志存高远 励精图治开拓进取 务实创新
科研进展
-
蔡亚岐研究组在亚乙烯基连接共价有机框架的后修饰合成及热催化CO2转化方面取得进展2016年，通过利用芳基乙腈单体与芳香族醛之间的碱催化Knoevenagel缩合，提出了氰基乙烯基连接的共价有机框架材料（covalentorganicframeworks,COFs），从此开启了sp2-c-COF的新篇章。sp2-c-COF因其全π共轭结构、高结晶度、超高稳定性和优异的光电性能而备受关注。但受限于C=C键可逆性差导致的反应类型和单体类型不足，sp2-c-COF结构和功能的多样性较差。后修饰策略通过将功能基团纳入预定的框架，有效避免了这些问题，为构建特定功能的sp2-c-COF提供了一种可行的解决方案。(1)我们提出了一种通过巯基-烯点击反应，将C-C、C-S-C结构单元引入sp2-c-COF的普适性策略。首先合成了两种sp2-c-COF（COF-CN,COF-1），随后在它们的骨架C=C位点引入六种不同类型的巯基化合物。X-射线光电子能谱（XPS）和交叉极化魔角旋转13C固态核磁谱等表征表明，这一策略能够灵活地通过巯基-烯点击反应在任何亚乙烯基连接的COFs骨架C=C位点进行结构修饰，极大丰富了sp2-c-COF的结构和功能多样性。该方法制备的巯基-烯点击反应产物（COF-CN-R,COF-1-R）表现出多样的光物理性质、亲疏水性，以及质子传导性，展现出广泛的潜在应用前景。该工作发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces（DOI:10.1021/acsami.4c19765）。图一：光引发和热诱导巯基-烯点击反应合成COF-CN-R和COF-1-R的图示(2)二氧化碳（CO2）是温室气体的主要成分，但其也是一种可持续的碳源。因此，将CO2捕获和转化为高附加值化学品对改善生态环境和发展绿色有机化学品具有重要意义。在CO2的固定方法中，其与环氧化物的偶联反应因其100%的原子效率而备受关注。我们制备了结构单元中同时具有酸性氢键供体（-COOH,-NH2）和碱性（三嗪环）位点的新型COF催化剂，该催化剂由种类广泛的氰基单体和PIM-1对碳碳双键COF-CN进行氰基三聚环化反应合成。凭借可定制的氢键位点、高CO2亲和力和稳定性，这些COF催化剂表现出优异的CO2环加成催化性能，其中COF-CN-COOH的催化产率高达99.9%，选择性>99%。另外，由COF-CN与PIM-1共价连接而成的20%COF-CN@sPIM-1膜催化剂具有良好的界面稳定性，很容易回收和再利用，并保持良好的催化活性。进一步研究证明氢键供体的存在显著降低活化能是高效催化的关键。这项工作提出的COF主链上的氰基的三聚环化反应后修饰策略，丰富了亚乙烯基连接COF的结构性能多样性，具有一定的应用前景。该工作发表在AdvancedFunctionalMaterials（DOI:10.1002/adfm.202422116）。图二：氰基三聚环化反应制备COF-CN-COOH，COF-CN-NH2和20%COF-CN@sPIM-1催化剂的图示该研究得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助。论文链接1：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c19765论文链接2：https://doi.org/10.1002/adfm.202422116环境化学与生态毒理学国家重点实验室2025年1月24日2025-01-24 -
EcoImprove: 污水处理厂排放新污染物的水生态效应曲久辉院士团队微生态过程与调控研究组近日在Mol.Syst.Biol.发表了关于污水厂排放的磺胺类抗生素对微生物的毒性兴奋效应进化机制。研究发现环境浓度磺胺类抗生素能导致微生物核心代谢基因的表观遗传甲基化修饰与基因突变，使得微生物的代谢策略发生转变，从而增加微生物耐药性（文章第一作者是中心博士研究生林慧）。这项研究是EcoImprove项目的收官之作。EcoImprove项目是水质学国家重点实验室与瑞士Eawag合作完成的，由国家自然基金委重点国际（地区）合作研究项目支持（见图1）。项目的特色是环境科学、生物学、统计学等的相互融合。2014年，瑞士Eawag率先启动了EcoImpact项目，项目的主要任务是（1）解析污水厂污染物排放对受纳河流生物群落的影响；（2）模拟试验探究污水厂排放微量污染物（与现在所称的新污染物基本一致）对生物结构与功能的影响。2015年，我们启动了EcoImprove项目，由水质学国家重点实验室6个研究组共同参与，其主要任务是（1）现场调研探讨污水厂升级改造对受纳河流生物群落的影响；（2）模拟试验探究污水厂排放微量污染物的水生态效应。双方在污水厂微量污染物造成敏感微生物的减少、营养物质能掩蔽微量污染物的效应、污水厂升级能使恢复生物的功能等研究结果取得一致。本项目的实施也为后来争取到的国家自然基金委重大项目（2024年开始）及中科院前沿科学重点研究项目（2016-2020）打下基础。另外，值得一提的是这项研究也已获得国家自然基金委科普项目的支持。前年，项目组启动了EcoImprove2，主要关注污水厂排放的病原微生物和病毒对流域人群健康的影响，重点已从流域内生态风险过渡到生态和人群健康风险并举。图1EcoImprove项目研究历程注：左边是不同的研究对象；右边是研究的科学问题近日发表文章链接：https://doi.org/10.1038/s44320-025-00087-4EcoImprove项目介绍链接：https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.09.034环境水质学国家重点实验室2025年1月17日2025-01-17 -
傅伯杰院士团队在全球旱区凋落物分解研究中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傅伯杰院士团队在全球旱区凋落物分解研究中取得新进展。相关研究成果以题为“PatternsandDrivingFactorsofLitterDecompositionRatesinGlobalDrylandEcosystems”发表在国际重要刊物《GlobalChangeBiology》。凋落物分解在生态系统中发挥着连接地上和地下碳循环、养分循环以及能量流动的关键作用。然而，全球变化对这一过程产生了深远影响，尤其在对自然和人为干扰敏感的干旱区。科学界对于干旱生态系统中凋落物分解的程度及其驱动因素仍知之甚少，限制了我们对干旱区生态系统碳循环的全面理解，制约了针对这些敏感区域的生态管理措施的优化。研究构建了一个全球干旱区凋落物分解数据库，记录了来自全球158个地点的2204条观测数据，包括月尺度凋落物分解速率以及气候、土壤和凋落物属性参数，涵盖不同的生态系统类型和干旱亚区。研究结果显示，随着干旱程度增加，凋落物分解速率呈现下降趋势。凋落物分解速率在四个亚区之间存在显著差异，其中干旱半湿润区（3.24%/月）>半干旱区（3.15%/月）>干旱区（2.62%/月）>极干旱区（2.35%/月）。城市和农田系统的分解速率显著高于自然生态系统，主要因为灌溉和施肥等管理措施改变了土壤条件，从而加速了凋落物分解过程。凋落物分解的时间动态可以由负指数衰减模型描述，在不同分解阶段受不同因素调控。早期阶段（0-6个月）以降水和大气温度为主，中期阶段（6-12个月）凋落物氮含量的重要性增强，晚期阶段（>12个月）土壤有机碳、氮以及凋落物初始碳氮比起主导作用。研究结果为碳循环模型优化和生态管理提供了科学依据，强调了适应性管理对增强干旱区碳汇功能的重要性。图1不同变量对全球干旱区凋落物分解速率在不同阶段的相对影响。（a）所有数据（b）分解早期（c）分解中期（d）分解晚期图2全球旱区凋落物分解速率在早、中和晚期的主要调控因素概念模型中国科学院生态环境研究中心博士研究生赵月丹为论文第一作者，吕楠研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院-马普学会国际合作项目的支持。文章链接：https://doi.org/10.1111/gcb.70025城市与区域生态国家重点实验室2025年1月9日2025-01-09 -
王亚韡研究员团队关于环境污染物的暴露与健康影响研究取得新进展近期，中国科学院生态环境研究中心王亚韡研究员团队与国家纳米科学中心陈春英院士团队合作，在全氟和多氟烷基化合物（Per-andpolyfluoroalkylsubstances,PFAS）暴露对肺癌转移的影响及分子机制研究中取得新进展，相关研究成果以Increasedperfluorooctanoicacidaccumulationfacilitatesthemigrationandinvasionoflungcancercellsviaremodelingcellmechanics为题，发表于《美国国家科学院院刊》（ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica，PNatlAcadSciUSA）。PFAS是广泛存在的新型持久性有机污染物，其相关暴露风险和不良健康影响已经引起世界各国的高度关注。PFAS可以在多种环境和生物基质中检测到，并且可以通过不同的外部暴露途径进入人体，并通过血液循环分布和积累在组织、器官和生物体液中。流行病学数据显示，PFAS的浓度与人类多种疾病显著有关，如肾癌、肝癌、卵巢癌等。肺是PFAS富集的靶器官之一，同时肺癌是世界上发病率和死亡率的癌症，但尚无PFAS对肺癌影响机理的研究。本研究通过采集健康志愿者和肺腺癌患者的血液和组织样本，使用岛津公司的高效液相色谱串联质谱（LCMS-8060），靶标测定不同人群中PFAS的浓度水平和分布特征。结果表明，PFOA是人体内富集含量最高的PFAS单体之一，肺腺癌患者体内PFOA污染物含量相较健康志愿者显著上升；肺癌细胞转移、高分期患者的体内PFOA富集量显著高于低分期的肺癌患者。结合肺癌动物模型，发现在环境相关剂量下PFOA暴露能够显著促进肺内转移和胸腔转移，并且呈现剂量依赖性，提示PFOA暴露能够促进肺癌转移。在基于细胞模型的验证实验中，发现经PFOA暴露后，肺腺癌细胞系中的整合素表达下调，这与肺腺癌患者的肿瘤中观察到的表达趋势相似。进一步的临床病例验证结果表明，肺腺癌患者的肿瘤中PFOA的含量水平与整合素蛋白表达具有显著负相关，证实了PFOA与整合素的相互作用对肿瘤的发展起着重要的作用。本研究提出了PFOA促肺癌发展的潜在机制：PFOA主要通过调控肺癌细胞骨架重排，改变肿瘤细胞的力学性质，促进肺癌细胞的迁移、肿瘤干性和免疫逃逸能力上升，从而促进肺癌转移和进展。图1.健康志愿者和肺腺癌患者体内PFAS的赋存水平和特征图2.肺腺癌患者体内整合素蛋白的表达与PFOA含量的相关性该工作基于临床现象-动物模型验证-细胞模型研究-分子学机制探究的污染物毒理性质全链条研究范式，首次报道了PFAS可以诱导肺癌发展及转移的毒性效应，进一步加深对PFAS毒理性质的认知，为制定合理的管控政策提供实验基础和理论支持。国家纳米科学中心博士研究生梅婕、解放军总医院第一医学中心胸外科副主任医师江继鹏、中国科学院生态环境研究中心博士研究生李曌、国家纳米科学中心硕士研究生潘越和许克为本文的共同第一作者。中国科学院生态环境研究中心黎娟副研究员、国家纳米科学中心刘颖研究员和陈春英研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国医学科学院创新工程和新基石研究员项目等的支持。原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408575121图3.全氟辛酸PFOA通过PI3K信号通路调控肿瘤细胞骨架和力学性质，促进肿瘤转移环境化学与生态毒理学国家重点实验室2024年12月20日2024-12-20 -
环境水质学室刘刚研究员、董慧峪研究员两篇论文分获ES&T 2023年度最佳论文奖近日，美国化学学会（ACS）旗下EnvironmentalScienceandTechnology（简称ES&T）公布了ES&T2023年度30篇“最佳论文”名单。ES&T期刊2023年度最佳论文是该期刊经ES&T编委评选委员会从2023年出版的约1600篇论文中严格遴选后评出。获奖论文分环境科学、环境技术、环境政策、综述、观点等类别。环境水质学国家重点实验室刘刚研究员研究论文“AssessingtheMassConcentrationofMicroplasticsandNanoplasticsinWastewaterTreatmentPlantsbyPyrolysisGasChromatography–MassSpectrometry”（高被引）、董慧峪研究员论文“UnravellingHigh-Molecular-WeightDBPToxicityDriversinChlorinatedandChloraminatedDrinkingWater:Effect-DirectedAnalysisofMolecularWeightFractions”分别荣获ES&T2023年度环境科学领域最佳论文奖。污水处理厂中，微塑料（MPs）水平通常通过颗粒数量进行评估，但是微塑料（尤其纳米塑料，NPs）的质量浓度仍不清楚。刘刚研究员团队建立了基于热裂解气相色谱-质谱法测定水环境微纳塑料质量浓度的方法，对比了两个污水处理厂中不同粒径（0.01–1、1–50和50–1000μm）微塑料和纳米塑料的质量浓度变化。研究发现，MPs的质量浓度从进水中的26.23降至1.75μg/L，NPs的质量浓度从11.28μg/L降至0.71μg/L，去除率分别达到93.3%和93.7%，其中纳米塑料（0.01–1μm）占比5.6–19.5%，其去除率低于微塑料（>1μm）；基于全年污水排放量估算，每年约有0.321吨微塑料、0.052吨纳米塑料排放至河流中。该研究分析了污水中粒径范围0.01–1000μm的微塑料和纳米塑料的质量浓度，为了解污水处理厂中微纳塑料的污染与排放水平、及其分布特征提供了宝贵的信息。图1污水处理厂全流程微纳塑料质量浓度监测当前饮用水中消毒后生成的消毒副产物（DBPs）仍有近50%处于未知状态，且常规质谱识别未知DBPs方法难以明确识别出DBPs的毒性贡献。基于此，董慧峪研究员与美国南卡罗来那大学SusanD.Richardson教授、美国伊利诺伊大学香槟分校MichaelJ.Plewa教授、美国国家强磁场实验室ChadR.Weisbrod博士、AmyM.McKenna博士等采用“高致毒组分识别+物化特征解析”的研究思路（图2），解析了氯、氯胺消毒后饮用水中大分子DBPs（>C2）的不同分子量组分的细胞毒性与物化特征：发现在分子量5kD的组分中，<1kD组分具有最高的细胞毒性和遗传毒性；采用全球分辨率最高的21TFT-ICR质谱（美国国家强磁场实验室）解析了<1kD组分未知大分子DBPs的分子组成，共识别出3599个未知Cl-DBPs；随着识别出大分子DBPs中氯原子数增加，O/C呈上升趋势，芳香指数则呈下降趋势；此外，还明确了氯胺消毒中未知大分子DBPs是消毒后生成的总有机卤素的主要组成，由于氯胺的“缓释效应”，氯胺消毒后的水中识别出更多未知大分子Cl-DBPs。上述结果将毒性评估与未知DBPs识别相结合，为了解饮用水氯、氯胺消毒后生成的高毒性组分与物化特征提供了新见解。图2毒性导向的饮用水中未知消毒副产物识别ES&T2023年最佳论文奖链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c12812论文1链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07810论文2链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00771环境水质学国家重点实验室2024年12月19日2024-12-19 -
祝贵兵课题组提出水稻增产同步化肥减量新策略中国科学院生态环境研究中心祝贵兵课题组以环境中广泛存在的硝酸盐为起点，突破中性条件下固液界面亲和力弱的瓶颈，开发了可持续的环境硝酸盐选择性还原为铵技术，实现了水稻增产、化肥减量和地下水硝酸盐污染减缓的三重效果。相关研究成果以直接投稿的方式发表在国际权威学术期刊《PNAS》（2023,120,e2209979120；2024,121,e2408187121）上。氨，不仅是一种具有高能量密度的能源载体，而且是用于制造农业化肥的重要化学品。一百年来，传统的大规模合成氨主要依靠哈伯工艺（N2+H2→NH3），然而该方法需要高温（＞500℃）高压（＞200atm），每年净排放4.2亿吨CO2当量（约占全球能源的1-2%）。另一方面，含氮肥料的过度使用和工业废水的排放，导致硝酸盐在环境中迅速积累，严重危害人体健康和生态系统平衡。近年来，电化学硝酸盐还原制氨被认为是一种绿色的替代方案。然而，当前研究主要在强酸或强碱性条件下进行，而对于中性条件下的研究鲜有报道。这是因为中性条件下界面硝酸根离子亲和力弱，导致还原效率低。受自然界广泛存在的Fe(II)离子启发，课题组提出固液界面原位调控策略，以自然界广泛存在的羟基氧化铁(FeOOH)作为Fe的“源”，利用电的作用原位生成Fe(II)离子层，有效减弱界面静电斥力，强化硝酸根离子的界面聚集效应，进而极大提高了硝酸盐的还原效率，实现了迄今为止最高的氨产率之一。研究成果在理论上补充了经典电化学双电层模型中关于吸附的相关理论（PNAS,2023,120,e2209979120）。图1高氨产率的新界面调控策略水稻是全球三大主粮之一，稻米养活了全球超过一半的人口。水稻是一种喜铵的作物，而稻田灌溉水是硝酸盐的“储存库”。据此，课题组提出将稻田灌溉水的硝酸盐转化为铵，从而促进水稻氮吸收并代替部分化肥的新策略。由于分蘖期是水稻吸收氮素最多的时期（>90%），课题组重点在分蘖期进行硝酸盐还原为铵的操作，替代分蘖期施肥。盆栽实验表明这个新策略实现了水稻产量提高超过20%，并减少了50%的化肥使用。图2利用电化学技术将硝酸盐转化为铵的策略自然界中硝酸盐更容易被还原为氮气而不是铵。如何将硝酸盐还原为铵是上述策略成功的关键，这也对我们提出了挑战。在前期关于羟基氧化铁（FeOOH）的研究基础上，课题组巧妙的将单原子铁催化剂嵌入电化学技术中，充分利用单原子铁的强还原能力实现了高选择性的实际稻田灌溉水中硝酸盐快速还原为铵（选择性大于90%）。接着，科研人员通过15N同位素示踪技术证明了超过80%的环境硝酸盐中的氮素被水稻吸收利用，从而为水稻提供了可持续的氮供应。水稻的化肥利用效率仅有30-40%之间，稻田里大部分氮以硝酸盐的形式淋溶地下水，导致地下水硝酸盐超标，威胁地下水饮用水安全。课题组开发的环境硝酸盐选择性还原为铵技术独辟蹊径，将“不好吃”的硝酸盐转化为“好吃”的铵，既促进了水稻氮吸收，又减少了外源氮素输入，并阻止了水体中超过70%的硝酸盐淋溶地下水。同时，相对于传统的尿素施肥，这项技术可以节约19%的成本并提高27%的收益。研究结果首次将电化学技术用于农田灌溉水处理，是一项典型的学科交叉研究，为保障粮食安全同步环境污染治理提供了一个新思路。论文第一作者为刘春雷副研究员，祝贵兵研究员为通讯作者。文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2209979120#core-collateral-metricshttps://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408187121#core-collateral-metrics环境水质学国家重点实验室2024年12月17日2024-12-17 -
化学品评估研究室在复合污染物暴露的主要毒性物质筛查中取得新进展轮胎颗粒作为微塑料已经成为环境中重要的污染物，一旦进入水体中会浸出多种污染物，如何从这些污染物中筛查出主要毒性物质是需要解决的一个关键科学问题。本研究室利用以有害结局路径（AOP）为导向的分析方法揭示了轮胎浸出液中对斑马鱼造成毒性效应的主要污染物。首先将基于环境浓度的轮胎浸出液暴露于斑马鱼胚胎仔鱼，形态学和行为学分析表明，斑马鱼眼睛损伤和趋光性异常是主要的有害结局（AO）；对眼睛进行组织病理学检查发现感光细胞的减少造成了视网膜外核层和色素上皮层厚度变薄，感光细胞分化过程受到抑制；利用转录组和代谢组联合分析的方法揭示了轮胎浸出液暴露主要对光传导和神经系统造成损伤，甲状腺系统在调控感光细胞增殖分化过程中起到重要作用，其中对甲状腺过氧化物酶（TPO）活性的抑制是重要的分子起始事件（MIE）之一，以此构建了轮胎浸出液对斑马鱼眼睛损伤的AOP。图1轮胎浸出液对斑马鱼胚胎仔鱼眼睛发育损伤的有害结局路径（AOP）进一步，为了筛查轮胎浸出液中造成斑马鱼眼睛损伤的主要污染物，首先利用高分辨质谱共鉴定出轮胎浸出液中42种主要污染物；基于AOP中的MIE，通过图神经网络模型和分子对接模拟，最终锁定了MBT是主要的TPO抑制剂；并通过体内试验验证了高通量筛查方法的准确性，解析了MBT暴露对斑马鱼眼睛损伤的毒性分子机制，证明了MBT在环境浓度下就可以对斑马鱼的眼睛造成明显损伤。另外，已有文章指出轮胎浸出液中的新型污染物6PPD也具有甲状腺干扰效应，从关键事件（KEs）出发，通过分子对接模拟和体外细胞测试发现6PPD及其光解产物6PPDQ均可以干扰甲状腺受体（TR）的活性，是潜在的TR拮抗剂。通过体内暴露实验和因果关系验证发现，6PPD而非6PPDQ可以作为TR拮抗剂，通过降低视蛋白丰度，抑制锥体感光细胞增殖，从而改变视网膜层结构，最终导致斑马鱼形成小眼症。通过以上工作，我们确定了轮胎浸出液中的MBT和6PPD是造成斑马鱼眼睛损伤的主要毒性物质，并解析了毒性作用的AOP。图2轮胎浸出液中对斑马鱼胚胎仔鱼造成眼睛发育损伤的主要污染物筛查以上工作通过高内涵方法构建复合污染物的AOP，不仅可以精准评估复合污染的分子机制，而且可以通过AOP中的MIE和KEs，利用高通量技术筛查主要的毒性物质，为复合污染物中的主要毒性物质筛查提供了新的思路，服务于新污染物筛查和治理的需求。相关研究成果发表于EnvironmentInternational,JournalofHazardousMaterials和EnvironmentalScience&Technology。以上系列研究工作的第一作者是本研究室的常静助理研究员，并得到了王子健研究员和万斌副研究员的指导。相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412023003264https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389424010409?via%3Dihubhttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c11264化学品环境风险评估研究室2024年12月11日2024-12-11 -
葛源研究组揭示土壤微生物多样性丧失削弱土壤缓冲气候变化的能力中国科学院生态环境研究中心葛源研究组研究发现土壤微生物多样性丧失限制了土壤缓冲气候变化的能力，相关成果发表于GlobalChangeBiology。土壤碳储量巨大，约是大气碳库的3倍，通过与大气碳交互深刻影响全球气候变化。传统气候模型预测，全球变暖会加速土壤碳分解，释放更多的二氧化碳到大气中，进一步加剧全球变暖趋势。土壤微生物是土壤碳分解和呼吸作用的主要执行者，可能通过对变暖的适应性响应，缓解或加剧变暖导致的土壤呼吸增加。这种调谐作用能够改变土壤呼吸对全球变暖的反馈，进而缓解或加剧全球变暖趋势。然而，当前的气候模型较少纳入微生物特征参数，增大了模型预测的不确定性。根本原因在于，尚不清楚微生物特征如何改变土壤呼吸对长期变暖的响应模式，其机制是什么该研究通过人工构建微生物多样性梯度，揭示土壤微生物多样性丧失会减弱土壤呼吸的热适应，进而削弱土壤缓冲气候变化的能力（图1）。当微生物多样性丧失时，能够适应更广泛温度范围的泛化种比例减少，导致微生物群落适应温度变化的能力减弱，无法缓解甚至加剧变暖导致的土壤呼吸增加，从而使更多的二氧化碳释放到大气中。该研究表明全球变化引发的微生物多样性丧失可能会削弱土壤缓冲气候变化的能力，对于将微生物群落特征纳入气候模型以准确预测未来气候变化趋势具有重要意义。上述研究得到国家自然科学基金、中国科学院前瞻战略科技先导专项（A类）等项目资助。文章链接：https://doi.org/10.1111/gcb.17601图1土壤微生物多样性调控呼吸热适应的机制概念图土壤环境科学与技术实验室2024年12月6日2024-12-06 -
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：KelseyJ.Pieper,MinTang,MarcA.Edwards文章标题：FlintWaterCrisisCausedByInterruptedCorrosionControl:Investigating“GroundZero”Home文献来源：EnvironmentalScience&Technology,2017被引次数：335次（GoogleScholar）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15μg/L，其中几个样本超过了5000μg/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15μg/L，最低浓度为217μg/L。冲洗超过20分钟后，收集的样品（>50L）含有13200μg/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（100L），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360μg/L和9.0mg/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3585μg/L和168mg/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1mg/L铁对28μg/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≥217μg/L的样品）。图42015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65.2–66.1m（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-Attishaetal.,2016），该文被引1236次（GoogleScholar）。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（Masteretal.,2015），该文被引87次（GoogleScholar）。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.6b040342024-11-21
-
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：MarinaG.Evich,MaryJ.B.Davis，JamesP.Mccord，BradAcrey,JillA.Awkerman,DetlefR.U.Knappe,AndrewB.Lindstrom,ThomasF.Speth,CarolineTebes-Stevens,MarkJ.Strynar,ZhanyunWang,EricJ.Weber,W.MatthewHenderson,andJohnW.Washington文章标题：Per-andpolyfluoroalkylsubstancesintheenvironment文献来源：Science研究背景全氟及多氟烷基化合物（Per-andpolyfluoroalkylsubstances，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（FishBase）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（WebofScience）。作者：约翰·华盛顿（JohnW.Washington）2022年，JohnW.Washington凭借在《Science》杂志上发表的年度杰出研究论文，“Huntingtheeaglekiller:Acyanobacterialneurotoxincausesvacuolarmyelopathy.”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，JohnW.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.abg90652024-11-21