志存高远　励精图治开拓进取　务实创新

科研进展
首页 科研进展
  • 杨敏研究组在制药废水安全处理理论研究和技术开发方面取得系列进展

    　　世界卫生组织将抗生素抗性列为本世纪健康领域的最大挑战之一。作为世界上最大的抗生素生产和使用国，我国面临更大的挑战。杨敏研究组在国家自然科学基金重点项目（21437005）、重大项目课题（21590814）等支持下，针对抗生素生产废水高含抗生素的特征，围绕抗生素胁迫下抗药基因的产生规律与传播机制等关键科学问题及其阻断技术开展系统研究，在基础理论和工程应用上均取得重要突破。
    　　率先开展了针对土霉素、青霉素、红霉素等各种抗生素原料药生产废水处理设施的调查，发现在高浓度抗生素存在下，废水生物处理系统无法正常运行，而且单一的抗生素就会导致细菌产生严重的多重抗药性。从土霉素废水处理设施出水和下游河流中分离的277株细菌中，同时对5种以上抗生素具有抗性的菌株比例高达近80%。在细菌群落水平上揭示了不同类型抗生素压力下废水处理系统中抗性发展机制的差异，发现I型整合子在链霉素体系的抗性发展中发挥关键作用，转座子和质粒在土霉素体系的抗性发展中发挥关键作用，而宿主选择作用是替加环素系统抗性发展的主要机制。
    　　在废水进入生化处理系统前消除抗生素选择压力是控制抗药基因在污水处理系统中产生和传播的关键。为此，开发了针对制药废水中抗生素定向去除的强化水解预处理技术，以及用于去除生化出水中残留的抗生素水解产物的氧化吸附技术，通过技术集成形成抗生素生产废水处理成套技术，在河北省两个土霉素生产废水处理系统（处理能力分别为800和1000m3/d）工程改造中得到成功应用，并正在行业内推广。
    　　相关成果在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Environ. Microbiol.、Appl. Environ. Microb.等杂志上发表论文20余篇，引起了国内外学术界和行业的高度关注。从2013年开始应世界卫生组织（WHO）邀请参加了三次环境抗生素和抗药性控制专家会议，并作为责任专家参加了“WHO水、卫生、耐药性政策导则”（WHO WASH-AMR, 2020）的编写，负责其中的“行动领域5：抗生素生产-减少对水环境中抗生素的排放”。
    2020-04-20
  • 俞文正组在腐殖酸诱导矿物转化研究中取得新进展

    　　铁是地球上第四丰富的元素，它可以与C、N、O、S等元素形成络合物，是几乎所有生物 必需的元素。同时二价与三价铁之间的氧化还原反应是影响营养元素和重金属生物地球化学循环的重要因素之一。因此，了解和揭示这些含铁矿物在自然环境中的转化和结晶机制至关重要。
    　　以往的研究表明，矿物转化发生在实验条件下，通常需要高温高压、特定的pH值和更高 的铁浓度。通过对结晶机制（Ostwald ripening和Oriented attachment）的研究，发现成核的自由能势垒的大小是决定粒子性质和产生粒子数的重要因素。在较低的浓度、温度和压力下，自由能势垒相对较大，因此在经典模型预测的自然环境中，成核和生长的现象应该很少。然而，众所周知自然界中矿物转化无时无刻不在发生，如果能将这种转化机制应用到水处理工程中，将会以最小的成本极大地改善水质。遗憾的是，在自然环境下的结晶路径还没有很好的建立，需要进一步的研究。
    　　俞文正研究组发现腐殖酸可以与菱铁矿表面释放的亚铁离子螯合形成Fe(II)-HA络合物， 从而加速铁元素从菱铁矿表面脱落并被水中的溶解氧氧化；由于Fe(II)-HA络合物使Fe原子彼此之间保持在足够短的距离内，通过团聚、结晶形成非晶前体纳米颗粒（前驱体）- 六线水铁矿。研究发现该前驱体能够有效地将低浓度的多离子络合物转移到结晶部位。 因此，在腐殖酸的作用下，初级纳米铁晶体尽管在空间上彼此分离，但仍能实现晶体排列。这些发现对理解自然环境中铁矿物转化以及营养元素的迁移转化具有重要意义。这些结果不仅支持了前驱体是单晶附着的必要前体假设，而且证实了晶体生长的基本步骤 。
    　　该研究由中心博后邢波波、英国帝国理工学院Nigel Graham教授和俞文正研究员等撰写 了题为“Transformation of siderite to goethite by humic acid in the natural environment”的文章并发表在Nature系列刊物《Communication Chemistry》。
    　　图1合成菱铁矿表征数据
    　　图2 合成菱铁矿与腐殖酸反应后产物表征
    　　图3 矿物转化示意图
    　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s42004-020-0284-3
    　　环境水质学国家重点实验室
    　　2020年3月26日
    　　
    2020-03-26
  • 杨敏组提出基于敏感人群群体响应的嗅味风险评估方法学构建和应用

    　　饮用水嗅味问题一致是我国自来水投诉的重要原因，然而对于个体来说闻到嗅味并不一定直接导致健康危害。因此，以个体直接健康危害为终点的传统风险评价方法出现问题，也即是以嗅味导致的个体健康为嗅味风险几乎为零可以忽略。然而事实上，嗅觉作为人类生存必需的感官之一，可以帮助人类感知危险，并通过直觉和潜意识驱动我们的行为响应。这些嗅味引发了多起公共事件，例如2007年的无锡自来水嗅味事件，和2014年兰州自来水嗅味事件。因此，人类对饮用水异味的过度响应可以引发公共卫生事件。不同于其他化学污染指标，一般情况下水中由2-甲基异莰醇和土臭素等导致的土霉味问题不会对人体造成直接的健康影响，但是会导致用户对饮用水安全性的担忧，进而产生一定的社会影响。然而，在进行异味问题风险评估时，其潜在的社会影响往往被忽视，进而导致风险被低估。
    　　和传统的风险评价相比，存在以下几个突破：1. 在社会系统群体响应作为评估终点，从个体层次上升到了系统层面，为定量风险评价方法开拓了新的评估思路。可广泛应用到一些被忽略的风险评估，特别是公共事件的定量评估。2. 定量了人群中存在敏感人群，这些人群由嗅味触发心理直觉响应和进而影响行为决策，这些行为可能通过自媒体传播触发其他亚敏感人群，最终影响继续放大形成蝴蝶效应，进而对社会系统中基础设施进行冲击，例如超市等。3.采用社会负担作为衡量系统危害度量，为更高层次风险评估的可测性提供了方法。
    　　该成果方法对于传统风险评估方法理论体系具有填补多年短板的意义，将有助于环境政策制定、保障饮用水安全。该成果，由王春苗，安伟、于建伟等人撰写了题为“Assessing the hidden social risk caused by odor in drinking water through population behavioral responses using economic burden”（基于人群行为响应产生的经济负担评估饮用水异味问题的潜在风险）的文章并发表于刊物《Water Research》。
    　　图1. 嗅味触发敏感人群居民抢购包装水导致不敏感人群进入抢购行列
    　　此图来自http://news.sina.com.cn/o/2007-05-31/025911927405s.shtml
    　　图2. 人群对嗅味存在敏感性分布
    　　图3. 不同敏感人群存在行为决策响应模式
    　　论文链接： https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.115507
    　　中国科学院饮用水科学与技术重点实验室
    　　2020年3月12日
    2020-03-12
  • Chemical Reviews发表曲广波等在黑磷性质-活性关系的综述

    　　作为单元素二维半导体，黑磷具有高迁移率、各向异性、可调带隙等独特性能，黑磷纳米材料在催化能源、光电器件、生物医学和阻燃剂等领域具有广泛的应用前景。然而，目前对黑磷与生物系统的相互作用规律和机制的研究十分欠缺，这限制了黑磷纳米材料的高效和广泛应用。基于近年来的研究基础，中国科学院生态环境研究中心江桂斌课题组曲广波等与深圳先进技术研究院喻学锋团队合作，撰写了题为“Property－Activity Relationship of Black Phosphorus at the Nano？Bio Interface: From Molecules to Organisms”（黑磷纳米生物界面的性质-活性关系：从分子到生命体）的综述。该文章作为封面文章发表于化学领域的权威刊物《Chemical Reviews》。
    　　在黑磷的应用过程中，黑磷在生物体及微环境中形成了相互作用的复杂界面。黑磷-生物界面的本质是在黑磷表面和生物分子或结构表面之间形成的动态接触部位，这些区域大多存在于在含氧和水的生物微环境中。根据生物界面的复杂程度，黑磷-生物界面可分为黑磷-液体、黑磷-分子、黑磷-生物结构、黑磷-细胞和黑磷-生物个体等多个层次的界面（图1）。进入生物体后，明确黑磷与生物系统在黑磷-生物界面上的相互作用方式对于研究其生物效应与医学应用十分重要。这种相互作用这直接影响其在组织中的累积和分布、细胞特异性吞噬与亚细胞的定位以及后续触发的生物学效应。因此，深入理解黑磷-生物界面及其相互作用是提高其应用效率和降低其负面影响的前提。
    　　图1：黑磷-生物系统界面及其相互作用示意图。
    　　本综述系统讨论了在黑磷纳米材料（黑磷烯）的物理化学特性、界面性质及其相关的生物效应。除总结了在黑磷-生物界面上形成的相互作用方式外，还综述了黑磷应用过程中可能的多种暴露方式以及进入体内后的生物分布、细胞摄入与细胞内分布。总结了黑磷引起的多种生物效应以及基于效应调控的医学应用。综述同时讨论了黑磷的环境行为和其进入环境后引起的潜在的环境风险。基于对黑磷-生物界面知识的积累与其生物效应的分子机制，研究团队还综述了黑磷纳米材料的安全设计方法和改变黑磷界面理化性质的策略。特别是如何增强黑磷的化学稳定性和调节黑磷-生物相互作用等，这是影响黑磷生物效应的关键。这篇综述有助于研究者深入理解黑磷-生物界面、生物活性、应用中面临的挑战和相应策略，这些方法将有效促进黑磷这一新型二维纳米材料在各个领域的探索和实际应用。
    　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemrev.9b00445。
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
    　　2020年3月4日
    　　
    2020-03-04
  • 汪海林组发现双酚A/S的表观遗传毒性作用新通路

    　　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双酚类内分泌干扰物的表观遗传效应研究方面取得新进展，相关研究成果近日在线发表于Environmental Health Perspectives (Role of TET Dioxygenases and DNA Hydroxymethylation in Bisphenols-stimulated Proliferation of Breast Cancer Cells, doi 10.1289/EHP5862)。 
    　　环境内分泌干扰物严重威胁生物体和人体的健康，阐明环境内分泌干扰物对动物生长发育的毒害影响及其确切的作用机制非常必要。双酚A (Bisphenol A, BPA) 和双酚S (Bisphenol S, BPS)是典型的环境内分泌干扰物，它们通过调控雌激素受体 (estrogen receptor, ER)介导的信号通路，能够对生殖系统、肝脏、乳腺产生损伤，同时与肥胖症、糖尿病以及胎儿畸形也存在关联。基因组表观遗传状态的改变是环境内分泌干扰物对生物体产生毒害效应的一个重要机制。DNA羟甲基化，即5-羟甲基胞嘧啶 (5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)，是由TET (ten-eleven translocation) 酶介导的、催化氧化DNA 5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, 5mC) 而形成的，在胚胎发育、大脑功能以及癌症发生等方面发挥着重要作用。最近的报道指出BPA和BPS可引起小鼠血细胞DNA羟甲基化水平的改变。但是，尚不清楚它们是否改变乳腺细胞的DNA羟甲基化，以及产生的表型与作用机制如何？ 
    　　针对以上问题，汪海林研究组综合利用多种化学、生物学与毒理学技术，深入研究了ER受体与TET蛋白以及5hmC之间的相互作用关系，以及它们在双酚类内分泌干扰物诱导的乳腺癌细胞增殖中的作用。结果表明，BPA和BPS能够显著促进人乳腺癌细胞MCF-7的增殖并降低基因组DNA 5hmC的水平。在这个过程中ER alpha起着关键的调控作用。同时，研究发现，作为催化DNA 5mC氧化的关键酶之一， TET2蛋白在这个过程中也起着重要作用，可抑制细胞增殖，并且TET2的表达受ER alpha受体的负调控。进一步的机制研究发现，ER alpha通过上调DNA甲基转移酶 (DNA methyltransferase，DNMT) 的表达，以及DNA甲基转移酶作用于TET2基因启动子区域，提高其甲基化水平进而抑制了TET2基因的转录和表达。 
    　　基于以上结果，汪海林研究组提出了一条双酚类内分泌干扰物引起乳腺癌细胞增殖的表观遗传负反馈调控信号转导通路（见下图）：即ERa-DNMT-TET2通路。在正常生长条件下，TET2/DNA羟甲基化抑制乳腺癌细胞的过度增殖。当细胞暴露于BPA或BPS后，与ER alpha受体结合并促使ER二聚体的形成，经磷酸化激活后的ER二聚体转位入核，与DNMT基因启动子区域结合促进DNMT基因的转录表达，转录翻译后的DNMT蛋白结合到TET2基因启动子区域提高了其CpG岛的甲基化水平，抑制了TET2基因的转录和表达，进而降低了基因组5hmC水平，最终促进了乳腺癌细胞的增殖。这项研究首次建立了环境污染物-TET2-DNA羟甲基化-细胞增殖之间的关联。 
    　　该研究结果以期用来进一步深入了解双酚类环境内分泌干扰物的毒害效应及机制，为污染物毒理致病效应的早期检测、预测和治疗提供新的生物标记；而且，考虑到表观遗传变化的可逆性，也为制订疾病有效的防治策略和用药方案提供理论支持。 
    　　本研究得到了国家自然科学基金，科技部重点研发项目、中科院前沿项目等的资助。博士后李哲为论文第一作者，现在山东省科学院工作。 
    　　论文链接：https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10.1289/EHP5862  
    　　ER alpha通过上调DNMT介导的TET2启动子甲基化促进BPA/BPS诱导的细胞增殖 
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
    　　2020年3月2日
    2020-03-02
  • 贺泓院士团队在氮氧化物净化方面取得系列重要研究进展

    　　在国家自然科学基金项目（项目编号：21637005，51822811）等资助下，贺泓院士团队（中国科学院生态环境研究中心、城市环境研究所）在铜基小孔分子筛催化剂用于氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得重要研究进展。研究成果相继表发在：Appl. Catalysis B: Environmental（2篇），Catalysis Science and Technology和Chemical Engineering Journal上。
    　　氮氧化物(NOx)是造成大气灰霾、光化学烟雾和酸雨的重要前体污染物。柴油车尾气是NOx排放的主要来源之一，氨选择性催化还原（NH3-SCR）是目前应用最为广泛和有效的柴油车NOx排放控制技术，高效稳定的NH3-SCR催化剂是该技术的核心之一。Cu-SSZ-13小孔分子筛由于其优异的脱硝活性和水热稳定性，已成功应用于欧洲和美国柴油车NOx净化。传统的Cu-SSZ-13制备方法是以N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵（TMAdaOH）为有机模板剂水热合成SSZ-13，再经铵离子和Cu离子多次交换及焙烧得到。该方法价格昂贵且步骤繁杂、能耗高。本研究采用廉价易得的铜氨络合物（Cu-TEPA）作为模板剂，原位合成了Cu-SSZ-13分子筛，并经过简单的一步后处理，得到了活性和稳定性优异的Cu-SSZ-13催化剂。相关成果发表在Appl. Catal. B (2020, 266, 118655)上。
    　　https://sciencedirect.xilesou.top/science/article/abs/pii/S0926337320300709 
    　　尽管Cu-SSZ-13小孔分子筛催化剂具有优异的水热稳定性，但经850 ℃以上的水热老化后，仍会出现严重的失活现象。鉴于此，本研究制备并考察了同样具有八元环孔道结构的Cu-SSZ-39分子筛。Cu-SSZ-39具有比Cu-SSZ-13更优异的水热稳定性，即使经过850 ℃-16 h的水热老化，仍然保持了优异的NOx净化效率。其原因在于，SSZ-39具有比SSZ-13更弯曲的孔道结构，这一结构特性可以有效抑制水热老化引发的脱Al过程和铜物种的积聚。由于其超高的水热稳定性，Cu-SSZ-39分子筛催化剂有望应用于满足我国国VI标准的柴油车尾气净化。相关成果发表在Appl. Catal. B (2020, 264, 118511)上。同时，针对Cu-SSZ-39催化剂在柴油车上的应用，还系统考察了SO2和碱金属等毒性成分对Cu-SSZ-39活性和水热稳定性的影响及作用机理，为催化剂性能提升提供了理论依据。相关成果发表在Catal. Scie. Technol. (https://doi.org/10.1039/C9CY02186H)和Chem. Eng. J.（2020, 388, 124250, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124250）上。
    　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337319312573 
    　　
    2020-02-28
  • 江桂斌组在黑磷纳米片(BPNSs)对小球藻的研究中取得新进展

    　　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江桂斌课题组曲广波等在黑磷纳米片(BPNSs)对水生生物的毒性研究中取得新进展，相关成果于本月分别在线发表于Environmental Science & Technology Letters和Environmental Science & Technology。
    　　黑磷在电子、能源、医疗和环境保护等诸多领域具有巨大应用潜力。黑磷在使用过程中的环境健康风险受到广泛关注。本研究以模式水生植物小球藻和单细胞原生动物嗜热四膜虫为研究模型，对BPNSs的毒性及机制进行了系统研究。
    　　对于小球藻的研究表明，低浓度BPNSs 可促进小球藻的生长，而高浓度BPNSs则抑制其生长。代谢组学分析揭示了BPNSs的暴露会干扰小球藻内碳水化合物、脂肪酸、核苷酸和及氨基酸代谢。单细胞质谱的结果说明，小球藻在暴露黑磷后，细胞内的磷元素随暴露剂量的增加而升高，说明大量的磷元素累积于小球藻内。利用离子色谱串联电感耦合等离子质谱，可以实现水体中黑磷的降解产物的分离和准确定量。而其降解产物主要为PO23-、PO33-和PO43-等离子。这些降解产物可被小球藻吸收。研究巧妙的运用了透析方法，以完全排除细胞外磷酸的影响。结果表明，小球藻对多种磷酸盐离子的摄入是BPNSs暴露干扰小球藻的生长唯一原因，而BPNSs本身并不会导致小球藻的增殖异常。
    　　对于单细胞原生动物嗜热四膜虫的研究表明，以3D拉曼成像等技术为表征手段，发现四膜虫可直接摄入黑磷纳米片。黑磷纳米片通过四膜虫头部的“口器”被食物泡包裹进入到四膜虫细胞内，并导致四膜虫细胞畸形、大量纤毛脱落和细胞膜碎裂。与小球藻不同，除降解产物的影响外，四膜虫细胞内累积的黑磷纳米片也在其毒性中起重要作用。黑磷纳米片均可诱导小球藻和四膜虫细胞两类单核生物内的氧化应激，这是黑磷纳米片诱导的水生生物毒性的机制之一。BPNSs的多种降解产物的环境释放、累积和效应需受到进一步的关注。
    　　该研究得到了国家自然科学基金委，中国科学院青年创新促进会支持。
    　　论文链接1：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.9b00726
    　　论文链接2：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.9b05424
    　　
    2020-01-02
  • PNAS发表吕永龙团队关于中国能源碳排放驱动力的成果

    　　中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员团队在可持续发展研究方面又取得重要进展，其题为“中国能源相关行业碳排放变化驱动力（Drivers of change in China’s energy-related CO2 emissions）”的研究成果于2019年12月23日在国际著名期刊《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS））上发表（doi.org/10.1073/pnas.1908513117）。
    　　刚刚过去的2018年恰逢我国改革开放40周年，中国经济发展在这40年中取得了举世瞩目的发展成就，成为全球第二大经济体。经济的快速发展也带来了诸多生态环境问题，其中之一就是能源活动碳排放的快速增长。目前全球碳排放量最大的国家是中国，其占全球碳排放量的30%左右。在全球碳排放空间日益紧缺的背景下，各国都在积极探索如何通过低碳转型有效控制碳排放增长。研究中国自改革开放以来的碳排放增长的影响因素及其变化特征，有助于提高碳排放控制政策的科学性和可操作性，同时也能为其他新兴经济体提供有益的启示和借鉴。
    　　文章采用物料平衡法核算了改革开放40年（1978-2018年）中国能源活动碳排放量；利用Kaya公式、对数平均迪氏因素分解法（LMDI）对影响能源活动碳排放量的4个主要驱动因子（人均GDP、人口、能源强度、碳强度）开展了因素分解，结合中国在每个五年规划中出台的宏观经济政策，分析了4个驱动因素对碳排放变化的贡献率；并利用计量经济学Johansen协整检验验证了LMDI分解结果。
    　　文章认为中国经济增长和能源活动碳排放增长仍保持较强的耦合关系，并且能源活动碳排放与人口增长率、人均GDP、能源强度和碳强度存在长期均衡关系。文章发现1978-2018年间中国能源活动碳排放量增长82.75亿吨（图1），其中人均GDP和人口分别拉动增长约145.6和12.9亿吨，增长贡献率分别为176%和16%；能源强度和碳强度分别抑制排放-65.2和-20.5亿吨，增长贡献率分别为-79%和-13%（图2）。文章还发现宏观经济政策通过影响相关指标的变化直接影响碳排放量变化，具有代表性的是中国2001年加入世界贸易组织，巨大的国际市场需求促使国内高耗能行业扩张，从而开启了碳排放量快速增长阶段。文章最后指出中国能源活动碳排放在近期仍将继续保持低速增长，未来10-15年将是中国兑现碳排放峰值承诺的关键期，控制碳排放增长速度以至于实现碳排放峰值，需要努力做到经济增长低碳转型、能源系统低碳转型、消费模式低碳转型。
    　　文章通讯作者为中国科学院生态环境研究中心的吕永龙和奥斯陆大学的Nils Chr. Stenseth教授，第一作者为吕永龙教授的博士研究生郑晓奇，共同作者包括苑晶晶、Yvette Baninla、张盛、Dag O. Hessen、Michael Obersteiner、陈德亮等。参与此项研究的单位包括：中国科学院生态环境研究中心、中国人民大学环境学院、厦门大学、中国科学院大学、奥斯陆大学、清华大学、美国奥本大学、奥地利国际应用系统研究所和瑞典哥德堡大学。
    　　该研究成果得到了国家重点研发计划项目（2017YFC0505704）、国家自然科学基金重点项目( 41420104004和71761147001)、中国科学院重点部署项目（KFZD-SW-322）等的支持。
    　　图1 1978-2018年中国能源活动碳排放量变化 
    　　图2 1978-2018年不同影响因素对碳排放的贡献率 
    　　全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1908513117
    　　
    2019-12-24
  • 刘景富组在镶嵌型铁-贵金属化合物 (FeM)设计及其催化性能研究中取得进展

    　　贵金属催化剂在选择性氧化，污染物脱卤等多个领域有着广泛的应用前景，但是其高成本、低活性/选择性以及易于溶出-团聚等问题限制了其在环境催化领域的广泛使用。一个可能的解决思路是引入Fe等高丰度元素，设计金属化合物(intermetallic)。Fe等原子的引入不仅可以提高贵金属的原子利用率，还可以显著改变贵金属原子的电子结构，进而优化反应活性并提高稳定性。但贵金属与普通过渡金属前驱体具有不同的还原及晶体生长行为，简单的化学还原只能得到核壳/随机合金等非均相材料，通常需要进一步在高温下长时间老化(300oC，2小时以上)以克服由非均相到均相（Disorder-to-order transformation）转化过程中的高能垒。这种长时间的高温高压过程以及转化过程中，使用的油胺等稳定剂/溶剂导致传统方法合成的金属化合物粒径较大，表面形成的大量杂原子会抑制催化活性，同时还需要额外处理过程对其进行负载。
    　　 
    　　图A) 不同金属混合物的液相紫外拉曼谱；B) Pd3Fe/γ-Fe2O3-NS 的球差电镜图；C）Pd3Fe/γ-Fe2O3-NS 的XAS及CO吸附红外谱及其结构模型。 
    　　中科院生态环境研究中心刘景富组利用液相紫外拉曼光谱原位研究了贵金属氯化物(PdCl42-, AuCl4-以及PtCl62-)与FeCl3形成的混合物在水相中的配位结构，发现来自贵金属氯化物的Cl-配体可以被Fe3+共享。通过这一配体共享过程，Fe的配位结构由FeCl2(H2O)4-/FeCl3(H2O)3转化为四配位的FeCl4-（图A）。这一转化过程非常罕见，因为在正常条件下FeCl4-只能在高温或者高浓度Cl-条件下发生。更重要的是通过共享Cl-配体，Fe与贵金属离子形成了双金属配合物FexMyClzn-经过简单的化学还原即可转化为双金属团簇，并自发转化为高度有序的金属化合物（如Pd3Fe），从而实现了室温下金属化合物团簇的快速合成。此外，在化学还原条件下，过量的Fe前驱体会同步转化为γ-Fe2O3超薄纳米片，并自发作为载体负载金属化合物团簇（图B）。借助上海光源X-射线吸收线站的设施，利用XAS对合成材料的配位结构进行了解析，证明贵金属与Fe形成了有序的M3Fe结构，其粒径约为2 nm。原位吸附CO吸附红外证实了该材料以镶嵌而非表面吸附的形式负载在纳米片，这种负载方式赋予了设计的催化剂极高的稳定性(图C)。催化实验表明，该材料具有极高的催化活性，每个Pd原子可以活化106个C-I键以上。同时，该材料还具有优良的稳定性，在140 oC下反应12 小时仍无明显Pd团聚。值得一提的是本方法可以用于Au, Pt，Rh，Ru和Ir等高催化活性的贵金属的金属化合物合成，因而有望用于有实用价值贵金属催化剂的设计与制备。该研究发表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater. 2019, 1906995)，刘睿研究员为第一作者。研究得到国家重点研发计划项目（2016YFA0203102）的资助。
    　　文章链接https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906995 
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
    　　2019年12月5日
    　　
    2019-12-05
  • “出淤泥而不染”—祝贵兵研究组在全球地下含水层系统厌氧氨氧化氮流失方面取得新进展

    　　“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，是北宋诗人周敦颐《爱莲说》中的名句，意指莲花身处污泥之中，却纤尘不染。在全球地下水氮流失方面，厌氧氨氧化反应就像“莲花”一样，身处地下土壤含水层，却起着独立而不可或缺的作用。
    　　全球含氮化肥及其他化学物质的广泛使用，造成严重的地下水氮污染，人类健康和环境安全受到严重威胁。祝贵兵团队前期研究表明，我国陆地表层水生态系统，发生着长期被忽略却又无处不在的厌氧氨氧化过程，而且水是唤醒厌氧氨氧化菌的关键因素《The ISME Journal，2018》。但是，在土壤系统中厌氧氨氧化反应是否也发挥重要作用，尚不明确。最近，祝贵兵团队的王衫允博士利用同位素示踪技术和高通量测序分析发现，厌氧氨氧化主导湿地岸边带地下水位线以下饱和含水层中的氮流失（37.5-67.6%），而反硝化主导地下水位线以上非饱和土壤中的氮流失。硝酸盐异化还原成铵（DNRA）对该过程中底物氨氮和亚硝酸盐的调控具有重要作用。随着水位上升，厌氧氨氧化对氮流失的贡献显著增加，并伴随温室气体N2O排放的显著减少（~39.3±10.6％）。地下含水层中厌氧氨氧化的发现，为地下水硝酸盐治理提供了新途径。该成果发表于环境工程TOP杂志 《Water Research, 2019》和《Scientific Reports, 2017》。
    　　基于以上研究，我们猜测全球地下含水层系统也发生厌氧氨氧化反应。团队成员王衫允博士在全球范围1000多个样点取样研究，发现厌氧氨氧化在全球地下含水层广泛发生且具有“热层”效应，对氮流失的贡献达36.8-79.5%。同位素示踪技术和高通量测序技术分析表明饱和和非饱和土层交界面是厌氧氨氧化发生的关键分界点，在非饱和土层不发生，在饱和土层开始发生并以Candidatus Brocadia anammoxidans为主导菌属。这项研究工作的重要意义在于，厌氧氨氧化在地下含水层氮循环及氮污染修复中可以起到显著地作用。由此推测，在全球气候变化的影响下，降水增加，地下水位线升高，将改变全球地下含水层氮流失路径，从而影响全球温室气体排放和氮循环通量。该成果发表于国际微生物生态学的权威杂志《The ISME Journal, 2019》。
    　　三篇代表性论文的第一作者均是王衫允助理研究员，通讯作者是祝贵兵研究员。该研究得到了国家自然科学基金（41322012, 41671471, 91851204）、中国科学院饮用水科学与技术重点实验室自由课题（15Z07KLDWST，16Z03KLDWST）、中国科学院先导专项（XDB15020303）、中国科学院青年创新促进会等项目资助。
    　　论文链接1： https://www.nature.com/articles/s41396-019-0513-x 
    　　论文链接2： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135419305652 
    　　论文链接3: https://www.nature.com/articles/srep40173 
    　　图1 （I）全球地下含水层规模性厌氧氨氧化的发生及对氮损失的贡献。饼形图表示厌氧氨氧化和反硝化过程对土壤中氮损失的贡献比率。（II）区域尺度旱地地下含水层厌氧氨氧化的发生、速率和贡献（24 km，中国河北省安新县）。a-f分别代表距离为7.0、7.0、4.0、4.5和1.5 km的不同土壤剖面。（III）全球地下土壤含水层厌氧氨氧化的发生，速率和贡献。速率用通量单位mmol N m-2 d-1表示，浅蓝色和灰色分别代表饱和和非饱和土壤层，速率和丰度数据均为平均值±s.e.（标准差，n = 5）。
    　　中国科学院饮用水科学与技术重点实验室
    　　2019年10月10日
    　　
    2019-10-11
查看更多