科研进展----中国科学院生态环境研究中心

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生态模型与全球变化研究组在农业生态系统温室气体排放、高寒植被碳固定以及高寒河流水环境遥感研究方面取得重要进展

　　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生态模型与全球变化研究组在农业生态系统温室气体排放、高寒植被生态系统碳过程以及高寒河流水环境遥感研究方面取得重要进展，相关研究成果分别发表在Global Change Biology，Agricultural and Forest Meteorology, Journal of Geophysical Research, Remote Sensing等杂志上。
　　农业生态系统是气候变化的承受者，也是温室气体（GHG）的重要排放源，对自然变化和人类活动非常敏感。在全球变化背景下，要确保粮食安全和生态环境平衡，需要更好地了解和量化多个环境变化因子及其相互作用对作物温室气体排放强度（单位作物产量的温室气体排放量）的影响。课题组使用改进的农业生态系统模型（DLEM-AG2.0）及包含172个野外温室气体排放实验的meta分析，对1949年至2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度的时空变化率、主要贡献因子及其影响进行了国家尺度的最新评估。结果表明，1949-2012年，农田的温室气体排放强度平均为0.10~1.31 kg CO2‐eq kg‐1，增长率为1.84~3.58×10‐3 kg CO2‐eq kg‐1 yr‐1。2000年以来，氮肥是导致中国北方温室气体排放强度增加的主要因素，对南方的影响也有所增加。温室气体排放强度的增加意味着过度施肥不仅没有显著促进作物增产，反而加剧了土壤温室气体排放。本研究发现，超过60%的过度施肥主要位于华北平原的冬小麦-夏玉米轮作区，长江中下游和西南地区的冬小麦-水稻轮作区，以及南方大部分的双稻轮作区。模拟结果表明，“过度施肥”地区当前的氮肥施用水平减少约1/3，不会显著影响作物产量，但会使土壤温室气体排放减少29.60%~32.50%，温室气体排放强度减少0.13~0.25 kg CO2‐eq kg‐1。这分别相当于中国和世界农业土壤温室气体排放总量的29%和5%。研究表明，提高氮肥利用效率将是减少温室气体排放、保障中国粮食安全的有效策略。研究结果可为我国发展温室气体友好型农业提供参考。
　　图1. DLEM-AG2.0估算的1949-2012年中国小麦、玉米和水稻的温室气体排放强度(a、d和g)、作物产量(b、w和h)和土壤温室气体排放(c、f和i)
　　高寒植被生态系统对气候变化非常敏感，然而，高寒植被在不同生长阶段碳交换及其碳通量对气候变化的响应机制尚不明确。我们利用遥感反演的长时间序列高寒植被总初级生产力（GPP）、净生态系统生产力（NEP），系统分析了1982-2015年以来青藏高原高寒草甸生态系统不同生长阶段碳交换、生产力及其对气候变化的响应关系。研究结果发现：青藏高原高寒草甸生产力在过去30多年均得到了持续的增加，但在不同的生长阶段高寒草甸会表现为不同的碳源和碳汇，同时不同气候因子对高寒草甸GPP、NEP的影响程度也不相同，表现为温度因子在整个植被生长阶段都起着重要的作用，控制着高寒草甸的碳固定能力。在植被枯萎前土壤水分对高寒草甸碳固定的作用日益重要，而空气饱和差、太阳短波辐射对高寒草甸碳固定的影响相对较弱。我们的研究也揭示了需要从高寒植被生长的各个阶段来分析气候变化与高寒植被生态系统碳过程的复杂关系，从而为更系统了解陆地生态系统对气候变化的响应机制提供了新的视野。
　　（A）（B）
　　图2. 高寒草甸不同生长阶段（S1、S2和S3）GPP（A）和NEP（B）变化的主导气候因素的空间分布
　　随着全球气候变化和人类活动影响的加剧，高寒河流水环境受到了越来越严重的环境胁迫，而由于高寒河流所处区域气候恶劣、地形地貌条件复杂，如何有效地监测高寒河流水环境变得日益重要。我们从2016年起连续开展了雅江、金沙江、怒江、澜沧江等高寒河流的天空地一体化观测实验，首次建立了高寒河流水环境不同组分的遥感光谱库，而后基于空间对地观测信息协同，建立了河流水环境遥感机器深度学习识别与定量反演模型，生成了长时间序列高寒河流水环境数据集并系统分析了全球变化与人类活动影响下的高寒河流水环境变化的时空特征，最终形成了高原高寒河流水环境遥感监测系统，这将有助于提升高原寒区河流水环境遥感监测与预警的能力与水平。
　　图3. 三江并流区怒江（NJR）、澜沧江（LCR）和金沙江（JSR）季节性水体浑浊度空间分布
　　这些研究分别得到科技部国家重点研发计划重点专项（2018YFA0606001和2017YFA0604702）、中科院STS项目（No. KFJ-STS-ZDTP-0）和国家自然科学基金委重大研究计划等项目（No. 91547107和 41271426）的资助。系列论文链接如下：
　　https://doi.org/10.1111/gcb.15290
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192320301878
　　https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019JC015106
　　https://www.mdpi.com/2072-4292/11/24/3010
　　https://www.mdpi.com/2072-4292/11/11/1287
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2020年7月28日
　　

2020-07-28
傅伯杰团队在非洲生态系统变化与驱动机制研究中取得重要进展

　　非洲旱地生态系统主要由稀树草原和灌丛组成，草本与木本植物动态竞争，对气候变化和人类活动非常敏感。在全球变化背景下，生态系统结构和功能发生显著变化。课题组基于多源遥感数据，将光学NDVI和微波VOD互补，识别了非洲旱地生态系统近30年的动态演化，发现1993-2012年间，非洲旱地生态系统木本植物增加，土壤水分的变化是主要的驱动因素。此外，利用集合经验模态分解的方法分析了过去三十年东非植被的时空动态，划分了趋势变化的类型，识别了趋势转折的时间，结果表明植被由变绿到变棕是主要的变化趋势，转折时间集中在2000年前后。该项研究为大尺度植被动态监测及生态系统退化评价提供了科学方法。
　　火动态对于理解生态系统结构功能变化和全球气候变化有着重要的意义。一方面，全球变暖和干旱事件增加了火发生的潜在风险，另一方面人类活动特别是农田扩张抑制火的发生和传播。非洲火占全球火燃烧面积的70%，占全球火相关排放的50%，同时火在草本和木本植物竞争中扮演着重要角色。但目前关于气候因素和人类活动在多大程度上影响非洲火动态尚不清楚。课题组基于遥感数据，分析了2001-2016年间非洲火的非线性动态（图1），结果表明非洲北部火持续减少，主要原因是农田扩张；非洲南部火经历了由增加到减少的转折，主要受降水的控制。同时，研究指出降水-火关系存在时空异质性：短期降水与火呈负相关关系（降水抑制燃料的可燃性），前一两个雨季降水与火呈正相关关系（降水促进燃料的累积）。总体而言，干旱区降水与火呈正相关关系，湿润区降水与火呈负相关关系。该项研究对于理解植被-降水-火关系以及预测未来非洲火动态提供了科学依据。
　　图1: 非洲火的时空变化:（a）2004年,（b）2010年,（c）2016年,（d）2001-2016平均变化；
　　上述研究成果得到了国家重点研发计划项目“全球变化对生态系统服务的影响”（资助号：2017YFA0604701）和国家自然科学基金项目（资助号：41761144064）等支持，相关论文发表在Global Change Biology和Land Degradation & Development。系列文章链接如下。
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/gcb.15190
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3342
　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3017
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2020年6月24日
　　

2020-06-24
吕永龙团队在全氟化合物的生态效应和健康风险方面取得进展

　　中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员团队在全氟化合物的生态效应和健康风险方面取得系列进展，分别从农业生态系统、水生生态系统和人群暴露三个主要方面解析了在氟化工高排放影响下，全氟化合物在典型物种中的生物富集和传递效应，分析了在多种暴露途径下的健康风险，并提出了风险管控措施。相关成果近年来在著名环境期刊Environment International、Journal of hazardous Materials等上陆续发表了8篇论文。
　　全氟化合物(PFASs)是近年来国际上重点关注的一类新型持久性有机污染物（POPs），其中以全氟烷基酸（PFAAs）类的排放和风险尤为突出，其代表性物质全氟辛烷磺酸（PFOS）和全氟辛酸（PFOA）及相关物质分别于2009年和2019年被列入《斯德哥尔摩公约》。PFAAs排放和风险管控标准的制定亟需科学依据。PFAAs排放源复杂，但氟化工行业通常是排放强度最大的源之一。吕永龙团队辨识了环渤海地区PFAAs的两个高排放流域，分别是大凌河流域和小清河流域(Wang/Lu* et al. 2016 J. Hazard. Mater.)，并对两个流域PFAAs的生态效应进行了深入研究。
　　图1 研究框架图
　　针对PFAAs的生态效应的研究表明，ΣPFAAs浓度在纳污水体中最高可达mg/L水平，在灌溉地下水中达到亚mg/L水平，在农田土壤和降水中的浓度也极显著，但是在周边环境中有明显的随距离增加的衰减效应，显著影响半径大约为3-4km（Liu/Lu* et al. 2016 Environ. Int）。这些环境和生长介质中的PFAAs通过生物富集效应进入农作物中，然而与环境介质中的PFAAs成分不同，农作物对短链PFAAs有更高的生物富集因子（BAF）。蔬菜类的PFAAs富集浓度显著高于谷物籽粒，蔬菜中以芽菜类的BAF最高，而在不同的蔬菜部位中，叶子的BAF最高，谷物籽粒中大豆的BAF高于小麦和玉米。与环境介质相比，氟化工源对农作物的显著影响范围更大，可达10km半径（Liu/Lu* et al. 2017 Environ. Int；Liu/Lu* et al. 2019 Environ. Int；Zhang/Lu* et al. 2020 Environ. Int）。水生植物对PFAAs的BAF随碳链长度增加而增加，这个趋势与陆生的农作物正好相反，这主要由生长介质的差异造成，水环境相比土壤环境，更利于PFAAs进入植物体内，尤其是长链PFAAs（Wang/Lu* et al. 2019 Environ. Int）。对16种典型淡水动物和40种典型海水动物的研究发现，对PFAAs具有高富集的物种虽分属不同门类，但都属于底栖物种。同时对比水生植物，水生动物对长链PFAAs具有更高的富集效应，其原因是长链PFAAs在动物体内的半衰期更长。此外栖息地、性别和组织差异对PFAAs富集也有显著影响（Wang/Lu* et al. 2020 Environ. Int）。
　　农作物和水生动物会作为食物成为PFAAs的人群暴露途径，研究团队对饮用水、降尘和使用鸡蛋等暴露途径进行了详细分析。结果表明，氟化工源周边居民家中的自来水中的PFAAs浓度较低，但作为饮用水的地下水中的PFAAs浓度偏高，个别点位甚至高于现有的饮用水标准值。氟化工源PFAAs排放通过降尘的显著影响半径可达20km，且受常年风向影响，室内降尘中的PFAAs浓度显著高于室外降尘（Su/Lu* et al. 2016 Environ. Int）。家养鸡蛋受PFAAs污染的程度显著高于商品鸡蛋，且PFAAs主要分布于蛋黄中（Su/Lu* et al. 2017 Environ. Int）。进一步的人群健康风险评价通过不同食物中PFAAs的日常摄入估算（EDI）进行，结果表明，食用靠近氟化工源的家养鸡蛋和蔬菜的EDI值高于现有的健康标准值（TDI），会产生显著的健康风险。针对非日常食用的食物（如水产品），研究团队建立了一种新方法，既可以计算EDI值或健康标准值，也可以根据健康标准值计算健康风险管控值，为风险管理提供合理的科学建议。
　　该系列研究成果得到国家重点研发计划项目（2017YFC0505704和2018YFC1801100）、国家自然科学基金项目( 41420104004、71761147001、41171394、41371488和41701583)、中国科学院重点部署项目（KFZD-SW-322和KZZD-EW-TZ-12）、国家国际科技合作专项（2012DFA91150）、国家重点基础性工作专项（2013FY111100）等的支持。
　　
　　全文链接：
　　1.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389415303150
　　2.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412016300563
　　3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412017303756
　　4.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412018332069
　　5.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019315739
　　6.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412016302604
　　7.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412016307139
　　8.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019304726
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2020年6月19日
　　

2020-06-19
WHO发布“关于防止感染和减少抗生素耐药性传播的水、环境卫生、个人卫生和废水管理技术导则”

　　我中心杨敏和张昱研究员应世界卫生组织（WHO）邀请作为责任专家参加“关于防止感染和减少抗生素耐药性传播的水、环境卫生、个人卫生和废水管理技术导则(Technical brief on water, sanitation, hygiene and wastewater management to prevent infections and reduce the spread of antimicrobial resistance )”的编制，负责其中行动领域5 “抗生素生产—减少对水环境中抗生素的排放(Manufacturing of antimicrobials-Reduce releases of antimicrobials and ARGs into waterways from antimicrobial manufacturing)”部分的编写。目前，该技术导则已由WHO正式发布（https://www.who.int/water_sanitation_health/publications/wash-wastewater-management-to-prevent-infections-and-reduce-amr/en/）。
　　杨敏课题组长期从事抗生素生产废水抗性基因传播机制与阻断技术研究，取得丰硕成果，其中基于强化水解的抗生素效价消减技术已经在土霉素生产废水处理工程中得到应用。相关成果引起了WHO的关注，作为中方代表，杨敏和张昱研究员先后应邀参加了由WHO等国际组织召开的三次关于环境中抗生素和耐药性控制的全球专家会议（2013、2017和2019），在抗生素监测目标的设定与分析方法标准化、抗生素原料药生产过程产生的抗生素与抗性基因污染管控等方面提出了建设性意见。
　　“技术概要”封面
　　环境水质学国家重点实验室
　　2020年6月15日

2020-06-15
欧阳志云研究组在生态系统生产总值（GEP）核算研究方面取得新进展

　　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欧阳志云研究组在生态系统生产总值（GEP）核算研究方面取得新进展，建立了生态系统生产总值核算方法，并以青海省为案例开展了实证研究，为定量刻画自然对人类的贡献提供了科学方法。相关研究成果发表在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）https://www.pnas.org/content/early/2020/06/02/1911439117。
　　人类社会与其赖以发展的生态环境构成经济－社会－自然复合生态系统。针对经济子系统，国际上以“国内生产总值”（Gross Domestic Product, GDP）为主要指标，衡量一个国家或地区在一定时期内生产和提供的最终产品和服务的总价值；围绕社会子系统，联合国建立了评价一个国家或地区平均预期寿命、受教育水平与居民生活水平等方面状况的“人类发展指数”（Human Development Index, HDI）；然而，对于自然子系统，目前尚缺乏评估自然生态系统为人类生存与发展提供的支撑和福祉的核算指标。
　　针对这一问题，中国科学院生态环境研究中心欧阳志云研究员和IUCN朱春全研究员于2013年提出了“生态系统生产总值”（Gross Ecosystem Product, GEP）的概念，简称为生态产品总值，即：生态系统为人类福祉和经济社会可持续发展提供的最终产品与服务价值的总和。欧阳志云研究组从物质产品、调节服务产品与非物质产品三个方面构建了GEP核算体系与核算模型，并发展了刻画生态系统服务流的评估方法。本文主要报道了青海省的生态系统生产总值核算成果，研究发现：以可比价计算，青海省2015年的GEP比2000年增长74.9%，15年间大规模生态保护和恢复工程增加生态资产质量和数量是GEP增长的主要原因。青海省产生的生态系统产品和服务中，将近80%惠益的受益者是青海省外的其他省份，据此研究提出建立“水基金”等政策建议，协调区域发展，探索让生态产品与服务供给者受益、让生态产品消费者付费新机制，促进优质生态产品的可持续供给。本研究表明，GEP核算可以定量揭示生态系统产品和服务提供者与受益者之间的生态关联，并能为生态保护成效评估、生态补偿政策制订，以及将生态效益纳入经济社会评价体系提供科学依据。
　　GEP核算概念的提出得到广泛关注，国家发改委在浙江丽水市、江西抚州市试点，探索基于GEP核算的生态产品价值实现机制；深圳市正在探索构建基于GEP核算的生态文明考核体系，促进城市人与自然和谐发展、绿色发展，守护好绿水青山。目前有青海、贵州、海南、内蒙等省（自治区、直辖市），深圳、丽水、抚州、甘孜、普洱、兴安盟等23个市（州、盟）以及阿尔山、开化、赤水等100多个县（市、区）的GEP核算及其应用试点。
　　该研究得到科技部第二次青藏高原综合考察项目（2019QZKK0300）、科技部国家重点研发计划重点专项（2016YFC503400）和亚洲开发银行项目（ADB TA 9040-PRC）等项目资助。
　　论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/02/1911439117
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2020年6月11日

2020-06-11
生态环境中心首次确证人体血液系统中存在外源性超细颗粒物

　　近日，生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌组在大气细颗粒暴露研究方面取得重要突破，首次在普通人群血液和胸腔积液中发现外源性超细颗粒物，为颗粒物的全局健康影响提供了重要科学证据。论文日前在线发表于Nature Communications（Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-020-16427-x）。
　　大气颗粒物污染与多种疾病密切相关。研究表明，粒径越小的颗粒物越能够深入人体，如小于2.5 μm的颗粒物（PM2.5）能够进入肺泡，而小于0.1 μm的颗粒物（即超细颗粒物）被认为可以穿透肺泡进入人体的血液循环系统，这已成为了细颗粒毒理学研究的基础假设之一。但到目前为止，还未有过真实人体血液循环中检测到大气超细颗粒物的报道，这意味着这项基础假设仍缺乏关键科学证据。通常认为，PM2.5在人体中的真实存在及其定量描述仍处于一个“黑箱”状态，PM2.5的暴露研究也仍停留在实验动物模拟阶段。
　　这项研究首次在普通人群的血液及胸腔积液样本中提取到超细颗粒物。进一步的分析发现人血液中的颗粒物浓度极低，而胸腔积液中的颗粒物浓度远高于血液，二者具有相关性。由此可以借助胸腔积液来研究被吸入人体的颗粒物的状态。为了探明颗粒物的来源，这项工作发展了基于特征元素指纹、超高分辨结构指纹和稳定同位素指纹的多维化学指纹技术，结果证明人体中提取到的超细颗粒物主要为外源性的，特别是相当一部分来自于大气燃烧源PM2.5。这一结论成为PM2.5进入人体循环系统并由此产生健康危害的直接证据，为解释大气颗粒物污染物的全局健康影响提供了关键数据。
　　著名毒理学家Günter Oberdrster教授评价认为“这是一个科学界长期讨论但悬而未决的问题——This is an unsolved problem long discussed within the scientific community … 这是首个使用现代新技术来确认可吸入颗粒物进入血液循环的研究——the first study to apply modern new technology to determine uptake of inhaled nanoparticles into the blood circulation”。这一研究从发现到方法都有望推动颗粒毒理学的发展。
　　该论文的第一作者是陆达伟助理研究员，通讯作者为刘倩研究员和江桂斌院士。论文工作也得到了中科院深圳先进技术研究院、中山大学孙逸仙纪念医院、深圳CDC等单位的协作。该研究得到了国家自然科学基金委“大气细颗粒物的毒理与健康效应”重大研究计划、国家杰出青年基金、中科院前沿科学重点项目、中科院从0到1原始创新项目、深圳“三名工程”等资助。
　　图1. 人胸腔积液中提取出来的超细颗粒物的高分辨结构指纹特征
　　相关论文链接： http://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-16427-x
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2020年5月22日
　　

2020-05-22
刘倩等利用二维硅指纹揭示了北京地区近年PM2.5来源急剧变化的原因

　　大气细颗粒物（PM2.5）污染严重影响我国国民健康和社会发展。对PM2.5的精准溯源是污染控制和健康风险消减的前提。但是，PM2.5的来源及成因目前仍存在较大争议，原因之一就在于现有的溯源技术手段不能满足PM2.5精准溯源的需求。
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌组近年来在PM2.5的组分甄别及污染来源指示物方面开展了研究。在前期研究中，研究人员通过分析大量PM2.5及污染源样品的Si同位素组成，发现PM2.5的不同一次源具有显著不同的Si同位素指纹特征，证明了Si同位素指纹可以作为追溯PM2.5一次源的指示物，并进一步揭示了燃煤源是北京春冬季雾霾加重的重要原因（Environ. Sci. Technol.2018, 52, 1088-1095）。通过进一步研究，阐明了PM2.5二次生成过程中的硅稀释效应（Si-dilution effect），从而证明PM2.5的Si元素丰度可以作为PM2.5二次源的一种惰性指示物，并通过该方法发现2013年北京地区重雾霾时二次气溶胶贡献可达到79.2%（Atmos. Chem. Phys.2019, 19, 2861-2870）。
　　在近期研究中，研究人员将Si同位素和Si丰度结合起来，形成新颖的二维Si指纹技术，对2013年以来北京地区PM2.5的一次源和二次源的年际变化趋势进行了持续的跟踪。研究发现，从2013到2017年间（即”大气污染防治行动计划”实施期间），PM2.5的一次源和二次源贡献都发生了急剧变化。富集轻Si同位素的一次源（即燃煤和工业源）的贡献显著下降，证明了污染控制政策对于燃煤和工业源的有效管控。同时，PM2.5的年平均Si丰度从2013年的1.2%上升到2017年的4.6%，说明二次源污染比重显著降低（从83%降到42%）。值得注意的是，在2015-2017年间，富集轻Si同位素的一次源（即燃煤和工业源）的贡献占比有所轻微反弹，说明未来还需继续加强对这些源的控制，同时需加大气力降低富集重Si同位素的一次源的排放（如机动车尾气）。
　　图1. 二维Si指纹同时示踪PM2.5一次源和二次源示意图
　　研究结果日前在线发表于Environ. Sci. Technol.（Environ. Sci. Technol., DOI: 10.1021/acs.est.0c00984）。这一研究一方面为未来制定更为有效的污染控制政策、进一步降低北京地区PM2.5污染水平提供了科学依据，另一方面也为PM2.5研究与控制提供了一种有效的新工具。此外，研究也揭示了人为污染源在严格的管控政策下的变化规律，为本地区及其他污染地区的政策制定提供了有益参考。
　　该工作得到了国家自然科学基金委“大气细颗粒物的毒理与健康效应”重大研究计划、中科院前沿科学重点项目、国家杰出青年基金等项目的支持。
　　相关论文链接： https://doi.org/10.1021/acs.est.0c00984
　　https://doi.org/10.5194/acp-19-2861-2019
　　https://doi.org/10.1021/acs.est.7b06317
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2020年5月22日

2020-05-22
汪海林组发现哺乳动物存在DNA 6mA新来源

　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在哺乳动物基因组DNA N6-甲基腺嘌呤研究方面取得新进展。他们发展了一套独有的、无污染的6mA分析方法，在哺乳动物细胞系中检测到的6mA并不依赖于甲基化转移酶，并发现了DNA聚合酶依赖的DNA 6mA新来源。相关工作近日以N6-methyladenine is incorporated into mammalian genome by DNA polymerase为题在Cell Research杂志上发表。
　　DNA N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenine, 6mA）是一种在原核生物中广泛存在的表观遗传修饰，但是高等真核生物中6mA的存在一直是一个难解的谜。2015年，汪海林组与陈大华组合作在Cell上发表了关于果蝇DNA 6mA修饰的研究成果。哺乳动物DNA 6mA的研究也随后开启了新的里程。但是，由于哺乳动物DNA在样品制备和分析过程中，容易受到原核生物DNA污染，而原核生物6mA 水平远高于哺乳动物的，为哺乳动物DNA 6mA的准确检测与研究带来巨大挑战。同时，研究人员也因此困惑：哺乳动物基因组DNA中是否存在复制后可遗传性的N6-腺嘌呤甲基化修饰？该问题一度引起业内广泛关注与争议。
　　为了回答这一问题，汪海林研究组发展了一套独有的、无污染的6mA分析方法，在样品预处理、超高效液相色谱串联质谱(UHPLC-MS/MS)分析中排除可能的原核生物DNA的污染，可获得准确的6mA信号。利用这一先进的分析方法，在三种人细胞系和小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells, mES细胞中检测到6mA(图1a, b)。研究还发现6mA可在细胞G1期累积。
　　为了进一步探索6mA的来源，该组采用他们研发的一种独特的稳定同位素标记方法。该法使用[15N5]-dA作为初始示踪剂处理细胞。其中，[15N5]-dA通过补救合成途径以[15N4]-dA的形式掺入基因组DNA中。理论上也可用于识别哺乳动物细胞内甲基化转移酶产生的6mA ([15N4]-6mA)。研究发现，经[15N5]-dA处理后，细胞DNA被[15N4]-dA有效标记，但未能在mESC等细胞系、不同细胞周期中检测到任何[15N4]-6mA。该研究采用了第二种有效的同位素标记试剂，即[13CD3]-L-甲硫氨酸，但仍然未检检测到任何[13CD3]-6mA。以上结果表明，在哺乳动物细胞系中检测到的6mA并不依赖于甲基化转移酶。
　　图1. UHPLC-MS/MS 分析哺乳动物细胞基因组DNA 6mA
　　他们推测细胞内6mA来源于特定DNA聚合酶的活动。据此，采用6mA核苷直接处理mES细胞，基因组DNA中可检测到剂量依赖的6mA掺入。随后，分别用同位素标记的[15N5]-6mA和RNA核苷[CD3]-m6A处理细胞进行验证，可分别检测到[15N5]-6mA和[CD3]-6mA掺入。那么mES细胞6mA是如何进入基因组的呢？研究发现，与非同步化的细胞相比，G1期细胞中DNA聚合酶X家族成员非模板依赖性的Polλ的mRNA表达增加，而Poly λ敲低则显著降低了G1期和sub G1期6mA水平。且Polλ敲除可导致[CD3]-m6A处理掺入的6mA减少。
　　上海生科院徐国良院士等参与了这一课题研究。
　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-0317-6
　　
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2020年5月4日
　　

2020-05-04
环境砷污染与地球演化历史

　　2020年4月29日，国际著名学术刊物《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）在线发表了关于生命耐砷机制起源的研究论文"The Great Oxidation Event expanded the genetic repertoire of arsenic metabolism and cycling"，揭示了地球砷环境演变与微生物抗砷分子机制进化的因果关系。该研究由中国科学院生态环境研究中心朱永官团队和美国佛罗里达国际大学Barry P. Rosen团队联合完成。德国亥姆霍兹环境研究中心博士后陈松灿和中国科学院生态环境研究中心研究员孙国新为共同第一作者，朱永官研究员和Barry P. Rosen教授为本文的通讯作者。
　　重构地球生命的起源和演化过程是地球环境科学和地球生物学研究中最具挑战的研究课题之一。生命从出现到进化需要不断适应有害的物理化学环境，包括重金属的毒害。砷是地球上分布最广的剧毒类金属，其氧化还原转化及环境行为影响着生命的演化进程。在地球演变历史中，砷的形态及其毒性随地表氧化还原状态的变化而不断改变。元古代早期（24.5–23.5亿年前）的大氧化事件（Great Oxidation Event，GOE）是地球大气首次大规模充氧事件，对砷生物地球化学循环产生了深远的影响。在大氧化事件之前，原始地球环境中氧气浓度极低，砷主要以三价还原态（如亚砷酸盐）的形式存在。随着氧气浓度的增加，环境中的三价砷被氧化为五价砷（如砷酸盐），导致原始生命首次暴露于五价砷的毒害之下，并成为威胁地球生命的一个重要环境因素。然而，生命是如何应对由大氧化事件导致的砷环境毒性的剧变尚不明确。
　　该研究利用系统进化基因组学（phylogenomics）、分子钟理论（molecular clock）和生物进化模型（macro-evolutionary model），估算了目前报道的所有微生物砷解毒基因的起源时间，重构了大氧化事件前后微生物抗砷系统的演变，并结合地球化学证据阐述了砷在环境中的变化与生命耐砷分子机制进化的关系。研究结果表明，在三价砷主导的原始地球环境中，微生物砷解毒系统由还原态砷的抗性机制构成。主要途径包括三价砷的外排和甲基化，分别由亚砷酸转运蛋白（Acr3）和砷甲基转移酶（ArsM）介导。为了缓解由大氧化事件导致的五价砷的毒害作用，微生物进化出砷酸盐还原酶（ArsC），并与原有的砷外排机制共同组装出了五价砷的解毒途径。随着大气游离氧的积累，氧气被微生物利用以抵抗砷的毒性。其中，需氧酶ArsI（碳-砷裂解酶）和ArsH（甲基砷氧化酶）介导抗砷途径的产生和演化，使得微生物砷解毒系统进一步扩张（图1）。
　　该联合团队长期致力于砷生物地球化学过程和微生物抗砷分子机制的研究，取得了一系列重要进展，相关成果已在Nature Plants，PNAS和Annual Review of Earth and Planetary Sciences等国际顶级学术期刊发表。本研究以微生物抗砷系统的进化为例，系统描绘了地球演化历史中生命对重金属环境毒性的适应过程，为阐明重金属元素循环、生命进化和地球演变之间的交互作用提供了新的视角。另外，该研究探索了新型“化石”—生物基因组在解决前沿进化生物学问题中的应用模式，所获得的结果对理解重金属污染环境下的生态学过程具有重要意义，为人类适应、调控、改造和治理污染环境提供一定的理论基础。
　　本项目研究得到了国家自然科学基金（41430858），中国科学院战略性先导专项B（XDB15020302和XDB15020402）及美国国立卫生研究院基金（GM55425和ES023779）的资助。
　　文章链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/04/28/2001063117
　　图1 大氧化事件之前（A）与之后（B）微生物抗砷分子机制的演变。
　　土壤环境科学与技术实验室
　　2020年4月30日

2020-04-30
环境化学与生态毒性学国家重点实验室在环境健康研究方面取得进展

　　中科院生态环境中心环境化学与生态毒性学国家重点实验室刘思金研究组在重金属和纳米材料的健康风险与毒理学机制方面取得进展，并发表综述论文展望未来的发展，相关研究成果于近期发表于Small等学术期刊。
　　镉和砷等重金属对人体的危害和毒性机制已有很多报道，但仍有诸多未解之谜，例如组织器官之间毒性是否可以相互传递，传递的媒介和传递的机制如何。该研究组发现镉污染地区居民血液中长链非编码RNA MT1DP的表达水平与尿镉含量呈正相关性，统计学分析指示MT1DP是人群镉中毒潜在的生物标志物。进一步发现MT1DP在镉暴露人群肝脏中以外泌体依赖的方式释放入血液中，随后被肾脏细胞摄取并通过调控肾细胞中凋亡蛋白BAX的水平促进镉诱发肾脏毒性（图1）。同时发现长链非编码RNA UCA1与表观遗传调控分子EZH2的相互作用，在砷诱发的细胞G2/M周期阻滞过程中发挥重要作用。这些研究结果揭示了外泌体及其负载的长链非编码RNA在组织器官间毒性的传递和诱发次级毒性方面发挥了重要作用。部分研究结果发表在Advanced Science （Dong and Gao, et al. LncRNA UCA1 antagonizes arsenic-induced cell cycle arrest through destabilizing EZH2 and facilitating NFATc2 expression. 2020; doi.org/10.1002/advs.201903630）和Environmental Pollution （Gao, et al. Liver-derived exosome-laden lncRNA MT1DP aggravates cadmium-induced nephrotoxicity. 2020; 258:113717）等学术期刊。
　　图1. 肝源性外泌体包载MT1DP加重镉诱导肾毒性机制示意图
　　纳米技术及其相关产业的可持续发展需要研究其环境健康和安全性。这个领域尽管做了很多工作，但仍然有很多未知和不确定的方面。该课题组最近通过激光显微切割技术，结合共聚焦显微拉曼光谱分析等技术手段，发现了肝小叶中氧化石墨烯（GO）的分布存在区域性差异（zonation pattern），即门管区周围GO的累积量显著高于中央静脉区，并进一步通过细胞测序等组学手段揭示了此区域性差异分布导致的特异性损伤和作用途径（图2），相关成果发表于ACS Nano（Wu, et al. Graphene Oxide Causes Disordered Zonation Due to Differential Intralobular Localization in the Liver. 2020;14:877-890）。同时发现GO可以通过激活TGF-β-Smad2/ 3信号通路驱动EMT进程，导致肿瘤细胞肺部转移增强，相关工作发表于ACS Nano（Zhu, et al. Graphene Oxide Promotes Cancer Metastasis through Associating with Plasma Membrane To Promote TGF-β Signaling-Dependent Epithelial-Mesenchymal Transition. 2020;14:818-827）。此外，该课题组将抗酗酒药物双硫仑（disulfiram, DSF）纳米化成功应用于抗肿瘤研究，相关成果在线发表于Theranostics （Ren and Feng, et al. Dithiocarbamate-Copper Nanocomplex Reinforces Disulfiram Chemotherapeutic Efficacy through Nuclear Targeting. Theranostics 2020; doi:10.7150/thno.45558,online advance article）。
　　图2. 氧化石墨烯在肝脏中区域性积累和选择性损伤的机制示意图
　　该课题组综述和展望了纳米毒理领域的发展方向和亟待开展的研究（图3），包括：1. 环境中的纳米材料：未来需要开发更高效的提取、分离、表征、鉴定方法以研究复杂真实环境介质中的纳米材料。2. 纳米材料的环境转化：原始态材料在环境中的化学和生物转化，以及转化引发的理化性质变化对迁移、分布与毒性效应的影响。3. 真实暴露条件下的健康风险：需要开发、优化纳米材料的暴露方式和剂量以模拟真实环境中的暴露，并揭示环境转化、污染物共暴露、继发性效应等因素对其健康风险的改变。 4. 建立技术框架和标准：未来应发展更高效的测定工具、更丰富的表征手段以探索纳米材料的理化性质与构效关系，以期建立纳米材料毒性评价的技术框架和标准。相关综述与展望发表与Small （Liu and Xia. Continued efforts on nanosafety is critical to maintain sustainable growth of nano-industries. 2020; e2000603. doi: 10.1002/smll.202000603. Online ahead of print）。回答这些问题和挑战，有助于设计和生产更安全的纳米产品，降低其环境健康风险，从长远来看将促进纳米产业的可持续发展。
　　图3. 纳米毒理与健康风险研究未来的发展方向示意图
　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202000603
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2020年4月28日

2020-04-28

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