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  • 中心“全面支撑生态系统生产总值核算制度建设”获评中国科学院2021年第1季度亮点成果

    　　2021年5月11日，中国科学院发布了2021年度第1季度科技成果转化亮点工作和科技创新亮点成果。中心“全面支撑生态系统生产总值核算制度建设”成果入选科技成果转移转化亮点工作。 
    　　2021年3月下旬，深圳市生态环境局、发展和改革委员会、中国科学院生态环境研究中心等联合发布深圳市生态系统生产总值（Gross Ecosystem Product，GEP）核算“1+3”制度体系，即：一个核算实施方案——《深圳市GEP核算实施方案（试行）》、一项核算地方标准——《深圳市GEP核算技术规范》、一套核算统计报表——《深圳市GEP核算统计报表制度（2019年度）》和一个自动核算平台——《深圳市GEP在线核算平台》。 
    　　深圳市GEP核算的“1+3制度体系”，不仅在技术层面为其他城市的GEP核算提供可复制、可推广的经验，还对推进生态效益纳入经济社会考核体系具有重要意义。2019年8月《中共中央国务院关于支持深圳建设中国特色社会主义先行示范区的意见》明确要求深圳“探索实施生态系统服务价值核算制度”。 在中科院STS及战略性先导科技专项等先后支持下，项目组生态系统生产总值核算理论和方法研究成果成功应用于深圳市GEP核算制度体系建设。 
    　　生态系统生产总值也称生态产品总值，指一定区域的生态系统为人类福祉提供的最终产品与服务及其价值。GEP的概念与核算框架由中科院生态环境研究中心研究员欧阳志云与时任世界自然保护联盟（IUCN）驻华代表朱春全博士于2013年共同提出。目前GEP核算已经在浙江丽水、江西抚州、云南普洱、内蒙古自治区等应用于探索建立生态产品实现机制、推进绿色发展进程，为中共中央办公厅、国务院办公厅4月26日发布的《关于建立健全生态产品价值实现机制的意见》提供了科技支撑。生态环境部依托中科院生态环境研究中心和生态环境部环境规划院编制印发了《陆地生态系统生产总值核算技术指南》，进一步规范GEP核算工作。联合国第52届统计委员会会议上发布的《环境经济核算制度—生态系统核算》SEEA-EA（System of Environmental-Economic Accounting—Ecosystem Accounting）中，将GEP作为生态资产与生态服务价值核算的综合指标。 
    　　中国科学院科技转移转化亮点成果是为进一步增进公众对中科院亮点工作的了解，同时促进院属各单位进一步加强对重大成果的传播推广，中科院于2017年启动“中科院科技创新亮点成果”、“中科院科技成果转移转化亮点工作”两类亮点工作筛选活动。筛选活动将每季度举行一次。入选项目一是要求成果质量过硬，二是要求已通过新闻和网络宣传等渠道向公众、通过政务信息等渠道向管理系统内部进行较充分的传播和推广。 
    　　（https://www.cas.cn/cg/cgzhld/202105/t20210512_4787872.shtml） 
    　　科技开发处 
    　　2021年5月29日 
    　　
    2021-05-29
  • 郑华研究组揭示生态系统服务权衡对重大生态工程生态效益的多尺度影响

    　　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郑华研究组在重大生态工程多尺度效应研究中取得进展，发展了生态系统服务权衡对重大生态工程生态效益影响的研究方法，揭示了三北防护林和京津风沙源治理工程等生态工程在局地、流域和区域的多尺度效应。这一研究成果以“Time and space catch up with restoration programs that ignore ecosystem service tradeoffs”为题，发表在国际学术期刊Science Advances。 
    　　重大生态工程实施是提高生态系统服务的重要手段，但提升所关注的生态系统服务（如土壤保持）经常以牺牲其他生态系统服务（如粮食生产）为代价，生态系统服务呈现的这种权衡关系既表现在不同类型之间，也表现在不同空间尺度，还随着时间变化而不断变化，给生态工程的生态效益带来巨大不确定性。尽管已有研究清晰认识到生态系统服务权衡关系的广泛存在，但如何揭示和量化这些权衡关系所带来的多尺度影响及其时间动态，仍是评估重大生态工程生态效益与可持续性、科学开展生态恢复亟需解决的难点。 
    　　针对这些问题，研究组提出整合生态系统服务权衡、空间尺度及时间动态的分析方法，并以我国海河流域内三北防护林、京津风沙源治理工程为例，综合采用长期水文观测、遥感反演、生态系统服务评估模型及多元统计方法等手段，发现：生态工程实施过程中，海河流域山区工程覆盖区61.45%的面积防风固沙服务得到提高，但水资源供给服务在工程实施18年后发生显著降低。这种权衡关系随着生态恢复时间延长在多个空间尺度产生效应：局地尺度上的土壤水含量降低和植被退化、流域尺度下游可利用水资源减少、区域尺度上的山前平原地下水位下降。气候变化在这些复杂的权衡关系及其多尺度影响中扮演了重要的推动角色。 
    　　图1 海河流域山区防风固沙与水资源供给服务权衡特征、驱动因素及尺度效应 
    　　该项研究以生态系统服务科学为基础，为深化认识生态系统服务复杂的权衡关系、全面认识和评估重大生态工程的多尺度生态效益、增强工程可持续性提供了新的思路。海河流域三北防护林和京津风沙源治理工程的案例分析表明：重大生态工程的设计与实施，需要充分考虑生态系统服务权衡特征及其带来的多尺度效应，需要充分考虑未来气候变化对工程多尺度效应带来的影响，才能增强生态效益的稳定性和生态工程的可持续性。这一研究为世界上其他区域科学开展生态恢复工程、持续提高生态效益提供了新的视角和系统的评估框架。 
    　　文章第一作者为李若男副研究员，通讯作者为郑华研究员。该研究得到了国家自然科学基金项目（41925005, 41871218）资助。 
    　　论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabf8650 
    　　城市与区域生态国家重点实验室 
    　　2021年4月1日
    2021-04-01
  • 环境化学与生态毒理学国家重点实验室在人体血铅单细胞分布规律研究取得进展

    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室胡立刚课题组在人体血铅单细胞分布规律和动态变化方面取得进展。相关成果以“Unified Probability Distribution and Dynamics of Lead Contents in Human Erythrocytes Revealed by Single-Cell Analysis”为题于3月4日在ES&T上正式上线（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c05989）。
    　　铅暴露是当前主要的环境健康风险因子之一，铅的累积对人体具有极大的健康危害。稳定状态下，人体血液中超过99%的铅存在于红细胞中。红细胞中铅的赋存和变化的研究对人体内铅的转移和健康效应具有重要意义。
    　　基于质谱流式细胞仪建立了单个红细胞中金属含量的检测方法，实现了铅中毒病人的单个红细胞中铅含量的相对定量。研究发现单个红细胞中铅的含量具有极大异质性，但其统计分布符合伽马分布，且不同病人、不同治疗阶段以及正常人群样本均符合该概率分布模型。单个细胞中铅含量分布的变化主要受红细胞中整体铅含量的影响，因此可以通过总体含量对单个细胞中铅的分布进行理论计算。另外，研究发现单个红细胞中铅含量随红细胞寿命增加而降低，同时网织红细胞中铅的含量高于成熟红细胞，这说明红细胞可能是骨铅转移到血液中的天然载体。本研究结果首次揭示了外源污染物在高等生物单个细胞水平的分布规律；其赋存和变化规律的发现为后续铅在人体内循环及相应促排手段的深入研究提供了基础。
    　　该项目得到了国家自然科学基金、中科院交叉创新团队项目、广东省职业病防治重点实验室、深圳“三名工程”等项目资助。
    　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c05989
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
    　　2021年3月9日
    2021-03-09
  • 魏源送研究组在厌氧氨氧化技术处理猪场废水工程应用方面取得新进展

    　　近年来，中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室膜技术研究与应用组通过与河北安平弘嘉环保公司合作，在厌氧氨氧化技术处理生猪养殖废水工程应用方面取得新进展，主要包括采用部分亚硝化-厌氧氨氧化组合工艺（Combined Partial Nitrification and Anammox, CPNA）在工程规模上成功实现了厌氧氨氧化活性污泥的富集与培养；针对生猪养殖废水的高COD、高氨氮浓度特点及其处理需求，创新地提出混合生物脱氮概念（Combined Nitrogen Biological Removal，CNBR），据此在工程规模开展了以厌氧氨氧化为主的混合生物脱氮试验研究，废水处理成效显著。相关研究成果近期以研究论文陆续发表于Bioresource Technology 杂志（Chen, et al. 2021, 403, 124906；Zuo, et al. 2020, 88, 326-337）。
    　　针对猪场厌氧消化液污染物浓度高、碳氮比低的水质特点和传统生物脱氮工艺处理难的现状，研究组与河北安平弘嘉环保公司在河北京安生猪养殖废水处理厂（日均处理规模1230m3）开展了长期系统的试验研究，解析了污水厂现有工艺中各区的水质、脱氮效率和功能微生物等变化特征，明确了应用厌氧氨氧化工艺改造的可行性。根据混合生物脱氮（CNBR）的原理，结合A2/O工艺特点，研究团队创新性地提出基于回流硝酸盐的碳源投加耦合曝气调控策略，实现了污水生物脱氮方式从传统硝化反硝化为主转向以厌氧氨氧化为主。该污水处理厂经过调试后，第二阶段进水COD、NH4+-N、TN平均浓度分别为1074 ± 365, 373 ± 63和 454 ± 77 mg/L时，出水COD、NH4+-N、TN平均浓度194 ± 38, 30 ± 19和75 ± 32 mg/L，出水COD、NH4+-N浓度满足《畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001》排放要求（COD400mg/L、NH4+-N 80mg/L，没有TN排放限值要求），其中总氮平均去除率从第一阶段的65.5%提升至第二阶段的83.5%，厌氧氨氧化的脱氮贡献率从第一阶段的39%增加到第二阶段的77%，厌氧氨氧化菌CandidatusBrocadia平均相对丰度由第一阶段的0.76%增加到第二阶段的2.43%，废水处理能耗从1.93 kW h/m3降至0.9 kW h/m3，实现了外加碳源零投加，大幅度降低了猪场厌氧消化液处理成本。
    　　在此同时，研究团队对现场水解酸化池（有效容积116.6m3）进行改造，以CPNA工艺为对象，提出以溶解氧与亚硝酸盐协同调控策略实施厌氧氨氧化菌的富集培养。研究结果表明，亚硝酸盐调控策略有效解决了短程硝化向厌氧氨氧化转化过程中低溶解氧控制与亚硝酸盐稳定供给难以兼容的问题，并在77天内成功实现了工程规模厌氧氨氧化活性污泥的原位富集，厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia的浓度从初始的4.42E+04 Copies/mL增加到第77天的1.77E+07 Copies/mL，相对丰度从初始的1.08%提升到2.49%。
    　　以上研究工作得到了国家重点研发计划（2016YFD0501405）、江西省重点研发计划（20171ACG70018）等项目支持，2名博士生陈彦霖和左富民分别为这两篇论文的第一作者，通讯作者是魏源送研究员。
    　　图1. A2/O系统处理猪场厌氧消化液的COD、NH4+-N、TN浓度和碳源外加量变化
    　　图2. A2/O系统各区脱氮比例与废水处理能耗
    　　图3. CPNA工艺富集培养厌氧氨氧化活性污泥的微生物群落结构
    　　水污染控制实验室
    　　2021年3月1日
    2021-03-08
  • 环境化学与生态毒理学国家重点实验室成功建立用于大气污染物毒性评价的人肺泡上皮诱导模型

    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室利用人多能干细胞成功建立用于大气污染物毒性评价的人肺泡上皮诱导模型，该研究由重点实验室Francesco Faiola研究员、刘思金研究员、汪海林研究员和刘倩研究员共同合作完成，相关成果近日在线发表于Environmental Science & Technology（DOI：doi: 10.1021/acs.est.0c05700）。 
    　　近年来，大气污染对人体健康的影响备受关注。尽管大气颗粒物成分复杂，但已确定无机碳和二氧化硅是其中两个主要组分。此外，多环芳烃（PAH）和多氯联苯（PCB）等有机化合物也经常出现在大气颗粒物的检测中。大气颗粒物及其个别成分对人体的毒性是大气污染对人体健康效应的研究重点。人多能干细胞hPSCs诱导分化而来的不同人体组织细胞在环境毒理学研究中具有广大的应用前景。重点实验室团队的研究成果不仅扩展了hPSCs的应用，而且提供了全新的毒理学研究视角和方法，在动物模型和癌细胞模型的实验基础上提供了补充。该研究成功诱导出了具有典型标志基因和蛋白的肺泡上皮类细胞ATLs，更重要的是，在ATLs类器官中发现了板层小体结构，这是2型肺泡上皮细胞AT2执行其分泌功能所必需的细胞器。同时，实验模型可检测到肺表面活性物质DPPC的表达，它是一种在气体交换过程中降低上皮细胞表面张力所必需的磷脂，这一发现进一步证明该模型可适用于一定的功能性检测。此外，由于板层小体缺陷和DPPC分泌与新生儿的各种症状相关，因此这种诱导分化模型还适合应用于测试环境污染物的新生儿肺脏发育毒性。 
    　　基于构建的模型，重点室团队不仅揭示了大气细颗粒物主要成分BaP、碳纳米颗粒和纳米二氧化硅对人肺的毒性，还证明基于hPSCs构建的人肺类器官可以应用于测试纳米颗粒（如纳米二氧化硅）或其它化学物质的毒性。本研究是干细胞生物学与环境毒理学相结合的交叉成果，为未来揭示更多化学物质的肺毒性效应和机制夯实基础。 
    　　hPSCs分化肺祖细胞（hLPs）和肺泡2型样细胞（ATLs） 
    　　A. hPSC体外分化实验流程示意图 
    　　B. 分化第16天免疫荧光染色图 
    　　C.分化第30天肺表面活性物质Pro-SPC荧光染色（比例尺200μM） 
    　　D. 分化第30天ATLs形成类器官结构图 
    　　E. RNA测序热图比较H9分化的ATLs多能性基因、肺祖细胞和肺泡标志基因 
    　　F. UHPLC-Q-TOFMS鉴定肺泡2型细胞表面标志物DPPC 
    　　该项研究得到国家自然科学基金、中国科学院国际团队项目的支持。 
    　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.0c05700 
    　　  
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室 
    　　2021年2月9日 
    2021-02-09
  • 邓晔研究团队提出融合微生物-土壤属性-气候变化模型的理论框架

    　　尽管微生物-土壤属性-气候变化的相互影响已得到了越来越多的重视，但由于微生物群落高度复杂而各物种对气候和环境因子的响应也不尽相同，因此气候变化模型中还很难使用微生物的组成和多样性数据进行直接的优化。生态环境研究中心环境生物技术院重点实验室的邓晔研究团队联合沈阳生态所梁超团队、西双版纳热带植物园张一平团队、朱永官院士、植物所韩兴国研究员、林科院张于光研究员和美国俄克拉荷马大学周集中教授，依托土壤生物专项，获得了中国森林生态系统中1600多个样点的土壤微生物群落组成和土壤环境因子大数据。首先通过提取核心微生物并根据其生境偏好性归类为不同的生态集群，既考虑了微生物物种对环境条件变化响应的差异，又降低了微生物群落高度复杂性带来的困难，大大提高了可操作性。其次结合气候环境因子栅格数据，通过Cubist模型，基于环境-气候数据建立了当前和未来气候变化背景下（RCP2.6 和 RCP8.5）不同生态集群的地理学分布模式（图1）。通过分析发现不同生态集群分布在当前气候条件下的热点区域在空间上并不重叠；而在未来气候变化的背景下，这些不同的生态集群响应的敏感区域不同，进而产生一系列热点区域的迁移。这些变化一方面可以指示集群内微生物对未来气候变化的空间适应性，另一方面考虑到每一类生态集群所代表的环境偏好性，这些变化也可进一步用来预测未来的土壤生态效应，如土壤酸化、土壤有机碳库的变化等。这一研究结果为推动微生物生态研究从现有规律到模型预测做出了贡献。
    　　该研究成果于近期发表于中科院、国家自然基金委、Elsevier联合出版的自然科学综合性期刊Science Bulletin上。论文第一作者为研究组助研王尚、特别研究助理冯凯博士及沈阳生态所鲍雪莲副研究员。该研究获得了中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。文章链接如下：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.01.021
    　　图1 不同生态集群在未来气候情景下（RCP2.6和RCP8.5）相比于当前气候条件的丰度变化
    　　中国科学院环境生物技术重点实验室
    　　2021年1月25日
    2021-01-25
  • 傅伯杰团队基于大数据分析构建长时间序列高分辨率全球表层土壤水数据集

    　　土壤水是连结大气系统和陆地生态系统的重要参量，全球尺度长时间序列土壤水及其变化特征为理解气候变化下地-气相互作用机制提供重要依据。微波遥感是目前获取大尺度表层土壤水的最佳方式，但是传感器更新快，单个传感器覆盖的时间范围较短，且部分地区存在数据缺失，重建全球尺度微波遥感土壤水分时间序列是当务之急。
    　　中国科学院生态环境研究中心傅伯杰研究团队将遥感大数据与机器学习相结合，融合多种主、被动微波遥感反演的土壤水，包括AMSR-E, WindSat, TMI, ASCAT, SMOS, FY（风云）和AMSR2等，并统一校正至最优遥感土壤水数据SMAP同等精度水平，构建了2003~2018年时间上连续、空间上全覆盖的（除冰雪）的遥感土壤水产品（空间分辨率为0.1度，时间分辨率10天）。该产品较ERA5-Land, GLDAS，ASCAT-SWI，CCI和GLEAM更准确地反映全球表层土壤水的年内变异性，年际趋势和空间异质性，有效提升了微波遥感全球土壤水数据的精度和应用价值。
    　　研究发展的神经网络大数据分析方法具有以下四个特点：1）是结合机理的神经网络，将微波辐射传输过程的影响因子参与神经网络的训练； 2）区别于常用的全局性网络，采用区域化的神经网络精准刻画局地性的地理规律。同时发展了边界模糊处理算法，以整合全局性网络的优点；3）多轮次迭代性的神经网络，上一级神经网络模拟的输出会转化成下一轮次神经网络训练的输入-训练目标，以延伸训练目标数据的时间跨度，有效克服各微波传感器时间跨度均有限且时间范围各不相同的特点，并充分利用所有的微波传感器信息，形成长时间上连续的序列；4）是多层次且有组织的神经网络的集合。在各轮次下，有多个子步骤，而每个子步骤下又有多个独立的神经网络，最后每个独立神经网络包含很多局域性子网络，共涉及5个轮次、8个子步骤、67个独立神经网络和无数局域子网络，是一套神经网络组合系统，一定程度上扩展了基于神经网络的大数据分析的外延，且算法对于未来新型土壤水分遥感产品有包容性。
    　　这一研究成果近期发表在国际著名数据期刊Earth System Science Data，同时数据产品发布于国际著名的地球与环境科学数据平台PANGAEA。论文第一作者是博士研究生陈永喆，通讯作者是冯晓明研究员。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院项目等的资助。
    　　论文链接：https://essd.copernicus.org/articles/13/1/2021/
    　　数据链接：https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.912597
    　　图1：全球表层土壤水数据的时空格局（2003~2018年）；（a）全球表层土壤水数据的空间格局；（b）GLDAS表层土壤水空间格局；（c）表层土壤水随纬度的变化（-60°S~80°N）的对比；（d）表层土壤水分2003~2018年间年际趋势的空间分布；（e）GLEAM表层土壤水数据的年际趋势图；（f）本数据集与GLEAM数据的年际动态对比。在（a~b）中，红色圆圈表示本研究结果对比GLDAS数据在空间格局上有明显差异的地区，而在（d~e）中，红色圆圈表示表层土壤水减少的地区，蓝水圆圈是土壤水增加的地区。
    　　图2：全球表层土壤水数据的年内变异及其与降水动态性的关系：（a）表层土壤水达到年内最大值的时间点（单位：10天）；（b）表层土壤水的年内波动幅度；（c）表层土壤水与降水的年内波动的相关系数；（d）表层土壤水对降水峰值响应的时滞，单位：10天），左下方小插图为频率分布直方图；（e）在全球不同地区，当干旱事件（连续无有效降水的情况）发生在一年中第几个十天时，表层土壤水分下降最快；（f）若干旱事件随机发生在一年中任何一个时间段，连续10天无有效降水后土壤水的减少量。
    　　城市与区域生态国家重点实验室
    　　2021年1月6日
    　　
    2021-01-06
  • 魏源送研究组在CKDu病区地下水源饮用水安全保障方面取得新进展

    　　近年来，中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室魏源送研究组通过与斯方深入合作，在CKDu病区地下水源饮用水安全保障方面取得新进展，主要包括CKDu病区地下水水质特征、地下水有机物组成及微生物学特征、地下水源纳滤膜技术研发与应用等方面，相关研究成果近期以研究论文陆续发表于Journal of Hazardous Materials(Titus, et al. 2021, 403, 123816), Journal of Environmental Sciences(Makehelwala, et al. 2020, 88, 326-337),Science of the Total Environment(Makehelwala, et al. 2019, 660, 865-875)等。
    　　针对斯里兰卡CKDu病区地下水水质底数不清、地下水源饮用水安全保障现状及需求，研究组在斯里兰卡CKDu高发的北中省开展了系统的现场调研解析，明确了CKDu高、低和非发病区 (HR、LR、NR)干、湿季地下水的水化学特征、溶解性有机物（Dissolved organic matter, DOM）特性、细菌群落组成、抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）等特征，初步阐明了溶解性有机物与Ca2+、SO42-的相互关系。研究表明，CKDu病区地下水属于地下水中主要微生物属于变形菌门（Proteobacteria），并以潜在病原微生物不动杆菌（Acinetobacter）、假单胞菌（Pseudomonas）和气单胞菌（Aeromonas）为主，并且气单胞菌在CKDu高发区显著特异性富集；地下水中ARGs以多重耐药性（Multidrug resistance）和β-内酰胺类（β-lactamresistance）为主，CKDu高发区特异性富集了β-内酰胺类抗性基因cphA，这与CKDu高发地区此类抗生素的使用有关，说明CKDu高发区对当地地下水环境产生了一定的影响。
    　　图1. CKDu高发地区地下水WQI及其对地下水微生物群落组成和抗生素抗性组的影响。
    　　基于此，研究团队创新地把溶解性有机物纳入水质指数（Water quality index, WQI），据此对所调查的CKDu病区地下水进行了水质评价，明确了CKDu病区的地下水水质状况；通过工艺优化、处理效能评价与膜污染控制研究，开发了以纳滤膜技术为核心的CKDu病区地下水源饮用水安全保障“吸附-除F-软化-NF-消毒”工艺路线，并与碧水源公司合作开发了20t/d的地下水纳滤膜处理装置。自2018年9月以来，该装置已在斯里兰卡CKDu病区Sirimapura村庄稳定运行两年有余，设备出水水质均远优于斯里兰卡饮用水水质标准(SLS 614-2013)，为当地164户居民（约750人）和1300名小学生提供了优质饮用水，得到了斯里兰卡政府和居民的一致好评。
    　　图2. 斯里兰卡Sirimapura村庄地下水源纳滤膜饮用水站工艺流程及当地群众取水现场
    　　以上研究工作得到了中国国家自然科学基金委与斯里兰卡国家科学基金联合研究项目(21861142020)，中国科学院一带一路项目(121311KYSB20190071)，国际科学组织合作研究计划联盟(ANSO-CR-KP-2020-05)，中国科学院中国-斯里兰卡水技术研究与示范联合中心项目，中国科学院中国-斯里兰卡联合教育研究中心，CAS–TWAS 院长奖学金项目、中国政府奖学金项目(CSC No. 2015GXYG44)等项目支持，并培养了2名斯里兰卡博士生Titus Cooray和Madhubhashini Makehelwala。
    　　水污染控制实验室
    　　2020年12月21日
    2020-12-21
  • 王东升团队在污泥强化脱水研究方面取得系列成果

    　　活性污泥法在净化污水中污染物的同时，会产生大量的剩余污泥，污泥的处理处置已成为我国环境工程领域的难点和热点问题。污泥EPS中的大分子有机物（蛋白质、多糖和腐殖酸等）在疏水作用、氢键作用、阳离子架桥的作用下形成类似凝胶的网络结构，对水分子具有极强的结合能力，导致污泥脱水难度较大。因此，开发高效的污泥脱水强化技术是缓解污泥快速增长压力的一种重要方式。 王东升研究团队围绕污泥强化脱水方向，开展了十余年的研究工作，近期成果以综述形式总结发表在Water Research，题为“Enhanced technology based for sewage sludge deep dewatering: A critical review”。该综述系统讨论了污泥絮体和胞外聚合物（EPS）对污泥脱水性能影响的认识过程（图1），介绍了污泥深度脱水系统，分析了污泥调理面临的挑战。
    　　该综述还系统介绍了基于泥质特性的污泥强化脱水技术体系的研究进展，主要包括絮凝/助滤强化脱水技术、高级调理技术和电渗透脱水技术三大类。其中，絮凝/助滤强化脱水技术包括传统无机混凝剂调理、纳米羟基铝絮凝调理技术、类水滑石调理、有机高分子絮凝调理、甲醇和无机混凝剂联合调理、原位结晶和高分子絮凝联合调理技术（图2）等；污泥高级调理技术主要包括Fenton调理、高铁酸盐、过氧化物预氧化联合絮凝调理、亚铁活化次氯酸钠等技术；污泥电渗透脱水技术包括污泥电渗透脱水过程中胞外聚合物溶解的区域化特征、污泥碳基材料强化脱水耦合燃料化处理技术。
    　　图1 认识污泥EPS与脱水性关系的几个阶段
    　　图2 基于骨架物质助滤和有机高分子絮凝联合调质强化脱水的作用机制
    　　最后，综述综合对比了不同强化脱水技术的效率，并对污泥脱水技术和最终处置方式做了适配性分析，提出了污泥电渗透脱水中有机污染物的迁移转化、污泥强化脱水与热解碳化耦合技术、污泥调理与有害污染物去除耦合技术等未来的重点研究方向。
    　　相关论文：
    　　1. Cao B.D., Zhang T., Zhang W.J.*, Wang D.S.*, 2020, Enhanced technology based for sewage sludge deep dewatering: A critical review, Water Research (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116650
    　　2. Cao, B.D., Zhang, W.J.*, Wang, Q., Huang, Y., Meng, C., Wang, D.S.*, 2016a. Wastewater sludge dewaterability enhancement using hydroxyl aluminum conditioning: Role of aluminum speciation. Water Res. 105, 615-624.
    　　3. Cao, B.D., Zhang, W.J.*, Du, Y., Wang, R., Usher, S.P., Scales, P.J., Wang, D.S.*, 2018. Compartmentalization of extracellular polymeric substances (EPS) solubilization and cake microstructure in relation to wastewater sludge dewatering behavior assisted by horizontal electric field: Effect of operating conditions. Water Res. 130, 363-375.
    2020-11-30
  • 吕永龙团队在Science Advances上发表多种环境压力下生物多样性空间变异的重要成果

    　　吕永龙研究团队与挪威、英国和奥地利科学家合作，在多种环境压力下中国生物多样性减少的空间变异方面取得重要进展。相关成果以“Spatial variation in biodiversity loss across China under multiple environmental stressors”为题于11月20日发表在国际著名期刊Science Advances上（2020，6（47）：eabd0952）。
    　　2020年是联合国生物多样性年。生物多样性对于维持生态系统健康和实现联合国可持续发展目标（SDGs）非常重要。中国生物多样性丰富，但也有大量濒危物种。从全球尺度看，中国南部是25个生物多样性热点地区之一。从全国尺度看，截至2018年底，中国共建立了2750个自然保护区，《中国生物多样性保护战略与行动计划（2011-2030）》确定的35个生物多样性保护重点区域基本覆盖了中国生物多样性保护的热点地区。日益加剧的环境变化给生物多样性保护带来多重压力，而且不同省份的地形、气候、人口、经济发展水平和外部压力来源各不相同，因此需要把生物多样性保护和社会经济发展相结合，以往很少有对多重环境压力下生物多样性保护的大尺度研究。
    　　有关多种环境压力下生物多样性减少的驱动机制及其时空变异是一个前沿性研究问题。文章利用多源数据获取中国生物多样性受威胁物种的空间分布，并整合相应统计调查和文献数据，利用空间分析方法对生物多样性减少的影响因素进行系统分析，定量地分析各项压力源（包括气候、碳排放、工业生产、污染等）单独及叠加对生物多样性减少所产生的影响，为生物多样性的保护和政策设计提供了新的视角和多元的切入点。文章分析了我国生物多样性减少的时空分布变化（图1），指出生物多样性减少受到多重环境压力的影响，其中气候变化和人类活动是最主要驱动因子（图2）。随着城市化和工业化的发展，建筑用地扩张和污染加剧导致栖息地的萎缩或退化，特别是两栖动物、哺乳动物和爬行动物栖息地丧失的比例很高。由于物种和环境压力来源在不同气候带和地理区域的分布差异大，因此需要采取有针对性的政策和措施来防止不同地区的生物多样性减少。
    　　图1 生物多样性减少的空间变化
    　　图2 气候变化和人类活动与生物多样性减少的关联关系
    　　研究结果表明，生物多样性丰富或对生物多样性减少的高度敏感地区往往位于欠发达地区。如何在经济发展和生物多样性保护之间取得平衡，是决策者面临的一个挑战。要制定一个可实现的生物多样性保护计划和路线图，就必须将生物多样性保护的目标纳入区域可持续发展规划。落实联合国《生物多样性公约》，不仅要在国家层面，也要在省一级制定目标，以确保生物多样性保护与可持续利用目标的切实有效实施。研究结果可以为联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会（CBD COP15）制定2030年全球生物多样性目标以及协调多重环境压力与生物多样性之间的长期关系提供新的认识。
    　　文章的第一与通讯作者为吕永龙教授，共同作者包括两位博士生杨逸夫和孙斌，以及苑晶晶博士、于名召博士、Nils Chr. Stenseth教授、James M. Bullock教授和Michael Obersteiner教授。参与该项研究的单位包括：厦门大学、中国科学院生态环境研究中心、中国人民大学、中国科学院大学、挪威奥斯陆大学、英国生态与水文中心、奥地利国际应用系统分析研究所。该研究得到了国家重点研发计划项目(2019YFC0507505, 2017YFC0505704)、国家自然科学基金国际合作重点项目（71761147001）和中国科学院国际大科学计划项目(121311KYSB20190029)的资助。
    　　论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabd0952.full
    　　城市与区域生态国家重点实验室
    　　2020年11月24日
    　　
    2020-11-24
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