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蔡亚岐课题组在共价有机框架材料的设计合成及其在有机污染物富集和降解方面取得进展
共价有机框架（covalent organic frameworks，COFs）是一类结晶多孔聚合物，其允许有机单元从原子层面精确整合成具有周期性骨架和有序纳米孔道的延伸结构。COFs的一个重要特征是它们是可设计的，也就是说，可以控制构筑基元的几何形状和尺寸以指导结构周期性的拓扑演变。构筑基元的多样性和共价连接的拓扑方案使COFs成为结构控制和功能设计的新兴材料平台，非常有望用来解决一些环境问题。课题组通过合理设计构筑基元对COFs材料的结构进行精确调控，显著提升了其在污染物富集和光催化降解方面的性能：
1）通过简单的策略将COF（TpPa-1）接枝到表面氨基修饰的Fe3O4纳米颗粒上，制备了花束状磁性TpPa-1 COF复合材料。该材料包含核-壳型磁性纳米颗粒簇和相互连接的多孔TpPa-1纳米纤维。由于这种特殊的形貌，磁性TpPa-1材料具有更大的比表面积、更高的孔隙率和超磁性，使其成为富集痕量分析物的理想吸附剂。该工作发表在ACS Applied Materials&Interfaces (2017, 9 (3), 2959–2965)上。
2）利用1,3,5-triformylphloroglucinol（Tp）和melamine（MA）合成了内嵌有C3N4构建模块的COF，将其作为一种高效可见光响应型无金属光催化剂。该材料将促发光催化性能的三个因素巧妙地整合到COF骨架中，其中三嗪单元作为光活性中心，环酮单元作为吸电子基团，共轭结构作为光电子转移平台。这种缺电子-给电子单元交错排列的COF对于降解有机污染物表现出卓越的可见光光催化能力。该工作发表在Chemical Communication(2017, 53, 9636-9639)上。
3）设计合成了一系列亚胺键连接的COFs，研究了前体中化学组成和结构的变化对所得COFs光电性能及光催化降解能力的影响，从而指导材料的可控合成。结果表明，可见光光催化性能随着活性中心密度和骨架中的共轭程度的增加而增强，该结果可为其结构和物理化学性质的系统微调提供有力依据，有利于拓宽COFs在光催化领域中的应用。课题组还将高稳定的亚胺键连接的TTB-TTA COF与金属有机框架材料复合，构建了一系列新型的金属有机框架/共价有机框架杂化材料。这类杂化材料继承了MOF和COF结晶度高、比表面积大、可见光响应强和带隙可调的优势。上述研究分别在Applied Catalysis B: Environmental (2018, 239, 147–15)和Applied Catalysis B: Environmental (2019, 247, 49–56)上发表。
以上研究工作由本课题组博士研究生何思婧完成，由于这些出色的工作，何思婧同学获得了2019年优秀毕业生称号和中国科学院院长特别奖。
图1 结构调控对亚胺键连接的COFs光催化性能的影响
论文链接 1：https://doi.org/10.1021/acsami.6b13643
论文链接 2：https://doi.org/10.1039/C7CC04515H
论文链接3：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.08.005
论文链接4：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.01.078
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2019年9月26日
2019-09-26
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邓晔研究组在宏观和微观物种间的互作网络分析方法上取得进展
中国科学院生态环境研究中心环境生物技术院重点实验室邓晔研究组长期致力于利用生态网络分析方法来探究生态群落内物种间的相互作用，近期该课题组构建了用于探索植物与微生物物种互作关系的二分网络分析方法和分析平台，在探索宏观和微观物种生态网络分析方法上取得进展。研究结果近期在线发表在生态学杂志《分子生态资源》（Molecular Ecology Resources）上。
宏观生态系统中，跨域物种间的生态网络一直是研究的热点。然而，自然生态系统地上-地下群落生态中，植物与微生物之间的相互作用在区域尺度上仍未得到较好的解析。本研究中，该课题组提出了利用微观的高通量分子检测数据和宏观的植被调查数据来构建植物与微生物之间的跨界生态网络方法(Inter-domain ecological networks, IDEN)，并搭建了相应的开放式分析平台。利用该平台，邓晔课题组与中国林业科学研究院张于光研究员合作，对中国沿纬度梯度分布的30个森林生态系统中地上植物和地下土壤微生物群落数据进行了系统的分析。结果显示，区域尺度的跨界生态网络具有较高的连接度、嵌套结构、不对称专一性和模块化结构等网络拓扑结构属性。此外植物对于特定的微生物类群表现出一定的偏好性。对不同地点的局部尺度IDEN进行分析，也发现特定植物在不同地区都具有共存的微生物物种。本研究展示了自然生态系统中植物与微生物的共存关系，并有助于未来进一步理解生物群落中多个跨界生物物种之间的层级结构。
目前，该生态网络的分析方法及分析流程已经存放到邓晔课题组开放的分析平台IDENAP (http://mem.rcees.ac.cn:8081)网站上，欢迎感兴趣的科研人员使用。
该研究得到了科技部重点研发项目、国家自然基金委和中国科学院等基金的资助。论文第一作者为本中心博士研究生冯凯。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1755-0998.13081
图. IDEN方法中的模块分析结果显示出模块内植物与微生物物种间复杂的相互作用关系
中国科学院环境生物技术重点实验室
2019年9月4日
2019-09-04
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欧阳志云研究组在全国湿地生态系统格局与保护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全国湿地生态系统格局与保护研究方面取得新进展，分析了全国湿地的现状与变化趋势，探讨了“零净损失”作为湿地保护目标的不足，并提出了全国湿地保护恢复的建议，相关研究成果发表在国际生物学、生态学领域著名期刊当代生物学（Current Biology）上，徐卫华研究员为论文第一作者。
湿地生态系统具有水源涵养、气候调节等重要生态系统服务，在全球生物多样性保护中具有重要意义，但面临面积不断萎缩的威胁。目前湿地保护成为联合国可持续发展目标的关键指标，为了遏制湿地丧失趋势，包括美国在内的许多国家将“零净损失”，也就是 “总面积不减少”作为湿地保护的重要目标。
本研究以全国生态系统调查评估成果为基础，通过遥感解译与地面调查相结合的方式，分析2000至2015年全国河流、湖泊水库、沼泽等湿地生态系统的变化趋势与主要驱动因素，探讨了 “总面积不减少”作为湿地保护目标的适宜性。
研究发现，2000至2015年间，我国大陆地区新增湿地2.76万平方公里，主要分布在西北、青藏高原和西南地区；同时丧失湿地 2.61万平方公里，主要分布在东北、华北平原、长江中下游地区，以及东部沿海地区。湿地新增面积大于丧失面积，因此总面积增加了0.15万平方公里，全国湿地丧失的趋势得到初步遏制。
图1 2000-2015年全国部分地区湿地变化图
（1.青藏高原；2.三峡；3.长江三角洲；4.松辽平原）
文章指出，这种净面积的增加不能反映湿地变化的复杂性。首先，从变化的类型来看，尽管湖泊、水库等开放水面增加，但沼泽、滩涂等天然湿地减少了0.76万平方公里。其次，从湿地变化的主要驱动因素来看，湿地的变化是生态保护、粮食安全、气候变化等多种自然社会因素综合影响的结果，但退耕还湖、自然保护区建设等生态保护恢复工程带来的湿地面积增加，并不能抵消农田和城镇建设等人为造成的湿地损失；青藏高原地区气温升高致使冰川和常年积雪消融退缩，短期内导致河流湖泊水面扩张，但这种增加是不可持续的，长期来说湿地面积可能会减少。最后，目前湿地的变化格局可能存在较大的生态风险，我国东北、东部沿海地区的湿地丧失影响东亚-澳大利亚的候鸟迁徙安全；大坝修建导致水面的增加，可能淹没原有珍稀濒危物种的栖息地，同时大坝修建切断了鱼类等水生动物的洄游通道进而威胁其长期生存。
文章认为，仅仅将“总面积不减少”作为湿地保护的目标是不充分的，除了面积，湿地类型、质量和功能都应该统筹作为湿地保护目标的重要组成部分，并提出了一个有效研究湿地并开展保护行动的框架。此外，针对我国湿地保护面临的问题，文章提出将重要自然湿地划为生态保护红线、加强湿地功能的保护与恢复、加强水资源管理以保障生态用水需求、重要生物多样性区域避免修建大坝等措施，来确保湿地生态系统的保护与恢复。
该研究得到中国科学院战略性先导技专项和服务网络计划等资助，论文链接：https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(19)30933-9。
2019-08-30
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中心在胞内非标记纳米颗粒示踪方面取得新进展
中科院生态环境研究中心环境纳米技术与健康效应重点实验室宋茂勇研究组在非标记纳米颗粒活细胞成像方面取得重要进展，相关研究成果以封面文章在顶级化学期刊《Journal of the American Chemical Society》上发表，博士生王丰邦为论文第一作者。
纳米材料在众多领域，特别是生命科学和医学领域得到广泛应用，其环境与健康风险备受关注。实时观察纳米颗粒的细胞摄入、胞内分布以及转化过程，对于深入了解和准确把握纳米颗粒的生物学特性及其安全性评价具有重要意义。对于非标记的纳米颗粒，现有的技术手段，如电子显微镜和暗场显微镜，均不能做到长时间的实时观察，特别是不能实现对纳米颗粒和生物分子的同时示踪观测。针对该科学问题，宋茂勇研究组开发了一种基于共聚焦显微镜的散射光成像新技术，实现了对活细胞内非标记纳米颗粒和荧光标记生物分子的同时成像。
图1基于共聚焦显微镜的胞内纳米颗粒散射光成像技术
宋茂勇研究组发现百分之五十的激发光可以通过共聚焦显微镜中二向色镜全反射波长和全透射波长之间狭窄的“cut-on/off”过渡区。利用这一特性，可在共聚焦显微镜荧光通路模式下对胞内纳米颗粒的散射光进行成像分析（散射光成像，SLi）。研究表明，借助于光栅分离波长，可以用不同通道同时收集纳米颗粒的散射光和荧光标记生物分子的荧光信号，从而实现两者的同步观测。SLi成像模式可以分辨胞内20-100纳米不同尺寸的纳米银颗粒（空间分辨率10纳米），并实现胞内纳米颗粒24小时的超长连续观察。该方法可在单颗粒水平研究纳米颗粒的跨膜运输、胞内分布、转化过程以及和生物大分子的相互作用，有望在纳米医学和纳米毒理学研究方面得到广泛应用。
图2胞内纳米颗粒单颗粒水平的动态成像
以上研究工作得到了国家基金委项目和中科院先导专项B的支持。
相关文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b05894
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2019年8月28日
2019-08-28
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Science Advances发表吕永龙团队关于改革开放40年中国可持续发展道路的成果
在中国改革开放40年之际，中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员团队与国内外科学家合作，基于40多年的社会经济和环境大数据分析，比对联合国2030可持续发展目标，选取了制约中国乃至全球可持续发展的重要因素，主要包括经济发展与环境问题之间的耦合关系、区域之间的差异、城乡差异、社会公平以及陆海一体化协同发展等5个方面，系统分析了改革开放以来中国取得的成就和面临的挑战，为其他国家尤其是发展中国家提供中国可持续发展的经验。这一成果以“改革开放40年：中国走向可持续发展之路（Forty years of reform and opening up: China’s progress toward a sustainable path）”为题发表在2019年8月7日的国际顶级学术期刊《科学进展》（Science Advances）上。
文章历经一年多时间的三轮国际专家评审，国际评审专家认为它是一篇极好的文稿（terrific manuscript），极度契合时代主题，通过整合分析大量数据，探讨了中国经济发展与环境影响间的关系，回答了中国的环境与发展究竟是处于高度耦合关系还是处于转型时期这一国际关注的问题，并进一步讨论了中国目前在联合国可持续发展目标——减少“城乡失衡”、“地区差异”和“社会不平等”等方面的成就和进展，文章所涉及的问题和结果具有重大的世界意义。
可持续发展的基本内涵是社会经济与生态环境的协调发展。在可持续发展过程中，经济的快速发展需要生态环境提供物质能量，受到生态环境承载力的约束。粗放的发展模式和不理性的工业发展结构会导致环境污染、生态系统退化等生态环境问题，而生态环境则会通过承载响应、环境效应和政策干预等对社会经济发展产生约束。因此，分析环境与经济耦合发展的演变过程，探寻二者协调发展的关键因素及措施，进而实现中国乃至全球环境保护与经济发展相协调，显得尤为迫切和重要。文章通过构建解耦合指数（DI）以及耦合模型（CD）探讨了GDP与主要环境变量之间的关系。从单个环境指标来看，1978年至2011年间，工业废气和固体废物排放与经济增长呈现明显的耦合关系，而近年来，工业废气和固体废物排放稳定甚至略有下降趋势，废水和废气中的主要污染物也呈现从耦合到解耦合的明显转变。然而，二氧化碳与经济发展一直处于耦合的状态。综合耦合指数显示污染排放与经济发展的耦合水平（图1），在1978-2002年呈上升趋势，于2002-2014年稳定，从2015年呈下降趋势。结果表明2015年以来，经济增长与环境影响呈现解耦合的趋势。
图1 改革开放40年来中国经济和综合环境指数变化趋势及二者之间的耦合关系
文章结果表明，40年来中国在社会经济和资源消耗方面表现出了明显的区域分化特征，衡量各省人均可支配收入差距的基尼系数从1978年到2005年其数值增长了近一倍，而近年来的政策调整和经济发展的转变缓解了区域间的继续分化（图2）。历史条件、自然条件和政策支撑等都是影响区域差异的重要因素。在资源消耗方面，随着改革开放后发展格局的变化，东部和南部沿海地区逐渐取代老牌重工业聚集的东北区域成为主要的资源消耗者。近年来人均水资源消耗量、人均能源消耗量和人均碳排放量在部分发达区域（东部沿海、长江流域）均出现下降（解耦合）趋势，资源利用效率的提升和“南水北调”等工程的建设缓解了区域间资源消耗的差异。
图2 八个经济区域人均国内生产总值（a）和能耗百分比（b）的区域间的差异
城乡发展不平衡是社会经济发展不平衡的另一种表现，已经成为制约均衡发展的重要因素。收入、教育和医疗是表征城乡发展是否均衡的三大主要民生问题，这三大问题在城乡改革开放的过程中呈现出了不同的发展趋势。中国的经济改革改变了城乡人口分布，城镇人口从20%增长到了60%，城乡居民在医疗上的差距大幅度缩减，而在收入和教育上还存在着极大差距。
经济发展是否影响了社会公平是本文一个重要研究内容。文章选取了教育、迁徙和贫困三个角度。我国教育发展呈现两个特点，一个是居民受教育程度整体大幅提升，另一个是全国各地区两性间教育水平差异均保持持续降低态势。人口流动有两点显著趋势，第一点是大量农村人口流向城市，推动了我国城镇化率的大幅提升；第二点是人口从中西部省份向东部沿海地区的跨区域流动趋势非常显著（图3）。减贫工作历来是我国的重点工作之一。改革开放以来，不同统计口径的数据都显示，我国贫困人口数大幅减少。但是，从省域尺度上看，我国贫困发生率呈现出显著的西高东低空间格局（图3）。西部省份仍然面临严峻的减贫攻坚战。
图3 就业机会和减贫移民指数的空间分布规律
本文选取了反映海洋经济的指标 — 海洋生产总值（GMP），反映陆源人类活动对海洋影响的指标：工业废水排入、陆源海上悬浮垃圾，以及反映海洋生态系统健康程度的指标赤潮发生率、海洋营养指数（Region-based Marine Trophic Index, RMTI）等，衡量了我国可持续发展进程中海洋资源利用的充分性和可持续性。文章认为，海洋资源仍没有得到充分有效的开发利用，海洋经济的贡献依然很低。陆基人类活动也制约了海洋经济的可持续发展，如工业废水的排入、垃圾倾倒等，严重影响了海洋生态系统的健康，造成了生态系统服务损失。
文章认为中国的发展经验是值得其他国家尤其是发展中国家借鉴的。中国的改革是一个自下而上和自上而下相结合的过程，通过制度变革和适当的政策激励人们的个人热情和创业精神。改革开放的成功离不开中国始终坚持自力更生，重视自身的能力建设，包括科研能力建设、先进管理和基础设施建设等，同时吸取国外的先进经验却不依赖于其他国家。中国成功的另一方面的经验在于，基于本国国情，中国的改革开放采取了“小步快跑”而非“休克疗法”的方式，首先通过小规模的示范应用，然后逐步向全国推广，这尽可能地降低了试错成本。文章认为，中国的发展模式与联合国可持续发展目标是一致的，如在减少贫困（SDG 1和SDG 2）、增加就业机会（SDG 8和SDG 11）和经济增长（SDG 8和SDG 9）、改善健康和福利（SDG 3）、减少性别平等（SDG 5）、甚至消除教育中的性别差异（SDG 4）方面均取得了巨大的成效。通过制定强有力的国家政策，在缓解污染和保护水环境（SDG 6）、生物多样性（SDG 15）和海洋生态系统（SDG 14）等方面也取得了一定进展，实现了经济增长和环境污染（SDG 7和SDG 13）的解耦合。文章也指出中国的可持续发展道路仍然任重而道远。如果中国能够持续推动能源结构转型，增强公众生态意识，提高资源利用效率，有效实施环境政策，才能进一步实现经济发展和环境影响的持续解耦合。通过加强环境保护、继续缩小区域和城乡间的差异、消除社会不公平问题、实现陆海一体化协同发展等，中国的发展之路将是可持续的。
该文的第一与通讯作者为吕永龙研究员，共同作者包括张悦清、曹祥会、王尘辰、王一超、张梦（共同第二作者）、苑晶晶、Robert C. Ferrier、Alan Jenkins、Mark J Bailey、陈德亮、李红、Ernst Ulrich von Weizsacke和张中祥。参与此项研究的单位包括：中国科学院生态环境研究中心、厦门大学、中国科学院大学、英国詹姆斯·赫顿研究所、英国国家生态与水文中心、瑞典哥德堡大学、美国奥本大学、英国兰卡斯特大学、德国弗莱堡大学和天津大学。
研究工作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。
Yonglong Lu*, Yueqing Zhang, Xianghui Cao, Chenchen Wang, Yichao Wang, Meng Zhang, Robert C. Ferrier, Alan Jenkins, Jingjing Yuan, Mark J Bailey, Deliang Chen, Hong Li, Ernst Ulrich von Weizsacker, Zhongxiang Zhang. Forty years of reform and opening up: China’s progress toward a sustainable path. Science Advances, 2019, Vol. 5, no. 8, eaau9413.
DOI: 10.1126/sciadv.aau9413
2019-08-08
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欧阳志云研究组在自然保护地管理研究方面取得新进展
自然保护地是国家生态保护建设的核心载体，在维护国家生态安全中居于首要地位。城市与区域生态国家重点实验室欧阳志云研究组在综述我国自然保护地的发展历程、现状与问题的基础上，分析了机构改革对中国自然保护地建设带来的机遇，提出了完善自然保护地体系的建议，相关研究成果发表在国际生态学领域顶级期刊《Trends in Ecology & Evolution》(IF=15.2)，徐卫华研究员为论文第一作者。
建立自然保护地是全球生物多样性保护的主要手段，也是联合国可持续发展目标的重要内容。我国的自然保护地建设成效显著，到目前为止建立了自然保护区、风景名胜区、森林公园、地质公园、湿地公园等各种类型的自然保护地1万多处，总面积占我国陆域面积的18%以上，在保护生物多样性与自然景观、保障我国的生态安全等方面发挥了重要作用，但也存在重叠设置、多头管理、边界不清、权责不明、保护与发展矛盾突出等问题，影响自然保护地整体成效的发挥。
文章认为，源于多部门的破碎化管理是自然保护地现有问题的根源之一，而目前我国政府从上而下推动的机构改革为解决这些问题，构建统一、规范、科学、高效的自然保护地管理体制提供了难得的机遇。新成立的自然资源部，代表中央政府统一行使全民所有的自然资源资产产权管理者职责，各级政府的自然资源主管部门分别有类似的代表权，这解决了不同级别自然保护地内自然资源资产所有者缺位的问题，同时自然资源部门统一组织编制国土空间规划，自然保护地规划是其中重要内容，能统一协调解决保护与发展的矛盾；新建立的国家公园管理局，对原属于不同部门管理的自然保护地进行统一管理，解决了管理破碎化的问题；原有的环境保护部调整成为生态环境部，不再具体管理自然保护区，但加强了自然保护地的监督职能，实现自然保护地管理与监督的分离。
研究建议以机构改革为契机，近期内优先解决如下问题。第一，重新构建自然保护地分类体系，建议在国家最新提出的国家公园、自然保护区和自然公园的基础上，考虑建立生态功能保护区，以便与生态保护红线相协调。第二，综合考虑珍稀濒危物种、自然生态系统、自然景观和自然遗迹，编制统一的自然保护地体系规划。第三，构建统一的自然保护地法律体系。文章提出的对策与建议，期望为协调保护与发展的关系、推动中国的绿色发展、保障国家生态安全提供支撑。
2020年中国将主办《生物多样性公约》第十五次缔约方大会，我国在自然保护地建设与管理的经验对于解决全球生物多样性危机、自然保护地建设与管理面临的问题，提出了中国解决方案与路径。
该研究得到了中国科学院与国家林草局联合支持的《全国自然保护地体系规划研究》课题的资助。
TREE论文链接：
https://www.cell.com/trends/ecology-evolution/fulltext/S0169-5347(19)30161-2
城市与区域生态国家重点实验室
2019年7月12日
2019-07-12
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刘思金研究组在环境健康风险与转化毒理学方面取得新进展
中科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刘思金研究组在环境健康风险与转化毒理学方面取得新进展，相关研究成果近期陆续发表于Nano Letters (Wang, et al. 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02127), ACS Nano (Zhang, et al. 2019, 13: 2050-61; Zhang, et al. 2019, 13: 2729-48) 和Environment International (Shen, et al. 2019, 128: 146-57)。
纳米银（AgNPs）作为应用最广泛的纳米材料之一，其环境健康风险受到广泛关注。该课题组近期的研究发现，在低剂量暴露下，尽管没有明显的细胞毒性， AgNPs暴露却导致雌性小鼠胚胎干细胞（mESCs）分化受到显著抑制，并发现X染色体失活（XCI）及其所导致的X染色体连锁基因的下调表达是重要的作用机制。AgNPs暴露后雌性mESCs中应失活X染色体（Xi）的失活程度增加即过早失活，活化X染色体（Xa）的活化状态维持减弱，导致了X染色体连锁的与分化相关的诸多调控基因启动子区域的抑制性组蛋白修饰（如H3K27me3）富集增加，基因表达水平显著下降，这些变化最终导致了干细胞分化受阻（图1）。在雄性干细胞中没有观察到如此效应。另外，该研究组同时发现基于黑磷的纳米材料，细胞毒性低，生物相容性好，并表现出优越的抗肿瘤转移特性。这些研究成果为揭示纳米材料的环境健康风险与开展转化毒理应用具有科学意义。
图1. 低剂量纳米银暴露诱发X染色体失活状态机制示意图
多氯联苯PCB126是一种典型的持久性有机污染物，虽已被禁用多年，但仍广泛分布于环境介质和生物体中。众多的研究表明PCBs暴露会引起肝脏代谢紊乱，然而对于其低剂量暴露下的肝脏代谢毒性机制了解甚少。该研究组最近发现，PCB126低剂量暴露显著改变了肝细胞中诸多核心节律基因及其下游的控制糖和脂肪代谢的节律基因表达（包括糖脂有氧氧化与转运和存储等相关的基因），引发这些节律基因表达震荡紊乱，从而导致了肝脏中葡萄糖、甘油三脂和胆固醇显著累积（图2）。这些发现为揭示PCBs 等污染物诱发肝脏代谢性疾病的作用机制提供重要思路。
图2. PCB126干扰生物节律震荡并诱发糖脂代谢机制示意图
以上研究工作得到了中科院先导专项B、国家973项目和国家基金委项目的支持。
相关论文链接：
论文1：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02127
论文2：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b08604
论文3：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412019303435
2019-07-08
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刘振刚研究组在生物质基土壤重金属污染修复材料研究方面取得进展
中科院生态环境研究中心刘振刚研究组在生物质基土壤重金属污染修复材料研究方面取得进展。相关研究成果发表在综合性学术期刊Science of the Total Environment(2019；685:1201-1208)和Bioresource Technology (2019；288:121593)。
土壤重金属污染是国内外主要关注的问题之一。目前，原位固定稳定化技术是重金属污染土壤修复主流技术，相比于其他治理技术，具有快速高效、运行成本低、适用性强等优点。为了实现大规模工程应用，筛选高效、低廉、无二次污染的固化稳定化材料是该技术的关键所在。生物质是唯一的可再生的碳材料来源，具有来源广泛、价格低廉、可再生及可生物降解等特性。目前，生物炭材料在重金属污染土壤生态修复中已开始进行工程化应用，但囿于生物炭固有属性以及缺乏生物炭重金属钝化机理研究导致其生态修复效果不理想。针对这种情况，刘振刚研究组开发了废弃生物质通过一步碱式水热法制备水热炭重金属固定稳定化材料的技术路线，制备的水热炭材料具有经济、高效、快速提升土壤肥力等特点。研究发现，水热炭材料对水体中重金属铅的吸附能力高达92.80 mg/g；水热炭材料对复合污染土壤中重金属具有超强的钝化能力，相对于传统生物炭土壤重金属钝化效率分别提升了95.1%(铅)and 64.4%(镉)；土壤中重金属铅和镉的生物毒性分别降低了54.0%和27.0%。重金属的钝化机理研究表明：水热炭材料对重金属的固定稳定化主要通过表面含氧官能团配位、表面沉淀及π电子配位作用实现；钝化机理定量分析表明其对重金属钝化贡献占比分别为62.12%，27.14% 和 10.74%。本研究对于生物质基炭材料的定向制备具有重要的理论指导作用；研究制备的水热炭材料在污染土壤修复方面具有重要的工程应用前景。
(A)
(B)
水热炭材料对于重金属的钝化机理。(A)：钝化机理示意图；(B)：定量计算结果。
STOTEN论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896971932861X
BITE论文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852419308235
固体废弃物处理与资源化实验室
2019年7月1日
2019-07-01
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生态环境中心揭示污水氮磷排放及其干预效应的全球热区和关键因子
近日，由中国科学院生态环境研究中心领衔，英国埃克塞特大学、美国密歇根大学、荷兰瓦赫宁根大学等参与的研究团队在污水氮磷排放管理方面取得重要突破，该研究从全球视角揭示了生活污水氮磷减排措施及其环境影响的时空异质性，为不同国家和地区的个体消费者、管理者以及决策者全方位参与氮磷点源污染控制与治理提供了科学的量化数据和关键信息，为社会经济与生态环境协调发展提供科学支持。这一成果以《污水氮磷减排的影响热区将随人口发展与饮食习惯改变而发生全球规模转移》（Impact hotspots of reduced nutrient discharge shift across the globe with population and dietary changes）为题发表在6月14日的国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。
近半个多世纪，随着人口和社会经济的快速发展，污水排放已成为水体富营养化和水生态退化的一个关键因素。目前，各国主要通过完善污水收集处理以及提高污水排放标准进行氮磷点源排放控制。然而，极少有科学家和管理者关注氮磷排放干预措施的环境影响。有研究指出，污水强化脱氮除磷产生的高能耗、高药剂及衍生污染很可能会对大气或陆地系统造成看似无关的负面影响。水、大气与陆地生态系统是一个相互影响的联动体系；在一定条件下，当大气与陆地生态系统破坏到一定程度，也能诱发水污染。污水氮磷管理及其减排措施对生物地球化学过程及环境系统可持续性的影响亟待阐明。但是，解决这一关键科学问题尚缺乏能够从系统集成角度出发、且基于技术、空间和时间维度互馈的科学评估方法。
对此，研究团队开发出能够深度融合人口发展、城市化、饮食习惯、水与卫生基础设施发展水平等关键社会、经济、技术、环境数据的综合评估模型（IDEAS）；在此基础上，研究团队利用IDEAS模拟了1990–2050年五大洲173个国家污水收集与处理设施发展对减少氮磷点源排放的环境影响及效应。研究显示，污水设施建设与技术升级可有效减少氮磷进入淡水和沿海水体。但是，污水氮磷排放贡献呈现显著的时空异质性（图1），这主要由人口基数与人均氮磷排放水平的时空差异共同决定；其中，高人均氮磷排放水平与该区域（或时期）的高人均膳食蛋白摄入量、低卫生设施覆盖率、不完善的污水处理系统等因素相关。
文章还结合了地球环境容量阈值（planetary boundary）对污水基础设施发展的宏观环境影响及驱动因子进行系统评估（图2）。结果显示，从20世纪末到21世纪中叶，全球生活污水氮磷排放的重点区域正从东亚和中亚国家转向以西非等人口激增、膳食摄入量提高、而水与卫生设施落后为代表的欠发达地区和国家。与此同时，污水集中强化处理产生的能耗、药剂及衍生污染将导致污水氮磷排放的环境影响热区从水体富营养化转移到温室气体排放、气溶胶负荷升高、化学污染、水资源消耗、平流层臭氧耗竭和生物多样性流失等方面，其中，人口基数及其分布以及消费者饮食习惯是关键的驱动因子。
文章认为，污水氮磷排放格局的演变、氮磷减排措施的效应转移均将深刻影响污水处理行业的未来发展。目前实现污水氮磷有效减排且避免效应转移的可行方法是重构污水处理与管理体系，研发以氮磷回收利用为导向的污水处理绿色技术，构建有效减少衍生污染、降低环境影响的污水治理全系统调控策略。与此同时，文章呼吁通过多渠道引导消费者养成环境友好的饮食习惯和膳食结构。
中国科学院生态环境研究中心王旭副研究员是该论文的第一作者兼通讯作者。研究工作得到英国皇家学会牛顿学者基金、国家自然科学基金、北京市科技新星、北京市高创计划青年拔尖人才、中国科学院青年创新促进会等资助。
图1 生活污水氮磷排放的时空格局：（a）全球排放总量；（b）五大洲173个国家的氮磷排放量；（c）典型区域和国家的人均生活污水氮排放水平
图2 基于地球环境容量阈值的污水氮磷减排及其环境影响：
（a）全球尺度；（b）洲际尺度
论文信息：
Xu Wang*, Glen Daigger, Wim de Vries, Carolien Kroeze, Min Yang, Nan-Qi Ren, Junxin Liu, David Butler. Impact hotspots of reduced nutrient discharge shift across the globe with population and dietary change. Nature Communications, 2019, 10: 2627. DOI: 10.1038/s41467-019-10445-0
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10445-0
水污染控制实验室
环境水质学国家重点实验室
2019年6月14日
2019-06-14
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曹垒研究组在动物迁徙驱动机制研究方面取得重要进展
动物追随季节性资源迁徙，是自然界最为壮观的生物现象之一。迁徙的动物与途经区域的生物群落发生物质和能量交换，这是全球生态过程的重要组成部分，具有重要的生态系统服务功能。研究动物迁徙的驱动机制，对生态学基础研究，以及生态红线和自然保护区规划等国家战略都具有重要意义。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曹垒研究组和以色列希伯来大学Ran Nathan教授合作，在动物迁徙驱动机制研究方面取得重要进展，相关研究成果发表于综合性学术期刊《Nature Communications》。
“绿色波浪”假说是关于动物迁徙驱动机制的经典理论，认为食草动物的迁徙是由区域植物叶片生长的高峰驱动。但对该假说的研究和验证，仅涉及单一或少量的物种（或种群）、覆盖有限的地理范围、且使用无法排除共线性变量干扰的建模方法，故该假说的普适性一直没有定论。为系统地检验“绿色波浪”假说，该研究创新地引入了随机模拟方法、研究了欧洲、亚洲和北美洲的迁徙天鹅、雁类和鸭类，共10个物种、14种种群、222次春季迁徙（图1）。结果显示，“绿色波浪”仅能解释个别地区少量草食性种群的迁徙模式。研究表明，“绿色波浪”不是草食性水鸟春季迁徙的普遍驱动因素，迁徙屏障和人为干扰均对迁徙鸟类追随绿色波浪造成不利影响，这为迁徙鸟类的研究和保护提出了新思路。
图1. 研究所包含的物种、种群、迁徙停歇地及空间范围
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、中国生物多样性监测与研究网络的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09971-8
城市与区域生态国家重点实验室
2019年6月7日
2019-06-07
