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环境水质学国家重点实验室俞文正研究组NC：中国草地土壤溶解性有机质的空间特征和环境功能
中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室俞文正研究组在土壤溶解性有机质环境效应方面取得重要进展，相关成果以“Spatial patterns and environmental functions of dissolved organic matter in grassland soils of China”为题，发表于Nature Communications期刊。土壤溶解有机质（DOM）是土壤生态系统中最易变和流动性最强的有机碳组分，其与生态系统碳循环、水环境乃至饮用水密切关联。草地土壤约占中国国土面积的40%，在全国尺度草地土壤溶解有机质的地球化学特征及其潜在环境影响目前尚不清楚。本研究从中国 30 个省份采集了共 89 个旱季草地土壤样本，并对DOM的数量、分子组成及消毒副产物生成势进行了分析。研究结果发现草地土壤是巨大的DOM库，但中国南北地区草地土壤的DOM 地球化学性质存在差异（图1）。南方地区蛋白类组分 (Protein-like) 和小分子组分 (<1.2 kDa) 的比例高于北方地区；北方地区腐殖酸类组分（Humic-like）和大分子组分 （3.4-25 kDa）的比例高于南方地区；而西部地区，尤其是亚洲水塔区域（青藏高原），DOM具有较高的氯反应活性。图1. 中国草地土壤溶解性有机质的组成差异中国南北地区草地土壤DOM在当地生态系统和环境过程中扮演不同的角色（图2）。3.4-25 kDa 和腐殖类组分与土壤呼吸作用和生态系统净生产力呈负相关，在中国北方有助于抑制碳排放并保留生态系统生产力，而1.2 kDa 和蛋白质类组分在中国南方地区作用与之相反。回归分析和偏最小二乘路径模型结果表明，低分子量和蛋白类组分与当地鼻咽癌发病率和死亡率存在显著的统计相关性（P < 0.01），而高分子量和腐殖类组分与胰腺癌发病率和死亡率存在显著的统计相关性（P < 0.05）。而且，草地土壤DOM的分子组成与当地饮用水水水质存在显著相关性，因而土壤DOM可能通过饮用水与人体健康产生联系。需要指出的是，本研究仅强调土壤DOM与人体健康的潜在关系，不能由此推断其是致病因子。图2. 溶解有机质的组成与生态系统交换和人类健康之间的联系本研究构建了土壤-水源水-饮用水/人类健康间的联系，为了解土壤 DOM 对当地和下游水环境及饮用水安全的潜在影响提供了新视角。从可持续发展的角度出发，本研究呼吁应通过生态管理或工程措施最大限度地减少土壤 DOM 在更广泛的生态系统和过程中的不利影响，包括采用针对性的工艺去除相关的有害化合物以及防止有害产物（如消毒副产物）的产生。此外，DOM与癌症病例之间的联系有助于进一步识别环境中对人体健康不利的风险因子。该论文的第一作者为直博生周鹏，通讯作者为俞文正研究员、耶鲁大学Menachem Elimelech教授和厦门大学吕永龙教授。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50745-8环境水质学国家重点实验室2024年7月30日<!--!doctype-->
2024-07-30
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经典论文解读: 一种测量土壤微生物生物量碳的提取方法
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。一种测量土壤微生物生物量碳的提取方法解读人：肖可青 李心男作者：E. D. Vance, P. C. Brookes, D. S. Jenkinson文章标题：An extraction method for measuring soil microbial biomass C文献来源：Soil Biology and Biochemistry被引次数：10856次（Web of Science）；13621次（Google Scholar）研究背景土壤微生物生物量碳是衡量土壤健康和肥力的关键指标，对于理解土壤生态系统功能和过程并指导土壤管理至关重要。然而，传统氯仿（CHCl3）熏蒸-培养法因操作复杂、耗时且对土壤条件敏感，尤其在强酸性土壤中效果受限。因此，开发简便可靠的测量方法成为研究热点。熏蒸-提取法通过提取土壤有机碳来估算微生物生物量碳，具有操作简便、适用不同土壤类型的优势。本文旨在验证提取法在多种土壤类型中的适用性，特别是其在强酸性土壤中的有效性，通过与熏蒸-培养法的比较，评估其准确性和可靠性。研究思路及核心发现研究思路本文研究了CHCl3熏蒸-提取法测量土壤微生物生物量碳的有效性，通过比较十种不同pH值土壤样本在CHCl3熏蒸前后的有机碳变化，验证了该方法与传统熏蒸-培养法的一致性。研究发现，提取法测得的有机碳约占培养法测得微生物生物量碳的70%，具有较高的准确性。通过线性回归分析，得出微生物生物量碳与提取有机碳之间的强相关关系，表明该方法在不同土壤pH值下均适用。此外，三磷酸腺苷（ATP）与微生物生物量氮的测量结果也进一步证实了提取法的可靠性。核心发现熏蒸提取法的有效性：研究发现，从熏蒸和非熏蒸土壤中提取的有机碳（Ec）约为熏蒸培养法测得微生物生物量碳（Fc）的70%，说明提取法在估算土壤微生物生物量碳方面具有较高的准确性。表格 1: CO₂-C释放量和从10种土壤中提取的总碳（使用和不使用CHCl₃熏蒸法）通过线性回归分析，得出了微生物生物量碳与提取的有机碳之间的关系：Biomass C = (2.64 ± 0.060) Ec，这一回归方程解释了数据方差的99.2%。这表明在不同pH值的土壤中，该方法的适用性较广。图 1: 微生物生物量碳（Biomass C）与熏蒸提取有机碳（Ec）的关系来自ATP与微生物生物量氮数据的佐证在四种土壤中测量了ATP和微生物生物量氮的浓度，结果显示ATP与提取的有机碳（Ec）比值在不同土壤中非常相似，进一步证明了熏蒸提取法的可靠性。表格 2: 土壤7-10中的微生物生物量碳、ATP和熏蒸提取有机碳表格 3:土壤7-10中熏蒸提取的有机碳（Ec）和氮（EN）之间的关系研究领域地位文章提出的熏蒸-提取法因其在土壤微生物生物量测量中的简便性、可靠性，被后续研究广泛引用和采用，成为土壤微生物生物量测量的标准技术之一，广泛应用于科研、农业管理、环境监测等领域，对土壤健康评估和可持续管理贡献显著。该论文发表以来被广泛持续引用，至今超过一万次（Web of Science），是土壤学领域被引最高的文献之一。研究历史进展概述1976年熏蒸法的提出: Jenkinson和Powlson率先提出熏蒸-培养法，用于测量土壤微生物生物量，并探讨了其在不同土壤条件下的应用(Powlson and Jenkinson 1976)，该文被引276次（Web of Science）。1985年提取法的开发: Brookes等通过氯仿熏蒸后直接提取土壤中的有机氮，验证了提取法在氮测量中的可行性，为后来的方法开发提供了理论依据(Brookes, Landman et al. 1985)，该文被引5085次（Web of Science）。1987年熏蒸提取法的发展：Vance等研究熏蒸-培养法在强酸土壤中的局限，分析失败原因并提出改进方案。他们发现氯仿熏蒸后，硫酸钾提取的有机碳含量显著上升。基于此，他们提出了改进的熏蒸提取法，简化实验流程，提高测量效率与准确性(Vance, Brookes et al. 1987)，该文被引10856次（Web of Science）。1990年自动化测量方法: Wu等开发出一种使用市售自动碳分析仪的新方法，大大简化了有机碳测定过程，提高了测量效率和准确性。这一改进方法被广泛引用，显著提升了土壤微生物生物量碳测量的便捷性(Wu, Pommerening et al. 1990)，该文被引2337次（Web of Science）。该领域主要贡献者及其简介：David S. Jenkinson英国著名的土壤科学家，以其在土壤有机质和碳循环研究方面的开创性工作而闻名。他在Rothamsted Research工作多年，开发了熏蒸-培养法和Rothamsted碳模型，为理解土壤健康和长期农业管理提供了重要的科学基础。 David S. PowlsonRothamsted Research荣誉教授和Lawes Trust高级研究员，并在雷丁大学担任访问教授。他的研究集中在土壤有机碳和氮循环及其与气候变化的关系，曾担任Rothamsted土壤科学系主任，致力于促进可持续农业和环境保护。 Philip Charles Brookes 著名的土壤生物学家，他的研究在全球范围内产生了重要影响，特别是在土壤微生物生物量和土壤有机质研究方面。他在Rothamsted Research工作多年，开发了多种测量土壤微生物生物量的方法，为土壤健康研究提供了宝贵的工具。 E. D. Vance土壤科学和生态学研究者，在土壤微生物生物量测量领域做出了重要贡献。他与P. C. Brookes和D. S. Jenkinson合作，开发了熏蒸-提取法，用于测量土壤微生物生物量碳，这一方法显著提高了土壤微生物研究的效率和准确性。 吴金水中国著名的土壤科学家，在中国科学院亚热带农业生态研究所担任研究员。他在土壤微生物生态学和土壤生物化学方面做出了重要贡献，研究包括长期施肥对土壤健康的影响和土壤微生物生物量的测量方法，为农业可持续发展提供了科学依据。参考文献Brookes, P., et al. (1985). "Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: a rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil." Soil Biology and Biochemistry17(6): 837-842.Powlson, D. and D. Jenkinson (1976). "The effects of biocidal treatments on metabolism in soil—II. Gamma irradiation, autoclaving, air-drying and fumigation." Soil Biology and Biochemistry8(3): 179-188.Vance, E. D., et al. (1987). "An extraction method for measuring soil microbial biomass C." Soil Biology and Biochemistry19(6): 703-707.Wu, J., et al. (1990). "Measurement of soil microbial biomass C by fumigation-extraction-an automated procedure." Soil Biology and Biochemistry22(8): 1167-1169.论文链接: https://doi.org/10.1016/0038-0717(87)90052-6
2024-07-23
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经典论文解读: 德国污水处理厂和河流中药物的赋存特征
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。德国污水处理厂和河流中药物的赋存特征解读人：古振澳论文背景：药物的发明对于提升人类健康水平起到了十分重要的作用，由于在人体中通常不能完全代谢，药物分子及其代谢产物会通过尿液和粪便排出。随着人口增多与社会发展，药物的使用量也越来越高，产生了不容忽视的环境污染问题，在污水、地表水、地下水甚至饮用水中均检测到了药物分子及其代谢产物。污水处理厂作为污染物降解的关键环节，明确其在药物污染去除中的作用，分析药物在水环境中的赋存规律，对于控制药物污染风险具有十分重要的意义。主要发现与结论：论文作者通过对49个德国污水处理厂和30多条河流进行采样，全面分析了32种常见药物及其代谢产物浓度分布，包括抗炎药、脂质调节剂、精神药物、抗癫痫药物、β受体阻滞剂和β2-拟交感神经药以及5种代谢物。针对药物在污水处理厂中降解规律，作者重点分析了法兰克福附近一个市政污水处理厂（服务人口31.2万人）进出水中药物浓度，发现虽然进水中水杨酸浓度最高（54 μg/L），但是污水厂对其可实现超过99%去除率。与之相比，卡马西平去除率仅为7%，导致其在出水中浓度最高（2 μg/L）。整体而言，污水厂可去除约60%的药物（图1）。图1.市政污水处理厂药物进出水负荷及去除率值得注意的是，在经历降雨天气后，药物分子降解效果显著变差，其中部分药物降解率由60%降低至5%以内，并且该削弱效果可持续数天（图2）。这可能是降雨期间污水厂工艺受到冲击，导致微生物组成及活性改变，某些难降解药物的去除被大幅削弱。图2.市政污水处理厂中药物去除率随时间及水量变化情况（第4天出现降雨，流量显著增加）针对数十个污水厂和河流的分析结果表明，药物污染在水环境中广泛分布。污水厂出水中可同时检测到多种药物，其中有污水厂检测到了80%以上的待测药物种类。河流中也普遍存在药物污染，其浓度一般为污水厂出水浓度的5%~20%。研究者进一步比较了大型和小型河流中药物污染情况，发现小型河流中污染物浓度远高于大型河流（图3），这是由于污水厂受纳水体大多为小型河流。虽然工业排放也可能会导致部分类型药物污染，但应该不是造成地表水被广泛污染的原因。图3.不同河流中污染物浓度分布情况（其中Rhine和Main为大型河流，其余为小型河流）根据以上分析，可得出结论：生活污水作为药物污染主要来源，虽然在污水厂中得到部分去除，但出水中依然存在较高浓度残留。污水厂出水进入受纳水体后，药物污染浓度得到降低，但是依然广泛存在，对于水环境安全可能带来较大威胁。意义与反响：该论文发表于1998年，对于污水厂及水环境中药物污染进行了系统性分析，揭露了药物污染在水体中的广泛分布特征。研究明确了污水处理厂在药物污染防控中的重要作用，也指出了污水处理工艺的局限，为药物污染的管理与防控提供了非常重要的启示。受当年技术限制，该研究对药物浓度的检测精度有限，但作者通过全面检测与分析，有力地证实了药物污染的严峻性，并指出可能的防控路径。论文发表后，引起了全球范围内对于水体中药物污染的关注，并得到3000余次SCI引用。论文链接：https://doi.org/10.1016/S0043-1354(98)00099-2<!--!doctype-->
2024-07-23
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邓晔研究团队在气候情境-微生物-土壤属性的预测模型方面取得进展
土壤pH是维持地球生物生长和生存的关键因素，然而由于土壤系统的复杂性，很难预测未来气候变暖下的土壤pH变化。由于土壤的缓冲能力，土壤pH值在受到外界干扰时一般也会保持相对稳定的状态，但土壤pH值并非一成不变，如微生物参与的氨化和反硝化过程会使得pH值上升。土壤微生物群落可以对气候变暖快速响应，同时与土壤pH高度相关，是气候和土壤系统的桥梁，因此微生物可以作为土壤pH变化的生物指示物。 中国科学院环境生物技术重点实验的邓晔团队围绕着“气候情境-微生物-土壤属性“的框架，提出了核心细菌预测模型（CoBacFM），用于研究全球草地在当前和未来气候条件下的核心土壤微生物生物地理分布。该模型通过提取全球核心微生物物种和与环境变化高度相关的生态类群，大大降低了微生物群落分析的复杂度。我国的研究人员与国际同行广泛合作，联合美国、德国、加拿大、瑞典、爱沙尼亚等国家的12个研究团队，系统收集和整理了来自全球1251个草地生态系统中3703个土壤样本，利用16S rRNA基因高通量测序数据，结合土壤样点的气候信息、土壤理化指标、植被等地理信息数据，采用10×交叉验证的Cubist决策回归树方法，训练CoBacFM模型，探究了未来三种气候情境下不同时间阶段的草地核心微生物组和土壤pH的地理分布与变化趋势。 据模型结果估计，63.8%-67.0%的草地区域土壤pH值将升高，10.1%-12.4%的地区土壤pH值将降低。同时，全球约有三分之一左右的碱性或近中性草地区域，在未来其碱性程度增强，pH值将上升5.6%，尤其在东北亚、非洲和大洋洲的草地区域较为明显，同时碱化区域在所有未来情境中都会逐渐扩大。这些结果得到了中国青藏高原草地、内蒙古草地、冰岛、北美等全球14项野外草地的模拟增温样地实验的验证。 相关成果发表在Cell子刊、环境与生态Top期刊One Earth （IF=15.1）。课题组助理研究员冯凯为论文第一作者，邓晔研究员为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划中沙合作项目、国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金和云南省烟草公司文山州公司等项目的支持。图1 全球草地土壤pH值分别在未来3种气候情境下的4个时间段的变化论文链接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.06.002中国科学院环境生物技术重点实验室2024年7月8日
2024-07-08
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中心3项成果荣获2023年度国家科学技术奖
6月24日上午，2023年度国家科技奖励大会在人民大会堂隆重举行。中国科学院生态环境研究中心3项成果荣获2023年度国家科学技术奖，其中牵头完成1项，参与完成2项。中心作为第一完成单位、曲久辉院士主持的“饮用水安全保障技术体系创建与应用”获得国家科学技术进步一等奖。“饮用水安全保障技术体系创建与应用”项目发明了“加密活区”净水及调光抑藻等生态型水源水质改善技术，攻克了嗅味、毒害副产物、耐氯生物、砷、氟等系列水质净化难题，创制了标准化装配式水厂及农村供水远程运维模式，实现了全场景水质监测系列装备首台套突破和自主可控，创建了从源头到龙头、分散到集中、监测到管控、城乡全覆盖的饮用水安全保障技术体系。成果应用于1431项工程、覆盖4500个公共供水厂，直接受益人口2.58亿，服务人口7.2亿，支撑城乡居民喝上“放心水”。该项目主要完成单位为中国科学院生态环境研究中心等10家单位；主要完成人为曲久辉、杨敏等15人。中心作为第二完成单位参与朱永官院士主持的“环境中耐药基因的形成和扩散机制”和清华大学刘会娟教授主持的“无机非金属废水处理与资源回收技术及应用”分别获得国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖。“环境中耐药基因的形成和扩散机制”项目针对细菌耐药这一全球公共健康领域的重大挑战，聚焦动物养殖业和城市污水处理系统，在One Health的框架下系统研究了耐药基因在环境中的持久性存留、扩散及潜在风险，5篇代表论文4篇入选ESI高被引论文，为遏制耐药性的蔓延提供了科技支撑。“无机非金属废水处理与资源回收技术及应用”项目针对高含盐废水中的氮、氟等污染物，突破了共存无机物分步去除、协同调控、深度净化等关键技术，创建了无机非金属废水深度处理、资源回收和近零排放技术体系，为战略新兴产业发展和传统行业转型升级提供了重要支撑。科技开发处2024年6月24日<!--!doctype-->
2024-06-24
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魏源送研究组在污泥高级厌氧消化工艺过程中溶解性有机物与汞结合机制方面取得新进展
针对我国市政污泥无害化和资源化处理处置需求，围绕污泥处置工艺过程中汞的迁移机制和污染控制，中国科学院生态环境研究中心魏源送研究组开展了系列研究，近日在污泥高级厌氧消化过程中溶解性有机物与汞结合机制方面取得新进展。汞（Hg）是一种具有高神经毒性和生物积累性的重金属。市政污泥既是城市污水中汞的“汇”，又是环境中汞的“源”。溶解性有机物（DOM）对汞在水体中的迁移性、生物可利用性和生物毒性等方面发挥着重要作用。然而，污泥处理过程中DOM与汞的结合机制尚缺乏深入认识。污泥高级厌氧消化是实现污泥中有机质高效降解转化产甲烷进而能源回收利用的主要途径，其应用日益得到重视。因此，本研究深入研究污泥高级厌氧消化过程中汞的形态演变和DOM的影响，从而为污泥中汞污染风险控制提供新思路。本研究以某再生水厂的污泥高级厌氧消化工程为对象，通过现场调研和实验室研究，明确了污泥DOM的组成变化及其与汞结合的关键组分。研究发现，有机螯合态汞、强络合态汞和硫化物结合态汞是该工艺过程中污泥中汞的主要形态。不同工艺阶段污泥和分子量大小的DOM具有不同的组成特性，从而与Hg(II)的结合能力也不同。污泥DOM中色氨酸类物质具有较高的Hg(II)结合能力，通过促进污泥中色氨酸类物质的溶出，可有效促进污泥中汞溶出释放（溶出释放率为30.34%）。该研究为深入理解污泥高级厌氧消化过程中调控DOM组成与性质，进而控制汞污染并降低其生态风险提供了新认识。相关成果相继发表在Journal of Hazardous Materials（2020, 406, 124310），Bioresource Technology（2021, 347, 126394），Water Research（2022, 226, 119204；2024, 259, 121845），以上研究工作得到了国家重点研发计划项目（2019YFC1906502）的支持。该论文的通讯作者为魏源送研究员和刘吉宝副研究员，第一作者为硕士生张义鑫。论文链接如下：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121845https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119204https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126394https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124310水污染控制实验室2024年6月17日
2024-06-17
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室宋杨团队最新Nat Nanotech：聚苯乙烯纳米颗粒暴露诱导蛋白质相分离
随着聚苯乙烯制品在现代生活和各种产业中的广泛使用，其对环境的影响逐渐引起了研究者们的关注。微/纳米颗粒已经在各种人类组织样本中被发现，因此解析微/纳米颗粒对机体造成的毒性，以及寻找潜在的毒性作用机制至关重要。 液-液相分离（Liquid-liquid phase separation, LLPS）是介导生物大分子在细胞中时空调控的重要机制，参与多种重要生物功能调控。然而，异常相分离与神经退行性疾病密切相关， LLPS的异常相变被认为是导致胞浆形成TDP-43（TAR DNA binding protein-43, TAR DNA结合蛋白43）蛋白聚集并引发ALS的关键致病机制之一。需要特别指出的是，我们的疾病模型并不是渐冻症，不能由此推断这种纳米颗粒与渐冻症的关联。 颗粒污染物作为外源性物质导致细胞应激响应，部分颗粒不仅逃逸溶酶体降解，而且其自身性质可抵抗溶酶体强酸性，导致其成为持久性应激源。此外，颗粒污染物与LLPS驱动形成的亚细胞结构（生物分子凝聚体）之间的关系仍然是未知的。 研究发现，内化的聚苯乙烯纳米颗粒作为持久性应激源，诱发细胞氧化应激，促进ALS相关的TDP-43在相分离驱动下形成细胞核内生物分子凝聚体。然而，持久性细胞内应激导致Hsp70（Heat shock protein 70，热休克蛋白70）的伴侣保护作用受到抑制，导致液样态的TDP-43凝聚体向固样态转变，并生成TDP-43相关的病理性结构，如磷酸化TDP-43和淀粉样蛋白。 受损的Hsp70无法护送TDP-43回到细胞核以及有效的蛋白质量控制，导致TDP-43在细胞质中积聚并促进了PS和TDP-43之间形成“PS@TDP-43 complexes”，加剧细胞质TDP-43的凝结和固化。应激颗粒（Stress granules, SGs），一种多成分组装的无膜细胞器，被认为是异常定位的TDP-43的短暂“庇护所”，内部的RNA或DNA可延缓TDP-43病理化。然而，由于PS@TDP-43 complexes之间的相互作用限制了细胞质TDP-43募集至SGs，进一步促进细胞质TDP-43病理化结构形成。 纳米颗粒吸附蛋白质通常会改变其结构特征，主要是因为纳米颗粒表面具有独特的化学和物理性质，与蛋白质之间的相互作用可能会促进蛋白质的纤维化速率。通过计算机分子对接模拟了TDP-43在PS表面的分子间相互作用，结果表明PS的存在改变了TDP-43分子间的相互作用，主要体现为TDP-43分子间亲和力提高和分子间相互作用位点增多。两分子TDP-43同时对接PS时，TDP-43分子间的相互作用更强，这可能归因于PS的对接或接触导致TDP-43在界面作用力下使结构域内的残基重新排列或暴露，从而加强分子间相互作用。 通过鼻腔滴注聚苯乙烯纳米颗粒，不仅导致小鼠运动行为学异常，还在小鼠大脑皮质层区域发现典型的ALS疾病标志物形成，如磷酸化的TPD-43和淀粉样结构。此外，在动物水平上还发现液滴样TDP-43结构生成，暗示动物水平上可能具有形成TDP-43凝聚体的可能。 总的来说，该研究阐述了纳米颗粒诱导的一种独特的毒理学机制，并为环境污染与神经退行性疾病之间的联系提供了新见解。相关研究成果发表以“Polystyrene nanoparticles trigger aberrant condensation of TDP-43 and amyotrophic lateral sclerosis-like symptoms”为题发表于Nature Nanotechnology。 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01683-5环境化学与生态毒理学国家重点实验室2024年6月8日
2024-06-08
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经典论文解读: 全球变暖与珊瑚的大规模持续性白化
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读: 全球变暖与珊瑚的大规模持续性白化解读人：徐琳论文背景：珊瑚礁是以美丽和多样性而闻名于世的海中奇观。然而，珊瑚礁生态系统其实十分脆弱，自上世纪80年代以来珊瑚白化引起了全世界的广泛关注。珊瑚白化的实质是其附着的不同颜色的共生藻类的大规模死亡脱落。珊瑚白化的可能触发因素复杂多样，包括水温改变、水质污染和过度的渔业捕捞活动等，而寻找珊瑚白化大规模爆发的主导因素，对于珊瑚礁的管理和保护具有关键作用。主要发现与结论：本文的作者利用卫星、航空、和水下调查等手段获取澳大利亚大堡礁珊瑚白化较为严重区域的热应力空间分布，评估了1998年、2010年和2016年的三次泛热带大规模白化事件过程中海水温度和珊瑚白化之间的关系。通过对比发现，1998年、2002年和2016年的三次重大事件中，大堡礁珊瑚白化程度逐渐加剧。2016年调查的珊瑚礁中，未产生白化的仅占8.9%，而1998年和2002年的未白化的珊瑚礁比例分别为44.7%和42.4%。在2016年经历极端白化的珊瑚礁（>60%的珊瑚白化）比例是1998或2002年的四倍多。为了评估海水温度对珊瑚白化的影响，文章中引入了Degree heating weeks（DHWs, 单位”摄氏度×周”）指标，将海水温度与基准温度进行比较，计算一定时间内珊瑚礁所受到热应力的总和。基准温度为当地夏季的海水平均温度，测量温度高于基准则意味着对珊瑚造成了热应力影响。研究表明，大堡礁每年约有61-63%的珊瑚遭受四周以上的热应力影响，并且其影响程度也呈逐步上升趋势，由1998年的1-8DHWs上升到8-16DHWs。作者将三次白化事件中大堡礁海水热应力和珊瑚白化的空间地理分布进行交叉比照，很明显的发现了水温升高对珊瑚白化的促进作用。虽然经历了数十年水温异常-珊瑚白化的过程，大堡礁珊瑚截止目前依旧没有表现出对水温变化的适应性。在全球持续变暖的背景下，对于它们来说，也许下一次危险降临就会是致命的打击。（a）三次珊瑚白化的地理分布热图； （b）珊瑚白化期间海域的热应力分布； (c) DHW与珊瑚白化概率的广义线性拟合：黑色曲线仅取DHW为自变量，蓝色和棕色曲线取DHW+叶绿素(25%，75%)为自变量，红色曲线取DHW+捕捞分区为自变量同时，该论文通过广义线性模型分别考察了DHW、DHW+叶绿素（水质指标）、DHW+捕捞分区对珊瑚白化地理足迹的影响，发现与水温相比，海水水质和捕捞行为对于珊瑚白化几乎没有影响。这一发现意味着，区域性的污染防治和渔业保护并不能真正阻止珊瑚白化的蔓延，而只有全球性共同行动以求减缓气温上升才是治本的方法。意义与反响：该论文提供了对全球变暖和珊瑚白化现象之间关系的深刻见解，对于珊瑚礁的管理和保护具有非常重要的启示作用。研究结论强调了采取全球行动以减少未来变暖对珊瑚礁保护的必要性，指出了地方层面进行的管理和保护无法有效抵抗严重的热应力事件对珊瑚礁的破坏，需要全球层面的迅速行动来减少全球变暖的影响。该文章发表后在国际上引起巨大反响，被《卫报》(Guardian)、《华盛顿邮报》(Washington Post)、《每日邮报》(MailOnline)和《纽约时报》(New York Times)在内的近三百个新闻媒体广泛报道，SCI他引2000余次。
2024-06-07
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李琳研究组在污水处理生物气溶胶逸散规律与机制方面取得新进展
污水及其处理过程逸散的生物气溶胶包含细菌、真菌和病毒等微生物，对区域生态环境、人类健康等均存在潜在危害。特别是近年大规模呼吸道传染性疾病的频繁爆发，引起了全球关于生物气溶胶传播途径的极大关注。然而对于污水处理过程中生物气溶胶的产生机制、逸散规律和其影响因素尚不十分清楚。李琳研究组在国家自然科学基金重大项目、国际（区域）合作与交流项目、面上项目(52091545、52041004、41961134033、51878650、51478456)、环境保护公益项目（201509008）等项目的资助下，全面解析了全球13个国家、37个城市的市政污水厂生物气溶胶中可培养细菌、真菌全球多样性、区域丰度及决定性因素；系统分析了我国典型区域不同村镇污水处理模式下生物气溶胶的分布与逸散特征；深入研究了生物气溶胶的产生过程与机制；综合评估了污水处理过程生物气溶胶的潜在致病风险。结果表明：（1）市政集中污水厂生物气溶胶中潜在致病微生物种群结构呈现明显地域异质性，污水水质是造成差异的主要因素；（2）村镇污水处理生物气溶胶的逸散规律与污水治理模式密切相关，地埋式一体化污水处理设施可有效减少生物气溶胶的产生与扩散；（3）气泡破裂后空腔崩塌形成射滴是微孔曝气产生生物气溶胶的主要机制；盘面卷带形成向心加速度是表面曝气产生生物气溶胶的主要原因；（4）呼吸吸入是人体暴露生物气溶胶引起健康风险的主要途径，其中气溶胶粒子携带的潜在致病微生物会加剧暴露风险。该研究结果为污水处理过程生物气溶胶的有效防控提供科学依据。相关研究成果发表在Water Research（Ying Wang et al. 2024(258):121764; Yunping Han et al. 2024(256):121646; Jun Zhan et al. 2024(254):121359; Yanjie Wang et al. 2023(231):119624; Yunping Han et al. 2020(170):115324; Yanjie Wang et al. 2019(163):114862; Kaixiong Yang et al. 2019(149):596-606）、Journal of Hazardous Materials（Yunping Han et al. 2020(391):122256）。生态环境研究中心刘俊新研究员、李琳研究员、郭雪松副研究员、韩云平副研究员分别为这些文章的主要作者和通讯作者。(a) 市政污水厂逸散特征与潜在风险 (b) 村镇污水处理设施逸散特征及传输 (c) 曝气方式的影响机制图1 污水处理过程生物气溶胶逸散规律论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121764https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121646https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121359https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119624https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115324https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.114862https://doi.org/10.1016/j.watres.2018.11.027https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.122256水污染控制实验室2024年5月23日<!--!doctype-->
2024-05-23
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魏源送研究组在高盐废水膜过程的结垢机制研究取得新进展
随着工业废水循环利用要求的提升，零排放（ZLD）与水回用已成为工业可持续发展与绿色转型的必然要求，膜分离技术是ZLD的核心。但高盐工业废水的盐含量高且组成复杂，同时存在硅、有机物、微生物等复杂组分，且不同组分间存在复杂的物化与生物作用，导致结垢过程与机制复杂，因此，膜结垢是限制膜脱盐过程稳定运行的难点。揭示ZLD系统的膜结垢机制有利于开发膜结垢控制技术。然而，目前膜结垢机制及其控制研究主要关注单一或简单二元的膜结垢体系，其成核与结晶机制无法推广到实际复杂工业废水的ZLD系统。 针对ZLD系统中膜结垢的复杂过程与机制，魏源送研究组与德国杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授、比利时鲁汶大学Bart Van der Bruggen教授合作，以膜蒸馏（MD）与纳滤（NF）的两个潜力ZLD技术为对象，基于实际工业废水的关键组成，解析了不同组分在膜结垢过程中的关键作用，阐明了不同驱动力膜过程的结垢模式差异及其机制，主要结果如下：1）揭示了MD过程从异质结晶到同质结晶转变的三阶段结垢过程，阐明了高盐条件下体相结晶是MD的关键结垢机制，明确了有机物和硅对MD膜结垢的关键影响。2）明确了NF的主要结垢机制为表面结晶，解析了硅酸盐与镁形成无定型的硅酸镁类复合物是NF结垢的关键污染物。3）揭示了有机物在膜结垢的双面作用，一方面促进膜的初期污染与结垢，另一方面可通过晶面的定向吸附及络合作用阻碍钙盐的体相结晶，体现出一定的阻垢作用。4）系统比较了压力驱动膜（如，NF）与热驱动膜（如，MD）过程的差异化结垢模式及机制，解析了温度、操作压力、剪切速率和产水驱动力是结垢模式变化的关键原因，揭示了有机物和硅在MD和NF过程的作用差异。该研究结果加深了对ZLD处理实际高盐废水过程的膜结垢机制的理解，并可为高盐废水在管路运输、蒸发结晶及膜处理等过程的结垢控制提供借鉴，为膜技术在ZLD系统处理实际高盐废水提供科技支撑。图11 膜脱盐过程混合结垢解析研究 相关研究成果发表在Water Research（Libing Zheng et. al 2024:121671 (In press); Libing Zheng et. al 2024(250):121023; Libing Zheng et. al 2023(238):120032）。郑利兵副研究员为论文第一作者，生态环境中心魏源送研究员、杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授和鲁汶大学Bart Van der Bruggen为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(52270081)、国家重点研发计划(2021YFC3201403)、德国洪堡学者项目、欧盟玛丽居里学者项目(101059796)等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121671https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120032https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121023水污染控制实验室2024年5月15日
2024-05-15
