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刘思金研究组在纳米材料的环境健康风险研究方面取得新进展
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纳米材料的环境健康风险评价与毒理机制方面取得新进展，相关研究成果近期陆续发表于ACS Nano (Xu, et al. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04906), ACS Applied Materials & Interfaces (Bai, et al. 2018, 10: 20368-20376), ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang, et al. 2018, 6: 10374-10384; b) Wang and Liu, 2018, 6:4164-4173), Nanoscale (Wu, et al. 2018, 10: 14637-14650), NPG Asia Materials (Qi and Liu, et al. 2018, 10: 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi, et al, 2018, 2: 222-232)。
纳米材料的环境健康风险与生物效应主要决定于材料自身的物理化学性质。如何系统全面的揭示纳米材料理化特性决定的环境健康风险，一直都是环境健康研究领域的前沿科学问题与挑战。为了回答这个科学问题，该课题组与德国汉堡大学Wolfgang J. Parak教授课题组开展了深入的合作研究，以金纳米颗粒（gold nanoparticles, AuNPs）作为研究模型，历经4年多的共同努力，在分子、细胞与动物水平上，考察了21种具备不同理化性质AuNPs的细胞毒性、与生物分子相互作用、蛋白冠形成、细胞吞噬和体内组织分布等生物作用行为的异同（图1）。基于大量的实验数据，创新性地运用统计学方法（hierarchical cluster analysis）寻找理化性质的决定机制和构效关系机制，发现众多的物理化学性质与环境条件等因素综合在一起决定了AuNPs的生物行为与效应，其中水合粒径与表面电荷的影响更显著（图1）。此发现为纳米材料的健康风险评估和毒性预测等相关研究提供重要的数据支持。相关成果发表于ACS Nano。同时，与合作伙伴一起利用计算模型揭示了纳米颗粒物与生物分子的相互作用机制，相关成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces。
图1. 21种具备多维度物理化学性质AuNPs生物行为与效应异同的聚类分析
目前，关于金属纳米材料（MNPs）的安全性评价仍存在诸多问题和挑战，如多数研究集中于MNPs所导致的某个单一毒性通路，而没有系统的考虑多种毒性通路的交互作用；而且多数研究采用高剂量暴露，不能有效的反映实际环境暴露条件下MNPs的健康风险。为此，本研究选择了多种MNPs（包括稀土纳米材料、纳米银、铁氧化物纳米材料、纳米氧化锌和纳米二氧化钛等），采用低剂量暴露，从多个角度系统的评价了MNPs对巨噬细胞的不良结局：细胞活力降低和死亡、氧化应激损伤、炎症反应、细胞膜/细胞骨架损伤和吞噬能力降低等，发现了不同MNPs诱发细胞不良结局和相关毒性通路的异同，并进行了系统的总结和归纳，如图2所示。相关研究成果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基础上，该课题组进一步发现了量子点等MNPs诱发胚胎发育毒性的分子作用机制，相关研究成果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。
图2. 金属纳米材料诱发巨噬细胞不良结局和相关毒性通路差异的示意图
作为极具应用前景的碳纳米材料，石墨烯类纳米材料在环境、生物医学和能源等领域得到越来越多的开发和应用。目前对于石墨烯类纳米材料的环境健康风险已展开了很多研究，但是对于此材料在环境介质和生物介质中的转化过程及此转化过程对其生物效应的影响了解甚少。为了揭示这个科学问题，该课题组系统的探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在环境介质和体内肺生物介质中的转化过程和毒性变化。该研究发现在环境介质中还原剂的作用下GO发生显著的还原并转化为还原态氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO与RGO具有不同的含氧官能团并表现出显著不同的赋存形态，最终导致对巨噬细胞产生显著差异的毒性效应（图3）。相关成果发表于Nanoscale。该课题组也揭示了GO在肺内生物介质中的转化过程与毒性及相关功能变化，研究成果发表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。
图3. 氧化石墨烯环境生物转化决定的毒性效应变化机制示意图
以上研究工作得到了973项目、中科院先导专项B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/acsnano.8b04906
论文2: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr02798f
论文3: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b01744
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2018年9月14日
2018-09-14
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俞文正课题组的研究成果受到美国科普网站Science Trends的报道
8月31日，美国知名科普网站Science Trends以“Complement Of Coagulation Mechanisms And Whether It Is Suitable To Use Coagulants In Lakes For Removing Phosphate”报道了生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室/中科院饮用水重点实验室分离净化与资源回收课题组的相关研究工作，该工作近日发表于Water Research期刊。
Science Trends网站作为国际知名科普网站，主要针对科学前沿论文进行报道，为各国科学家分享最新研究成果提供了重要平台。Science Trends以长摘要的形式报道分离净化与资源回收课题组的研究成果，说明该文对水处理领域中混凝机理的研究达到了一定的深度，充分肯定了该研究在混凝机理方面所做出的突出贡献。混凝机理的研究虽经过近百年的发展，但混凝过程中网捕卷扫的机理并未完全阐述清楚。
该研究主要从以下2个方面进行阐释，首先确认了混凝过程中混凝剂会先形成纳米颗粒，之后吸附水中的混凝剂-有机物络合物，形成稍大的纳米颗粒，并逐渐凝聚形成絮体，补充了混凝机理中有关网捕卷扫作用的认识。另外，这些纳米颗粒会逐渐从沉淀的絮体（沉积物）中脱离，游离到水中，从而造成水体的二次污染，这为传统的方式（投加混凝剂）去除水体中的磷及其他污染物提供了新的认识。
网站报道链接： https://sciencetrends.com/complement-of-coagulation-mechanisms-and-whether-it-is-suitable-to-use-coagulants-in-lakes-for-removing-phosphate/
期刊链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418305232
2018-09-04
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生态环境中心提出污水资源化的亲自然范式与数据驱动新方法
中国科学院生态环境研究中心在污水处理领域取得重要进展，提出了污水处理协同资源回收与末端利用的亲自然型范式，并开发了数据驱动的系统设计、过程模拟与前瞻评估一体化的研究新方法。这一成果发表在8月1日的Science Advances（《科学·进展》）上。
满足人类繁荣发展且维系生态系统健康是21世纪的全球性难题。未来人口与经济的迅猛发展必将给城市污水处理系统带来巨大挑战。面对水安全、复合污染、能源与资源危机等一系列问题，发展可持续的污水处理新模式受到了广泛关注。联合国2030年可持续发展目标，已明确将污水资源化纳入水与卫生设施发展纲要。为此，如何实现污水处理由污染物去除转变为能源与资源的深度回收与循环利用，是环境工程领域亟待解决的重要课题。
生态环境中心刘俊新研究组王旭副研究员领衔的由中国、英国、美国以及荷兰科学家组成的国际团队发展出了污水处理协同资源回收基础设施新范式REPURE（REuse the Pollutants from Used-water as REsource，图1）。该新范式取得如下突破：（1）以污水中有机碳为调控媒介，重构了生物合成与分解代谢过程中的物质流动和能量循环模式，同步实现了污染控制、资源回用与节能低碳等多元目标；（2）采用可持续科学替代以处理效能为核心的工艺研发理论；（3）利用土壤生态系统协同转化污水处理的衍生污染物，提高污染物的资源转化和利用效率。
在此基础上，研究团队深入挖掘并整合了水质特征、系统效能、物质迁移、能量分布以及环境影响等多层数据流（图2），开发了数据驱动的污水处理系统设计与模拟分析的可视化方法学。相比传统方法，数据驱动的新方法有利于全面认知耦合体系的内联性与复杂性，同时具备高效、省时与低成本等优点，为污水资源化新体系从概念发展到工艺设计与优化提供了一体式的科学方法。
近年来，研究团队围绕水系统与全球变化问题开展了一系列深入的创新工作，这是该团队继2015年在PNAS（《美国科学院院刊》）发表相关研究文章后取得的又一重要进展。2017年，团队中主要研究人员王旭副研究员凭借“大数据驱动污水资源管理新模式”成果，荣获 MIT Technology Review Innovators Under 35 China Award（《麻省理工科技评论》35位35岁以下科技创新中国青年奖）。
上述研究得到了英国皇家学会牛顿国际学者基金、国家自然科学基金、北京市科技新星、北京市委组织部青年拔尖人才、中国科学院青年创新促进会等资助。
图1
REPURE范式图示：污水有机物在碳源捕获系统（CRS）中得到富集后进入碳基转化系统（CCS）制备以乙酸为主的短链脂肪酸；转化后的碳源一部分进入污水处理系统（PTS）供以生物脱氮除磷。PTS系统制备的再生水用于土地浇灌，而PTS和CCS系统产生的生物污泥则进入资源回收系统（HRS）进行资源转化。大部分有机质在此转化为甲烷（CH4），其余则供以合成聚合物（PHA）。污水氮元素大部分在PTS系统中转化为氧化亚氮（N2O）并与CH4进行共燃烧产能，磷元素则以鸟粪石（Struvite）形式进行缓释肥制备。剩余污泥经焚烧发电后进行营养元素的土地利用。土壤生态系统将协同转化生物分解代谢产物二氧化碳，并促进营养元素的末端利用。
图2 基于概率模拟的多层数据流图示：（A）水质特征与系统效能，（B）物质迁移规律，（C）能量分布模式（能量收支）和（D）生命周期环境影响数据。
论文信息：
1.Xu Wang*, Glen Daigger, Duu-Jong Lee, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Jiuhui Qu, Gang Liu, David Butler (2018). Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature. Science Advances, 4: eaaq0210.
2.Xu Wang*, Perry McCarty, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Duu-Jong Lee, Han-Qing Yu, Yi Qian, Jiuhui Qu (2015). Probabilistic evaluation of integrating resource recovery into wastewater treatment to improve environmental sustainability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 112(5): 1630-1635.
论文链接1 (http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaaq0210)
论文链接2 (http://www.pnas.org/content/early/2015/01/14/1410715112)
水污染控制研究组
2018年8月2日
2018-08-01
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祝贵兵研究组在湿地岸边带氮循环领域取得系列进展
湿地岸边带作为连接内陆水体与陆地生态系统的交界面，不仅是氮循环反应的“热区”，亦是温室气体——氧化亚氮的高释放区。前期大量研究表明湿地岸边带系统能够有效拦截陆源污染和净化水体，但其微观机理仍不清楚。
课题组通过构建针对各氮循环反应微生物功能基因的高通量测序分析、同位素示踪技术等方法解析不同氮循环反应过程，对湿地岸边带系统各界面开展全面系统研究。目前已取得一系列研究进展，分别发表在土壤学、环境微生物学、环境科学与工程领域的TOP杂志，充分体现了多学科交叉的特点。分述如下：
（1）构建了针对厌氧氨氧化菌功能基因（hzsB基因）的高通量测序技术，并应用于青藏高原高海拔梯度厌氧氨氧化细菌的多样性和群落组成研究。结果显示在641米到5033米高度两种土壤类型中存在三种已知厌氧氨氧化菌属（Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia、Candidatus Kuenenia）。其多样性、群落组成和丰度并未显示出显著的海拔效应，而旱地土壤比湿地土壤具有更高的厌氧氨氧化菌多样性。研究成果发表于《MicrobiologyOpen》。
（2）旱地土壤氮气产生过程主要发生在20 cm以上表层土壤，与厌氧氨氧化、n-damo两种新型氮循环过程相比，反硝化是氮气产生主导过程（85.0-99.0%）。而在亚表层及深层土壤，则由厌氧氨氧化反应主导氮气产生过程（65.4-79.4%）。研究成果发表于环境微生物学TOP期刊《Environmental Microbiology》。
（3）分析与厌氧氨氧化菌共存的菌种可知，新型产氮气过程硝酸盐型厌氧甲烷氧化菌n-damo零星分布于全球表层土壤和深层土壤（最深达63 m），表明旱地土壤不能为damo菌生长代谢提供良好的生境，因此局限了旱地土壤在全球CH4循环中的潜在作用，研究成果发表于土壤学TOP期刊《Soil Biology Biochemistry》。
（4）前期已知，好氧氨氧化过程可在多种环境中为厌氧氨氧化反应提供关键底物亚硝酸盐，对其执行菌种AOA和AOB的研究表明，被激活的AOB过程主导氨氧化过程，比细胞速率的提高是AOB速率提高的根本原因，关键执行菌属为Nitrosomonas，研究成果发表于环境科学与生态学权威期刊《Science of the Total Environment》。
（5）通过测定冬季和夏季湖泊岸边带的氧化亚氮产生速率以及反硝化微生物，来研究氧化亚氮产生的微生物机制。发现氧化亚氮生产者（nirS，nirK）和氧化氮还原者（nosZ clade I和nosZ clade II）在湖泊岸边带的分布具有显著的异质性。nirS和nosZ clade I 型反硝化作用在开阔水体沉积物（持续淹水区）中占优势。而在代表非持续淹水区的样品含有更多的nirK型反硝化菌和 nosZ clade II型反硝化菌。最终得出反硝化微生物的群落结构影响氧化亚氮产生速率。研究成果发表于环境科学与生态学权威期刊《Science of the Total Environment》。
（6）为了改善大型湖泊富营养化状况，发挥岸边带在氮素去除过程中的“热区”作用，我们调查了氮循环主要过程微生物在岸边带和开阔水体中的分布差异。结果显示在巢湖岸边带，不同氮循环微生物群落的结构与分布受到不同环境因子的影响。氨氧化古菌（AOA）和厌氧氨氧化细菌的分布呈现明显的空间异质性；反硝化细菌和DNRA细菌主要受到温度的影响；氨氧化细菌（AOB）丰度受到空间和温度的双重影响，并且在岸边带和开阔水体由不同属主导。研究成果发表于土壤学权威期刊《Journal of Soils and Sediments》。
（7）首次在实际生态工程中，人为构建并强化了110公顷的厌氧氨氧化热区工程。结果表明，嘉兴石臼漾湿地的小沟岸边带系统不仅是厌氧氨氧化的热区，还是各个氮循环过程的热区，同时达到温室气体N2O减排的效果。该研究是前期自然生态系统厌氧氨氧化热区研究成果的成功实例，可为水污染高效低耗的生态治理提供更加有效的技术支持。本成果发表于环境科学与工程TOP期刊《Environmental Science & Technology》。
（8）基于前期对自然生态系统厌氧氨氧化的研究基础，我们成功富集了颗粒化厌氧氨氧化团聚体，首次筛选出兼具高厌氧氨氧化活性、高生物稳定性和低温室气体N2O释放等优点的优势团聚体，同时深入剖析该团聚体的优势成因。通过高通量对N2O的生成和消耗基因的研究表明，不完全反硝化和不充足碳源是厌氧氨氧化团聚体产生N2O的主要原因。本成果发表于水处理领域TOP期刊《Water Research》。
文章列表：
Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Yixiao Li, Linjie Zhuang, Siyan Zhao, Cheng Wang, Marcel M.M. Kuypers, Mike S.M. Jetten, Yongguan Zhu*, Microbial pathways for nitrogen loss in an upland soil. Environmental Microbiology. 2018. 20(5): 1723-1738.
Guibing Zhu*, Mengzi Wang, Yixiao Li, Yu Wang, Hexin Fei, Shanyun Wang, Denitrifying anaerobic methane oxidizing in global upland soil: Spordic and non-continuous distribution with low influence. Soil Biology and Biochemistry. 2018. 119: 90-100.
Siyan Zhao#, Linjie Zhuang#, Cheng Wang, Yifei Li, Shanyun Wang, Guibing Zhu*. High-throughput analysis of anammox bacteria in wetland and dryland soils along the altitudinal gradient in qinghai–tibet plateau. Microbiologyopen. 2018. 7(2), e00556.
Shanyun Wang#, Weidong Wang#, Lu Liu, Linjie Zhuang, Siyan Zhao, Yu Su, Yixiao Li, Mengzi Wang, Cheng Wang, Liya Xu, Guibing Zhu*, Microbial nitrogen cycle hotspots in the plant-bed/ditch system of a constructed wetland with N2O mitigation. Environmental Science & Technology. 2018. 52(11): 6226-6236
Yu Su#, Weidong Wang#, Di Wu, Wei Huang, Mengzi Wang, Guibing Zhu*. Stimulating ammonia oxidizing bacteria (AOB) activity drives the ammonium oxidation rate in a constructed wetland (CW). Science of the Total Environment. 2018. 624: 87-95.
Siyan Zhao#, Qing Wang, Jiemin Zhou, Dongdan Yuan, Guibing Zhu*. Linking abundance and community of microbial N2O-producers and N2O-reducers with enzymatic N2O production potential in a riparian zone. Science of the Total Environment. 2018. 642: 1090-1099.
Weidong Wang#, Weiyue Liu, Di Wu, Xiaoxia Wang, Guibing Zhu*. (2018) Differentiation of nitrogen and microbial community in the littoral and limnetic sediments of a large shallow eutrophic lake (Chaohu Lake, China). Journal of Soils and Sediments. 2018. DOI : 10.1007/s11368-018-2090-4
Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Bin Ma, Xiaoxia Wang, Jiemin Zhou, Ruiping Liu. Anammox granular sludge in low-ammonium sewage treatment: not bigger size driving better performance. Water Research. 2018. 142: 147-158.
2018-07-24
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郭良宏研究组在多溴联苯醚内分泌干扰效应的机制研究中取得新进展
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郭良宏研究组在多溴联苯醚 (PBDEs) 内分泌干扰效应的机制研究中取得新进展，相关成果近日发表于国际著名的环境健康科学期刊Environmental Health Perspectives (Cao et al. 2018)。
PBDEs是一类在日常生活中广泛使用的溴代阻燃剂。环境流行病学研究揭示了人体PBDEs暴露与内分泌系统不良健康效应之间的密切相关性。动物实验表明PBDEs暴露可以导致甲状腺激素和雌激素相关的功能受到影响。然而，目前对于PBDEs产生内分泌干扰效应的毒性机制还不明确，对PBDEs在生物体内的作用靶分子、分子起始事件 (MIE) 和有害结局通路 (AOP) 还未完全揭示。
郭良宏研究组针对PBDEs的环境健康问题，从分子作用、细胞效应、细胞功能、计算模拟等不同层面，对PBDEs内分泌干扰的毒性机制进行了长期、系统的研究。针对甲状腺激素系统，该组研究了PBDEs的羟基化代谢产物OH-PBDEs与三种甲状腺激素转运蛋白 HSA，TTR和TBG的结合反应，以此评估了污染物对体内甲状腺激素转运的潜在干扰效应 (Environ Sci Technol., 2012; J Am Soc Mass Spectrom., 2014)。还研究了OH-PBDEs与甲状腺激素核受体TR的结合反应，在细胞内对TR介导信号通路的激活效应，证实其可能通过激活TR对甲状腺系统产生干扰效应 (Toxicol Appl Pharmacol., 2013)。针对雌激素系统，该组研究了OH-PBDEs与雌激素核受体ER的结合反应，及在细胞内对ER信号通路的激活效应，揭示了OH-PBDEs可能通过激活ER产生雌激素干扰效应 (Toxicology, 2013)。
近期，该研究组在OH-PBDEs导致雌激素干扰效应的分子机制研究取得进展。以往的研究发现OH-PBDEs与ER的结合能力比内源性雌激素E2低几个数量级，所以激活ER可能不是其产生雌激素效应的主要途径。郭良宏组近期的研究工作首次发现OH-PBDEs能够与雌激素膜受体GPER结合，并激活GPER介导的信号通路，进而导致其所调控的细胞迁移功能的改变。实验结果证实OH-PBDEs可通过GPER介导的非基因通路产生快速的雌激素效应，而且产生效应的浓度比ER基因通路低100倍，最低浓度达到100 nM，与人体实际暴露水平接近。因此，GPER信号通路可能是OH-PBDEs在活体上产生雌激素效应的主要途径。
以上研究工作得到了中国科学院先导专项B和国家基金委项目的资助。
论文链接：
1. Environmental Health Perspectives, 2018:
https://ehp.niehs.nih.gov/ehp2387/
2. Environmental Science & Technology, 2012:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es2046074
3. Journal of American Society for Mass Spectrometry, 2014:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387380613003746
4. Toxicology & Applied Pharmacology, 2013:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0041008X13000550?via%3Dihub
5. Toxicology, 2013:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0300483X13000826
OH-PBDEs通过GPER通路产生雌激素干扰效应
2018-07-12
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土壤分子生态学研究组在环境抗性组学研究中取得重要进展
从弗莱明发现青霉素开始，抗生素的使用挽救了世界上成千上万人的生命。然而近年来，抗生素的环境效应引发了越来越多的关注——因抗生素滥用导致抗生素抗性基因（ARGs）在环境中累积并威胁公共健康，尤以养殖场、农田、河流等受人类活动影响较大的环境最为典型。事实上，在抗生素被人类使用之前，自然界中生物来源的抗生素一直对环境微生物进行着长期驯化，微生物的耐药性在天然环境中也早已广泛存在。其中，土壤作为一个与人类关系极为密切的生态系统和抗性基因的重要来源，是抗生素环境效应形成的主要场所，但我们对大尺度上天然环境中ARGs的基础背景值及其驱动机制仍然知之甚少。通过对我国从海南到漠河、跨域了近4000公里典型森林生态系统的调查研究，贺纪正等发现这些自然土壤中广泛存在着8个大类共计160余种抗性基因；ARGs的多样性与细菌多样性、草本植物多样性以及可移动遗传原件MEGs的多样性显著相关，其组成也与细菌和草本植物的群落组成密切相关。在考虑空间、气候和土壤等因素的条件下，土壤细菌和草本植物的群落对于ARGs地理格局的形成具有非常重要的影响。该研究揭示了地上地下群落的相互作用对森林生态系统中土壤抗性组大尺度分布格局的影响，对研究环境抗性组学的起源及其演变具有重要科学意义。
研究成果(Diversity of herbaceous plants and bacterial communities regulates soil resistome across forest biomes）近期发表于环境微生物领域主流杂志Environmental Microbiology。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）等课题的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.14248
图1 抗生素抗性基因ARGs多样性与细菌(a)、草本植物(b)和可移动遗传原件MEGs(c)多样性及土壤pH之间的回归模型
2018-05-31
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傅伯杰团队研究揭示全球植被变绿长期趋势下植被生长减弱的现象
植被生长状况是理解生态系统结构和功能的基础，在气候持续变暖的背景下，全球植被生长状况如何是全球生态学关注的热点问题，目前最广泛接受的观点是20世纪80年代初以来全球植被生长增强（变绿）。 傅伯杰团队最新研究结果揭示了1982-2013年期间，被全球植被变绿的长期趋势所掩盖的植被生长减弱现象。这一研究启示了全球变暖背景下，生态系统的变化趋势具有不确定性，其时空动态变化特征需要引起重视，研究成果发表在遥感领域顶级学术期刊“Remote Sensing of Environment”上。
该研究利用遥感资料首次在全球尺度采用集合经验模态分解（EEMD）方法分析了1982-2013年植被生长状况的时空演化特征，并采用多种分段线性回归方法进行对比，分析发现：虽然全球植被在整个研究时段内以平均6.9*10-4 NDVI/年的速率增加（P< 0.001），但是其增速在20世纪90年代后已经放缓。三种方法均表明2010年全球植被生长增长速率降至80年代的一半以下， 90年代中期以来，植被变棕的速率和分布范围都出现了增加的趋势，这一现象在北半球中低纬度地区尤为明显。1982-2013年期间，全球植被显著变棕的区域增加了两倍以上。研究给出了全球不同纬度带、土地利用类型的植被生长趋势随时间的演变过程，并发现在所有土地利用类型和北半球所有纬度带中，植被变棕的区域均有增加。研究也提供了不同方法计算的植被生长趋势发生转折的时间。
该研究受到国家重点研发计划全球变化及应对重点专项和中科院重点前沿项目的资助。
文章链接：https://authors.elsevier.com/a/1X6bY7qzSjUQy
图1 全球植被变化趋势图。其中（a）GIMMS NDVI1982-2013年间的长期趋势；(b)(c)(d)分别是由EEMD和2种分段线性方法得到的非线性趋势。其中‘G to g’, ‘G to b’, ‘B to g’, ‘B to b’ and ‘Nonsig’分别表示持续变绿，由变绿转为变棕，由变棕转为变绿，持续变棕和不显著变化等5种类型。
城市与区域生态国家重点实验室
2018年5月28日
2018-05-29
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研究表明中国重大生态工程发挥了巨大固碳效应
由中国科学院生态环境研究中心、中国科学院沈阳应用生态所、水土保持研究所、武汉植物园、地理科学与资源研究所、遗传发育所等单位承担的中科院战略性科技先导专项“国家重大生态工程固碳量评价”项目的最新研究结果揭示，我国所实施的重大生态工程显著提升了工程区域碳储量和碳汇功能，发挥了巨大固碳效应。这一研究发表在4月17日的美国科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上。
世纪之交，我国启动实施了天然林资源保护、退耕还林（草）、“三北”防护林体系建设（四期）、长江及珠江防护林体系建设（二期）、京津风沙源治理及退牧还草等重大生态工程。然而，工程区内生态系统碳储量动态及工程固碳增汇效应尚未得到系统全面的阐明。项目组系统分析了6项重大生态工程边界内外生态系统碳密度时空格局变化，研究表明：自2000年至2010年，6项重大生态工程实施对生态系统碳储量和固碳能力提升发挥了重要作用，重大生态工程区内生态系统碳储量增加达到1.5PgC，年均碳汇功能达到132 TgC/年，抵消了同期我国化石燃料燃烧CO2排放的9.4%。其中天然林资源保护工程、退牧还草、三北防护林体系工程（四期）、京津风沙源治理工程、退耕还林工程、长江及珠江防护林体系建设（二期）的生态系统碳汇分别达到68.4、15.5、12.4、5.2、24.6和5.9 TgC/年。以上重大生态工程区生态系统碳汇的56%（74TgC/年）可直接归因于重大生态工程的实施；其中天然林资源保护、退牧还草、三北防护林体系建设（四期）、京津风沙源治理、退耕还林（草）、长江及珠江防护林体系建设（二期）工程的实施，增汇效应分别为14.0、14.7、12.0、7.0、18.0和8.3 TgC/年。由此可见，我国在人为通过陆地生态系统固碳抵消化石燃料燃烧排放方面做出了卓越贡献；同时也表明我国在积极参与全球环境治理，落实CO2减排承诺方面所采取的重要举措。
该研究得到了中国科学院战略性科技先导专项和中国科学院青年创新促进会等的支持。 论文第一作者是城市与区域生态国家重点实验室逯非副研究员。
文章链接：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1700294115
城市与区域生态国家重点实验室
2018年4月18日
2018-04-18
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贺泓研究组在大气非均相化学和污染物催化净化领域取得系列重要进展
中国科学院生态环境研究中心贺泓院士研究组在硫酸盐新粒子生成机制、低温选择性催化氨氧化（NH3-SCO）和碳氢选择性催化还原（HC-SCR）氮氧化物方面取得新进展。相关研究成果于近期连续发表在催化领域著名杂志ACS catalysis上（2018,8, 3825；2018,8, 2670；2018, 8, 2699）。
硫酸盐作为大气细颗粒物的重要组分，与灰霾成因密切相关。近年来，关于大气中二氧化硫（SO2）向硫酸盐转化机制的研究成为国际大气化学领域的热点和前沿问题。然而，目前对于硫酸盐的生成机制还不十分清楚，现有模式严重低估其实际生成量，表明存在着巨大的未知源。本研究基于量子化学计算和红外光谱等技术发现黑碳气溶胶可以活化O2分子并催化SO2向硫酸盐的转化。该机制以空气中的O2作为氧化剂，不依赖于太阳光，可以在夜间进行，而且大气湿度的增加会进一步降低反应能垒、加速催化过程的进行。该研究揭示了硫酸盐二次粒子爆发增长的一个新的来源，为灰霾追因与控制提供理论基础。
氨气（NH3）主要来源于工业、农业、畜牧业以及交通运输业等方面。其存在不仅直接影响环境和人类健康，而且最近的研究表明氨气对我国灰霾的形成有重要的促进作用，因此对氨气的去除具有重要意义。本研究制备了两种以不同粒径（微米和纳米）氧化铝为载体的催化剂，并发现以纳米氧化铝为载体的催化剂（Ag/nano-Al2O3）具有更高的选择性催化氨氧化（NH3-SCO）活性，这是由于Ag/nano-Al2O3催化剂中Ag的粒径更小且具有更多的金属态银（AgNPs），同时含有更丰富的酸性位点，从而促进了氨的吸附和解离。该研究提出了较高的Ag0含量使得NH3持续解离成N2-中间产物，进而在O2的作用下转化成N2和N2O的N2-机理，理论计算结果也表明这种新的机理所需的活化能更低，因此Ag/nano-Al2O3催化剂的低温NH3-SCO活性更高。
银/氧化铝催化乙醇-SCR是最高效的HC-SCR组合之一，受到国内外学者的广泛研究。关于银/氧化铝催化乙醇-SCR的高效反应机理却存在争议。部分学者认为，乙醇部分氧化形成的乙酸盐具有高反应活性，是NOx还原的关键中间体物种。研究组前期通过in situ DRIFTS技术首先发现乙醇部分氧化过程中会产生大量表面烯醇式物种，这种物种具有比乙酸盐更高的反应活性。本研究进一步发现银/氧化铝催化乙醇-SCR还原NOx存在低温和高温两种反应机理，分别与乙醇部分氧化产物烯醇式物种和乙酸盐相关。在低温区，烯醇式物种具有远高于乙酸盐的反应活性，因此是低温反应机理的关键物种。在高温区，乙醇部分氧化只生成乙酸盐，因此乙酸盐是高温反应机理的关键物。在低温区，水蒸气促进烯醇式物种及NO2的生成，NO2反过来又促进烯醇式物种的生成，而且NO2具有更高的反应活性。水蒸气主导的这种烯醇式物种与NO2的协同作用最终增强乙醇-SCR的低温活性。该研究揭示了乙醇-SCR的反应机理及水蒸气的重要作用，为设计高效HC-SCR系统提供理论指导。
以上研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的支持。
相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.7b04195
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.7b03799
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.7b03886
大气污染控制中心
2018年4月4日
2018-04-04
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刘思金研究组在重金属等的细胞毒理机制方面取得进展
中国科学院生态环境研究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长链非编码RNA调控镉、砷化物和纳米银的细胞毒性方面取得新的进展。相关研究成果于近期发表于Cell Discovery (2018, 4:5)、Toxicology Letters (2017, 284: 195-204)和Biomaterials (2017, 130:14-27)。
重金属镉和砷是广泛存在于自然环境中的污染物，它们通过多种途径进入人体并造成健康危害效应。目前它们的毒理学机制研究主要集中在氧化应激、DNA损伤等方面，而表观遗传机制如长链非编码RNA是否参与调控其毒性了解很少。该研究组发现金属硫蛋白（metallothioneins, MTs）基因家族的一个长链非编码RNA成员MT1DP，在镉的暴露下呈时间和剂量依赖性增加，而MT1DP过去一致被认为是假基因或者垃圾基因，没有生物学功能。本研究发现MT1DP的诱导表达不可或缺的促进了镉诱发的肝细胞死亡。进一步的机制研究揭示，MT1DP与两个靶分子结合，一方面能够与RhoC蛋白相结合并阻止后者经自噬途径降解，最终导致RhoC蛋白含量增加并诱发钙通道的活化和促进胞内镉摄入，最终导致细胞加速走向死亡。另一方面，MT1DP还通过ceRNA（内源竞争RNA）机制与细胞凋亡蛋白MT1H竞争性地与miR-214结合，增加MT1H表达水平以增强镉诱发的细胞死亡效应（详见机制图1）。以上的工作发现了细胞内在的促进镉细胞毒性新机制，并为评价镉的健康危害效应提供新的可能的暴露与效应标志物，相关成果发表于Cell Discovery。该研究组也发现了一个长链非编码RNA—UCA1能够显著拮抗砷化物的肝细胞毒性，相关工作发表于Toxicology Letters。同时，该研究组还发现长链非编码RNA-ODRUL不可或缺的参与调控纳米银诱导的细胞毒性，相关的研究结果发表于Biomaterials。
这些研究工作得到了中科院先导专项B、国家基金委项目和国家973项目的支持
原文链接1: https://www.nature.com/articles/s41421-017-0005-y
原文链接2: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29248574
原文链接3: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28351005
图1 长链非编码RNA—MT1DP促进镉诱发细胞死亡的机制图
图2 长链非编码RNA—UCA1拮抗砷化物细胞毒性的机制图
图3 长链非编码RNA—ODRUL参与调控纳米银细胞毒性的机制图
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2018年2月5日
2018-02-05
