中国科学院生态环境研究中心葛源研究组在人类活动影响下的全球磷循环微生物分布模式研究方面取得重要进展，相关成果近期发表于Global Change Biology。磷对所有生命体都至关重要，但在土壤中磷的养分限制普遍存在。大量的磷肥投入可以提高土壤磷含量，但往往造成磷利用率低下、环境污染等一系列负面效应。微生物在土壤磷循环过程中发挥重要作用，其丰度往往决定土壤磷的形态并影响地上植物的磷利用效率。然而，在全球范围内人类活动如何影响土壤磷循环微生物的分布格局？是否存在与人类活动密切相关的磷循环过程指示物种？目前尚不明确。该研究通过系统分析全球土壤宏基因组样品，探究有机磷酸酯水解、无机磷溶解、双组分系统、磷酸转移酶系统、磷转运系统等磷循环过程在全球不同生态系统中的分布（图1），对磷循环微生物的分布“热区”进行可视化分析。进一步通过拟合磷循环微生物丰度与人类活动强度的关系，发现强度较低的人类活动有利于土壤磷循环微生物丰度的增加，而更高强度的人类活动不会进一步增加其丰度。同时也发现Pseudomonas等微生物受人类活动影响较大，可以指示人类活动对土壤磷循环微生物的影响（图2）。王继琛助理研究员为论文第一作者，葛源研究员为通讯作者，朱永官院士对研究工作进行了全程指导。上述研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、第二次青藏高原综合科学考察研究项目的资助。论文链接：http://dx.doi.org/10.1111/gcb.17477图1：磷循环过程相关微生物在全球生态系统中的分布图2：磷循环基因总丰度（左）及代表性物种（右）对人类活动强度响应趋势土壤环境科学与技术实验室2024年8月21日

2024-08-21

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