志存高远 励精图治开拓进取 务实创新
科研进展
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郑华研究组在生态系统服务权衡协调方法研究方面取得进展城市与区域生态国家重点实验室生态系统过程与服务研究组等在生态系统服务权衡协调方法研究方面取得重要进展。该研究定量揭示了热带地区橡胶生产与生态系统调节服务和生物多样性的权衡特征，构建了综合分析生态系统产品供给、调节服务、生物多样性和农户生计的方法，提出了区域尺度协调生态系统产品供给服务与调节服务权衡、实现作物生产与环境服务双赢的有效途径。相关研究成果发表在PNAS(ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica)和JES(JournalofEnvironmentalSciences)。生态系统为人类提供了一系列的产品（如：粮食、木材、工业原材料）和调节、文化服务（如：洪水调蓄、水质净化、休憩娱乐），支撑经济社会发展和生存环境条件。但生态系统的产品提供与调节、文化服务常存在权衡关系，导致生态系统管理往往面临两种困境：以牺牲生态系统调节和文化服务为代价，获得产品供给服务的提升；或者生态系统调节和文化服务的严格保护导致区域贫困化。如何通过科学有效的方法协调生态系统产品供给与调节、文化服务的权衡关系，是实现包容性增长和可持续发展的关键，也是国内外学者和生态系统管理者关注的焦点。该研究综合采用定位观测、生态系统服务评估模型、社会调查等手段，定量揭示了海南岛中部山区生态功能区1998-2017年橡胶生产对土壤保持、总氮保持、总磷保持、洪水调蓄、固碳等生态系统服务和热带森林生境的负面影响，建立了综合分析生态系统产品供给、调节服务、生物多样性和农户生计的方法，研究发现：尽管橡胶生产的增加损害了热带森林生境和生态系统调节服务，但采用统筹考虑自然与社会经济目标、发挥土地生态系统多功能属性的生态系统服务权衡协调方法，不仅能提高土壤保持、洪水调蓄、总氮保持、总磷保持等调节服务20%以上，而且能提高约一倍的农户收入，该方法还有助于应对由单一作物欠收和市场价格波动导致的农户生计脆弱性。该项研究表明：生态系统管理并不是必需要权衡产品供给与调节服务，基于生态学原理的农林复合生态系统管理，我们可以拥有高价值、高产量的生产系统，既保障农户生计，又支撑自然生态系统的重要功能。这一研究成果建立的综合分析生态系统产品供给、调节服务、生物多样性和农户生计的方法，对于南亚和东南亚地区定量揭示森林经营的双重效应、协调生态系统产品供给与调节服务关系具有广泛应用价值。研究提出的管理生态系统服务权衡的方法，也为广大人工林地区协调生态系统产品供给与调节服务关系提供了一种新的策略。基于研究组对生态系统服务权衡的长期研究，结合国内外已有研究进展，研究组系统疏理和总结了生态系统服务权衡协调途径（生态系统途径、景观途径、多目标优化、政策干预），并以综述形式发表在JournalofEnvironmentalSciences。该研究得到了国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项的支持。PNAS论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1819501116JES论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1001074219303481 城市与区域生态国家重点实验室2019年4月8日2019-04-08
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生态环境研究中心博士生发表Nature研究论文3月28日，国际顶级学术刊物《Nature》在线发表了关于乙烷厌氧生物氧化的研究论文"Anaerobicoxidationofethanebyarchaeafromamarinehydrocarbonseep"，首次报道了具有乙烷厌氧功能的古菌及其代谢途径。该研究由德国亥姆霍兹环境研究中心（UFZ）FlorinMusat团队、中国科学院生态环境研究中心朱永官团队和德国Max-Planck海洋微生物研究所FreidrichWiddel团队联合完成。中国科学院生态环境研究中心博士生陈松灿为第一作者，德国亥姆霍兹环境研究中心FlorinMusat为论文的通讯作者。天然气，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等气态烷烃，是海洋及陆地生态系统中有机碳库的重要组分，其形成和分解对地球环境和气候变化影响极大。在海洋及陆地环境中，天然气从岩层深部向上扩散至油气藏上部沉积物及土壤，是其间微生物重要的碳源及能源。甲烷厌氧氧化是海洋底泥及土壤中普遍存在的微生物过程。此外，近期的研究表明丙烷和丁烷等小分子烷烃也能在无氧条件下被古菌或者细菌氧化利用。相反，乙烷，作为天然气中第二丰富的烷烃，是否能够被微生物厌氧降解尚不明确。该研究通过富集培养、荧光原位杂交、宏基因组、宏蛋白组以及宏代谢组技术揭示了乙烷厌氧氧化古菌及其代谢机制。研究所用的共培养体系能够在硫酸盐还原条件下将乙烷完全氧化为二氧化碳。古菌为该富集体系的主导微生物菌群，作者将其命名为CandidatusArgoarchaeumethanivorans；Ca.Argoarchaeum基因组含有甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzymeMreductase，MCR）所有编码基因，且对应的基因表达产物在宏蛋白组中被检测。利用傅里叶回旋共振质谱以及液相色谱-质谱技术，该研究进一步确认了中间代谢产物乙基辅酶M（ethyl-coenzymeM）的存在。这些结果表明Ca.Argoarchaeum通过合成乙基辅酶M来催化乙烷的活化，与近期报道的Ca.Syntrophoarchaeum厌氧丁烷氧化的机制相似。宏蛋白质组学分析表明乙烷氧化生成的中间产物乙酰辅酶A通过WoodLjungdahl途径被氧化为二氧化碳。Ca.Argoarchaeum及其功能基因在深海天然气渗漏环境中广泛分布，暗示Ca.Argoarchaeum所介导的乙烷氧化可能是海洋环境中气态烷烃生物降解的重要途径。该研究团队长期致力于气态烷烃厌氧氧化的研究，并取得系列重要的成果和进展，包括在世界上率先分离培养了具有丙烷和丁烷降解功能的硫还原细菌Desulfosarcinasp.BuS5（Nature，2007）；报道了嗜热丁烷氧化古菌Ca.Syntrophoarchaeumbutanivorans及其代谢途径（Nature，2016）。本研究首次发现了乙烷厌氧氧化古菌，填补了长期以来科学界对气态烷烃厌氧氧化过程认识上的空白，拓展了人们对MCR酶功能特异性的理解，开启了对土壤环境（如湿地和稻田等）中烷烃厌氧过程的新探索。同时，该研究能够为减少小分子烷烃的大气排放提供新的思路，也可为开发油气藏微生物勘探技术提供科学依据和方向。本项目研究得到了中国科学院战略性先导专项B（XDB15020302和XDB15020402）的资助。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1063-0城市与区域生态国家重点实验室土壤环境科学与技术实验室2019年3月28日2019-03-28
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刘思金研究组在金属代谢异常与毒性的研究中取得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员课题组与山东大学闫兵教授及美国加州大学洛杉矶分校TomasGanz教授等合作，最近在金属代谢异常与毒性的研究中取得多项进展，相关研究成果发表于Haematologica（LiuandLiu,etal.2019,doi:10.3324/haematol.2018.209874），AdvancedScience（Song,etal.2018;5:1800866），AmericanJournalofHematology（Guo,etal.2019;94:184-8）和JournalofTraceElementsinMedicineandBiology（Li,etal.2019;52:232-8）。铁是生命活动必需的微量元素。环境和遗传因素单独或相互作用可以导致铁代谢紊乱，引发贫血和铁负荷等多种疾病。血色素沉着病和地中海贫血是典型的铁负荷疾病。目前针对这些铁负荷疾病主要采用去铁、输血和脾切除等治疗手段，但这些治疗手段有诸多局限性，严重影响了治疗效果，迫切需要寻找新的药物。铁调素（Hepcidin）作为机体内调节铁代谢的最主要激素，其主要的生物学功能是通过与其受体（Ferroportin）结合来实现，升高Hepcidin表达水平被认为是有效改善铁负荷的潜在治疗靶点。本课题组通过国内外合作寻找Hepcidin的激活剂，通过筛选210个噻唑烷酮类化合物的文库，发现了3个有效刺激Hepcidin表达的激活剂。通过Hepcidin缺失小鼠模型，明确了3个化合物的作用靶点为肝脏的Hepcidin表达。以血色素沉着病（Hfe-/-）小鼠为模型，证实了这些化合物能够显著降低小鼠肝脏的铁负荷。同时，以地中海贫血（Hbbth3/+）小鼠为模型，证实这些化合物既能够降低组织的铁负荷，也能够改善了小鼠的贫血。机制研究证实，这些化合物主要通过抑制TMPRSS6和P-ERK来刺激Hepcidin表达（图1）。相关成果在线发表于Haematologica。图1.噻唑烷酮类化合物增加Hepcidin表达来阻止铁负荷与改善贫血 目前对于铁负荷状态下肝脏不同区域铁沉积的特征和程度知之甚少。该课题组发现，肝脏中铁呈现不均匀分布，在肝门静脉和肝动脉入口附近区域具有较高的铁含量；而在靠近肝脏远端的边缘区域铁含量显著降低（图2）。铁积累较多的区域对体内铁水平的变化更加敏感。机制研究发现，肝脏各个区域铁分布的差异主要由Hepcidin-Ferroportin轴所决定。研究成果发表于AdvancedScience。图2.肝脏中铁的累积分布呈现显著的区域差异 另外，该课题组发现了正常与异常妊娠条件下Hepcidin的变化规律。也证实了一种新的铁螯合剂—去铁胺-咖啡因二聚体（DFCAF）具有更高的去铁效果。与单独的去铁胺（DFO）相比，DFCAF的细胞渗透性更强，更高效的螯合胞内铁，从而抑制肿瘤细胞的生长和运动/侵袭。更重要的是，DFCAF能够显著清除肿瘤干细胞（CSC），减少CD44+/high/CD24-/low和ALDH+/high的细胞亚群。这些研究成果对于揭示正常与疾病状态下的铁代谢机制提供了新的认识。研究成果分别发表于AmericanJournalofHematology和JournalofTraceElementsinMedicineandBiology。以上研究工作得到了中科院先导专项B和国家基金委项目的支持。论文链接1：http://www.haematologica.org/content/early/2019/02/15/haematol.2018.209874论文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201800866论文链接3：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ajh.25341论文链接4：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30732888 环境化学与生态毒理学国家重点实验室2019年2月22日2019-02-22
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傅伯杰团队在地球关键带研究方面取得系列重要进展地球关键带(Criticalzone)研究是美国国家研究理事会在2001年提出的21世纪地球系统科学前沿方向，孕育着重大发展机遇。据最初的界定，地球关键带就是地球近地表的异质性环境，包括陆地表层、河流湖泊、海岸带及近海海域等，是人类生息和活动的主要空间，因其在功能上很关键，所以称其为“地球关键带”。然而，截至目前，关键带研究发展的最显著特征，是在全球范围内初步建立了观测台站网络体系，基于台站观测形成了大量关于局地关键带结构、过程、演化和模拟等方面的研究成果，在垂直方向上限于植被冠层到地下水含水层的层次，水平方向主要限于100km2以下的观测研究范围。所以，既往的研究对关键带功能和区域以上大尺度空间异质性等问题缺乏足够的重视，尚不能很好地服务于关键带可持续发展与管理的社会需求。傅伯杰团队瞄准这一学科发展的薄弱环节进行了系统探索。面向关键带可持续性的科技需求，提出：1）要拓展关键带的边界和研究维度；2）关键带的生态环境服务应该作为核心科学议题纳入研究体系；3）加强与管理决策相关的时间尺度下的深度耦合研究，包括结构-过程-功能-服务的耦合及多学科的交叉与集成；4）将景观多功能性的研究和关键带研究相结合。而区域关键带空间异质性和类型学的研究可以作为推进上述研究的重要途径。进而，他们以我国黄土高原地区为例，构建了区域关键带类型划分的指标体系和方法框架，将全区划分出了8类关键带系统，这种系统划分对于关键带空间格局的认识、不同关键带之间相互作用及优化关键带观测网络布局具有重要意义。上述研究成果得到了国家自然科学基金委员会中英关键带重大国际合作项目的支持（资助号：41571130083），相关论文发表在EnvironmentalScience&Technology和NationalScienceReview上。系列文章链接如下。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.7b02677https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy003/4794955https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy147/52101062019-01-17
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“一万年不久”—祝贵兵研究组在厌氧氨氧化菌的复苏方面取得进展“一万年太久，只争朝夕”，一万年对于人类社会非常久远，而对于微生物则不然。厌氧氨氧化细菌栖息在缺氧的海洋中，它们对全球氮循环有重要贡献。目前已探明，海洋系统中厌氧氨氧化反应对氮的流失贡献量占30-50%，但是在陆地生态系统中厌氧氨氧化反应是否也发挥重要作用，尚不明确。祝贵兵研究员团队此前的研究已经表明，在我国陆地水生态系统中，发生着长期被忽略却又无处不在的厌氧氨氧化过程。但在陆地其他生态系统中，包括森林、草地和荒漠等均没有检测到广泛分布的厌氧氨氧化过程。课题组在北澧河农田生态系统的研究中发现，垂向的旱地土壤，在含水率较高的深度可以检测到厌氧氨氧化反应的发生。因此，我们推测陆地生态系统也广泛存在厌氧氨氧化菌，而水是诱导厌氧氨氧化发生的关键因素。该成果发表于《EnvironmentalMicrobiology》。水是地球生命所必需的，也是微生物能量和代谢的重要介质。休眠是在不利环境下维持低代谢活性的状态。许多微生物在缺水之后会转变为代谢不活跃状态，一旦环境条件变得有利就会恢复。中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究员团队从干旱环境（0-63米）中选择了非常古老的土壤，不加任何其他底物，只在加水培养的条件下，恢复了旱地生态系统中休眠了一万年以上的厌氧氨氧化细菌的活性。同位素示踪分析表明，水诱导硝酸盐还原，生成足够的亚硝酸盐作为底物用于激活厌氧氨氧化菌的能量。随后，硝酸盐异化还原过程(DNRA)为厌氧氨氧化菌提供了底物铵。从而生成的铵和亚硝酸盐可以反应生成氮气。高通量测序和网络分析表明，Brocadia是厌氧氨氧化菌的优势菌种。Jettenia种属连接其他群落菌群。这项研究工作的重要意义在于，只用加水的培养方法，成功复苏了休眠了长达一万年以上的旱地土壤中的厌氧氨氧化菌。由此推测，在全球气候变化的影响下，降水增加，土壤水分增加可复活干旱土壤中休眠的厌氧氨氧化菌，从而影响全球氮和碳循环。该成果发表于国际微生物生态学的权威杂志《TheISMEJournal》。图1在土壤和风化层深度6-9米（I），18-21米（II），45-48米（III），51-54米（IV），水诱导的Anammox细菌丰度（灰色柱），活性（星状图例），群落组成（饼图）和基质浓度（黑色或红色线），左侧为土壤/风化层演替。“ND”表示厌氧氨氧化物丰度低于检测限（10,000yearsofdormancy.TheISMEJournal.https://doi.org/10.1038/s41396-018-0316-52.GuibingZhu*,ShanyunWang,YixiaoLi,LinjieZhuang,SiyanZhao,ChengWang,MarcelM.M.Kuypers,MikeS.M.Jetten,YongguanZhu*.Microbialpathwaysfornitrogenlossinanuplandsoil.EnvironmentalMicrobiology.2018.20(5):1723-1738. 中国科学院饮用水科学与技术重点实验室2018年12月5日2018-12-05
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我国学者在氮氧化物选择性催化还原研究领域取得重要进展在国家自然科学基金重点项目（项目编号：21637005）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）在氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得重要进展。研究成果以“Polymericvanadylspeciesdeterminethelow-temperatureactivityofV-basedcatalystsfortheSCRofNOxwithNH3”（聚合态钒氧物种决定了钒基催化剂氨选择性催化还原氮氧化物的低温活性）为题，于2018年11月30日在ScienceAdvances（《科学进展》）上在线发表。论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau4637氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，参与形成酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列大气复合污染，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于电厂等固定源和机动车等移动源的燃烧排放。NH3-SCR是去除固定源和移动源NOx的主流技术，应用最为广泛的催化剂体系是钒基催化剂。但是，由于SCR反应的复杂性，目前对于钒基NH3-SCR的微观反应机理的认识仍不完全清楚。另一方面，由于高钒负载量催化剂具有催化SO2转化为SO3的副反应、钒氧化物具有生物毒性等问题，因此开发低钒负载量、且具有优异低温活性的新型钒基催化剂是目前SCR技术应用的迫切需求。贺泓院士团队借助量子化学计算方法从原子水平阐明了钒基SCR催化剂去除NOx的微观基元反应全过程（图1），明确了聚合态下钒物种间的耦合作用缩短了活性位再生的反应路径，并显著降低决速步能垒。理论和实验均证明低聚态钒氧物种的催化活性明显高于单体钒氧物种，是低温SCR去除NOx的活性位。在理论指导下，研究团队在实验上成功通过控制催化剂表面硫含量设计合成出了低聚态氧化钒活性中心结构，实现了在低钒负载量（1wt%）下低温SCR活性的显著提升（图2）。该研究成果已经成功应用于重型柴油车尾气净化的低钒高活性SCR催化剂开发和量产。图1NH3-SCR催化循环路径：（A）单体钒氧物种表面；（B）低聚态钒氧物种表面。 图2催化活性和催化剂结构表征：（A）硫含量对V2O5/TiO2催化剂SCR去除NOx催化活性的影响；（B）硫调控对催化剂钒氧物种结构的影响。 中国科学院生态环境研究中心2018年12月3日2018-12-03
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贺泓研究团队在氮氧化物选择性催化还原研究领域取得重要进展氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，参与形成酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列大气复合污染，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于电厂等固定源和机动车等移动源的燃烧排放。NH3-SCR是去除固定源和移动源NOx的主流技术，应用最为广泛的催化剂体系是钒基催化剂。但是，由于SCR反应的复杂性，目前对于钒基NH3-SCR的微观反应机理的认识仍不完全清楚。另一方面，由于高的钒负载量催化剂具有催化SO2转化为SO3的副反应、钒氧化物具有生物毒性等问题，因此开发低钒负载量、且具有优异低温活性的新型钒基催化剂是目前SCR技术应用的迫切需求。贺泓研究团队在氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得重要进展，研究成果近期发表于综合性学术刊物ScienceAdvances（Science子刊）上。该研究借助量子化学计算方法从原子水平阐明了钒基SCR催化剂去除NOx的微观基元反应全过程（图1），明确了聚合态下钒物种间的耦合作用缩短了活性位再生的反应路径，并显著降低决速步能垒。理论和实验均证明低聚态钒氧物种的催化活性明显高于单体钒氧物种，是低温SCR去除NOx的活性位。在理论指导下，研究团队在实验上成功通过控制催化剂表面硫含量设计合成出了低聚态氧化钒活性中心结构，实现了在低钒负载量（1wt.%）下低温SCR活性的显著提升（图2）。该研究成果已经成功应用于重型柴油车尾气净化的低钒高活性SCR催化剂开发和量产。该项研究得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的支持。论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau4637 图1NH3-SCR催化循环路径：（A）单体钒氧物种表面；（B）低聚态钒氧物种表面。 图2催化活性和催化剂结构表征：（A）硫含量对V2O5/TiO2催化剂SCR去除NOx催化活性的影响；（B）硫调控对催化剂钒氧物种结构的影响。 大气污染控制中心2018年12月3日2018-12-03
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陈保冬研究组在丛枝菌根真菌生物地理学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陈保冬研究组近期在丛枝菌根真菌生物地理学研究方面取得重要进展，相关研究结果发表在JournalofEcology（DOI:10.1111/1365-2745.13060）和EnvironmentalMicrobiologyReports（DOI:10.1111/1758-2229.12485）等国际学术期刊发表。丛枝菌根（arbuscularmycorrhiza，AM）真菌是自然生态系统中广泛分布的土壤真菌，能够与绝大多数陆地植物形成互惠共生体，帮助植物适应多种逆境胁迫，影响植物的种间关系和植物群落的物种多样性，对维系生态系统结构和功能的稳定性具有重要意义。AM真菌的地理分布格局及影响因素是目前微生物地理学研究的前沿和热点。陈保冬研究组为揭示全国典型生态系统AM真菌群落组成结构及其关键驱动因子，综合考虑了森林、灌丛、草地和荒漠四种生态类型，根据植被气候带按两条样线选取具有代表性样点，其中南北样线主要代表纬度（温度）变化，以不同森林生态系统为主；东西样线位于我国北方，主要代表经度（水分）变化，自东向西由草原向荒漠生态系统过渡。研究发现木本植物森林生态系统中AM真菌α和β多样性的纬度分异很大程度上取决于生态系统类型，且不同生态系统之间AM真菌群落的差异远大于同一生态系统类型中不同样点之间的差异。在草地和荒漠生态系统中，AM真菌群落组成的分异与植物群落组成密切相关，地理距离能够较大程度上解释AM真菌群落组成变化，是AM真菌系统发育格局的首要预测因子，表明AM真菌空间分布格局可能与扩散限制作用相关。这项工作是针对我国不同生态系统中AM真菌群落较为系统的研究之一，揭示了AM真菌在不同生境中的多样性及其生态分布规律，丰富和完善了AMF真菌生物地理学理论。该系列研究得到了全国生态环境十年变化遥感调查与评估专项、国家自然科学基金及国家重点研发计划的支持。 城市与区域生态国家重点实验室 2018年9月20日2018-09-20
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室发表综述论文讨论纳米材料的环境健康风险与纳米产业的可持续发展随着纳米技术的迅速发展和纳米材料的大量应用,纳米材料将不可避免地进入到环境中，从而通过多种暴露途径对人类健康产生很大风险（如图1所示）。因此，研究纳米材料的环境健康安全性（EHS）对于促进纳米技术及相关产业的可持续发展至关重要。近日，刘思金、吕永龙研究员与南开大学陈威教授等合作，针对纳米产业可持续发展中的环境暴露、环境健康风险和实验室的风险管控上升为产业规模的风险管理问题发表综述论文，相关综述在线发表于NanoToday(Liu,etal.2018,DOI:10.1016/j.nantod.2018.09.002)和EnvironmentalScience:Nano(Zhang,etal.2018,DOI:10.1039/C8EN00688A)。 图1.纳米材料的环境暴露与人群暴露风险示意图 论文作者针对纳米材料环境健康风险研究中存在的关键问题和面对的挑战，特别是纳米材料环境转化对纳米材料毒性和机制的影响进行了讨论。目前，尽管关于纳米材料的EHS研究已经取得了较大进展,但是仍然存在许多亟待解决的问题和挑战：1）多数研究没有关注纳米材料在实际环境中的转化和暴露剂量对其生物效应和毒性的影响。因此，在对纳米材料进行环境暴露和健康风险评估时，需要综合考虑其在现实环境中的转变、剂量以及与污染物的相互作用（如图2所示）。2）国际上还没有形成被广泛接受的针对纳米材料EHS的评估框架，而用于评估传统化学药品毒性的检测方法并不适用于纳米材料，因此，需要发展针对纳米材料EHS评估的新方法或者替代测试策略；例如，现有用于纳米材料表征的分析方法具有局限性,需要在原有基础上进行改进和创新，更好地识别、分离和表征复杂环境介质中的纳米材料；再比如，目前用于表征纳米毒理学的计算模型仍然存在着障碍和局限性，在识别纳米颗粒的组成和结构与其生物活性之间的关系上，欠缺用于多元分析、计算模拟和预测研究的模型，以指导人工纳米材料的安全设计；同时也需要考虑纳米材料进入环境介质和人体的实际情况，更好地选择合适的暴露模型以及确定选择性生物标志物，包括表观遗传替代物（如DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNAs和长时间非编码RNA）3）截至目前，纳米技术的发展缺乏对其在产业发展层面的风险管理；亟需在技术改进、政策制定、用户实践、基础设施和产业结构等方面采取一系列措施，促进实验室衍生的风险法规、标准和协议有效地转化到纳米产业发展的实际应用。如图3所示，作者进一步总结和更新了纳米材料环境健康风险评估的框架图。相关综述于近日在线发表于国际知名期刊NanoToday。 图2.纳米材料的环境过程对其理化性质、赋存状态及生物效应的影响示意图纳米材料进入环境介质后，在多种环境因素的作用下会发生物理、化学和生物转化，从而使其物理化学性质发生显著改变，这些变化最终会影响纳米材料的毒性（如图2所示）。因此，深入理解纳米材料环境转化相关的毒性效应对于预测纳米材料EHS至关重要。以高环境暴露风险的金属纳米材料为例，讨论了纳米材料的环境转化对生物体毒性的影响和可能机制。具体内容包括以下几个方面：1）金属纳米材料的环境转化可以发生在空气、土壤和水体等环境介质中。2）金属纳米材料与环境因子的作用可以改变其对环境中生物体和细胞的毒性效应，包括增强或减弱金属纳米材料的抗菌活性；改变金属纳米材料在陆地植物中的分布和蓄积情况；改变金属纳米材料对藻类、水生无脊椎动物、水生脊椎动物生存率、生长速率和胚胎发育的毒性。3）作用机制方面，环境转化引起的尺寸和表面化学性质的改变、离子释放率的改变，以及这些变化导致的生物有效性的改变是导致转化态金属纳米材料的毒性显著不同其原始态纳米材料的主要机制。同时，影响金属纳米材料与生物大分子（如蛋白分子）的作用以及对环境污染物的吸附作用也是环境转化改变金属纳米材料毒性效应的重要机制。上述一系列变化会进一步影响细胞对转化态金属纳米材料的识别、吸收、信号传递和反应，最终导致其毒性显著不同于原始态金属纳米材料。相关综述于近日在线发表于国际期刊EnvironmentalScience:Nano(2018,DOI:10.1039/C8EN00688A)。本论文的第一作者是博士研究生张洁。 图3.纳米材料环境健康风险评估的框架图 该研究得到了中科院先导专项B、科技部973项目、国家自然科学基金委的支持。 文章链接1：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2018.09.002 文章链接2：http://dx.doi.org/10.1039/C8EN00688A 环境化学与生态毒理学国家重点实验室 2018年9月19日2018-09-19 -
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ACSNano(Xu,etal.2018,DOI:10.1021/acsnano.8b04906),ACSAppliedMaterials&Interfaces(Bai,etal.2018,10:20368-20376),ACSSustainableChemistry&Engineering(a)Zhang,etal.2018,6:10374-10384;b)WangandLiu,2018,6:4164-4173),Nanoscale(Wu,etal.2018,10:14637-14650),NPGAsiaMaterials(QiandLiu,etal.2018,10:385-396)和Nanotheranostics(LiuandQi,etal,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WolfgangJ.Parak教授课题组开展了深入的合作研究，以金纳米颗粒（goldnanoparticles,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（hierarchicalclusteranalysis）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ACSNano。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ACSAppliedMaterials&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ACSSustainableChemistry&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ACSSustainableChemistry&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（grapheneoxide，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（reducedgrapheneoxide，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NPGAsiaMaterials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