科研进展----中国科学院生态环境研究中心

杜宇国研究组与刘思金研究组在转化毒理研究方面取得进展

　　中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室杜宇国研究组与刘思金研究组在转化毒理方面取得新进展，相关研究成果近日发表于Advanced Science (An important function of Petrosiol E in inducing the differentiation of neuronal progenitors and in protecting them against oxidative stress, DOI: 10.1002/advs.201700089)。
　　重金属等多种污染物诱发神经损伤，可进一步导致神经退行性疾病。对于神经退行性疾病的治疗，目前缺乏有效低毒的药物，面临巨大挑战。杜宇国研究组实现了人工全合成新型化合物Petrosiol E；在此基础上，刘思金研究组进一步发现，Petrosiol E能有效促进神经元前体细胞向神经元细胞分化，并促进胚胎干细胞向神经外胚层分化；Petrosiol E能够有效抵抗砷等污染物诱发的神经元前体细胞损伤，在砷暴露下仍表现出促神经元分化的效应；机制研究揭示Petrosiol E主要通过Erk和Akt信号通路促进了Nrf2驱动的促神经元分化与抗氧化应激效应。该研究工作在寻找对抗污染物诱发的神经毒性的治疗药物方面有转化价值。
　　该研究得到了中科院先导专项B和国家基金委项目的支持。
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Petrosiol E诱导神经元前体细胞分化和对抗氧化应激损伤的作用机制示意图。
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年7月6日

2017-07-06

陈卫平研究组在农作物镉污染研究方面取得新进展

　　农作物镉（Cd）污染是当前国内外关注的主要问题之一，定量化各环境因子对农作物Cd累积的影响程度对区域Cd污染风险调控至关重要。目前实验室规模的影响因子解析和调控手段难以指导实际应用。
　　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卫平研究组从“土壤-土壤溶液-作物吸收”概念出发，通过对湖南攸县蔬菜和水稻Cd富集水平的长期观测，揭示了Cd固液分配系数（Kd）和农作物Cd富集因子（PUF）变化特征及其主要影响因子，并结合大田实验和模型模拟进行验证和风险评估。研究发现改善土壤酸化和恢复土壤微量元素平衡可显著降低区域农作物Cd超标概率。该研究为我国农作物Cd污染现状改善和风险管理提供了科学方法和理论依据。
　　该研究得到了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项目的支持。研究结果发表在美国化学学会ACS旗下重要期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry.
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2017-06-30

魏源送研究组污泥生物干化研究取得重要进展

　　通风是污泥生物干化的关键因素，优化的通风策略能够同步实现更好的干化效果和更低的能耗，但目前主要通过实验室规模和中试规模的试验优化，工作量大，难以指导实际应用。中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室魏源送研究组多年来致力于污泥生物处理的研究与应用，近年来采用计算流体力学（Computational fluid dynamics, CFD）模拟，结合温度红外热成像方法（Infrared Thermal Imager, IRI），在实际工程规模上优化了污泥生物干化的通风策略，大幅缩短了干化周期，并阐明了其机理，为污泥生物干化和堆肥工艺的通风优化提供了新途径。近日研究成果发表在重要期刊Water Research（Water Research, http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2017.06.003）。
　　研究组以我国东北某大型污泥处置厂的连续流强制通风槽式污泥生物干化工艺为对象(槽体长×宽×高=96m×3m×2.5m)，采用数值模拟和现场试验相结合的方式，研究了三种通风策略下的污泥生物干化效果和堆体温度场，实现了脱水污泥的快速生物干化，并对其机理进行了深入探讨。研究结果表明，1）不同于热电偶法只能监测某点温度，红外热成像方法能够快速（1秒钟内）准确测定堆体表面的温度场，从而可迅速获取通风过程中堆体表面的温度场变化；与验证了的CFD模拟结果结合，明确了整个污泥生物干化堆体在通风中的三维温度场及其变化过程。2）流场和温度场的模拟结果表明，水分迁移附加的潜热交换是通风过程中污泥颗粒、堆体内部、堆体表面与外界温度变化的关键。因此，通风过程中水分和热量的管理是污泥生物干化操作条件优化的关键。3）理论分析表明，污泥生物干化中热量主要损失在水分蒸发过程中的相变潜热，单位水分去除温度变化的理论计算值（DT=5.38°Cper 1% moisture removal）与试验结果（5.17±4.56℃）基本吻合。上述研究结果为实现污泥减量化、资源化提供了新思路。
　　上述研究得到国家水专项课题和国家自然科学基金项目资助。论文的第一作者是郁达伟助理研究员，通讯作者为魏源送研究员。

基于流场和温度场的污泥生物干化模拟与优化
　　水污染控制实验室
2017年6月6日

2017-06-07

曹垒研究团队证实野生雁类受困于长江湿地

　　对野生雁类的高科技追踪结果表明，不同于北美、欧洲及邻近的日本和韩国，中国的雁类不愿意从它们世代栖息的湿地迁移到农田中觅食。
　　在国际生物多样性日，中国科学院生态环境研究中心曹垒研究团队的一项新研究成果作为封面文章刊登在Current Biology （《当代生物学》）杂志上。该研究通过在5个物种67只雁身上放置最新的高科技追踪设备，证实了这些鸟类仍忠于其世代相传的栖息地。它们日夜都待在长江泛洪平原的湿地中，那里是它们的越冬家园。
　　研究人员在雁类的繁殖地（从俄罗斯北极地区到蒙古草原），和越冬地（长江流域）捕捉它们，为其安装新型轻质的颈环式追踪器。全球定位系统记录着每小时每一只雁在地球上的位置，并通过移动手机网络将信息传至北京中国科学院生态环境研究中心曹垒研究员的团队。
　　将这些鸟类随时间变化的位置信息，和全国生态环境十年变化调查评估项目所提供的土地利用图（30*30米）叠加，即显示出雁类所利用的土地利用类型是农田还是自然湿地。在中国数量大幅下降的三种雁（鸿雁，白额雁和小白额雁），有98%的时间停留在湿地中。而种群数量相对稳定的雁（灰雁和豆雁），约有18%的时间在湿地之外活动（通常是在农田中觅食）。
　　以上结果可以解释同一物种在不同越冬地的种群趋势，在日本和韩国越冬的雁类在农耕地中以稻谷等为食物，其种群数量不断增长。而中国的越冬雁类受困于湿地中，以有限的湿地资源为食物。它们不在周围的农耕地觅食，可能是因为农民在农田中放牧家鹅和家鸭导致留给野生雁群的食物极少，以及离开湿地的雁类面临更高的非法捕杀风险。同时，该项工作也可以解释曹垒研究团队前期的研究结果：越冬雁类种群数量下降，与长江集水区经济发展导致的湿地退化和丧失之间的关联。
　　曹垒团队下一步的研究目标是，阐明长江泛洪平原的湿地水量和水质改变对水鸟数量和多样性的影响机制。
　　该项研究得到国家自然科学基金面上和国际（地区）合作与交流项目的资助。
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长江自然湿地的雁与天鹅（余会功摄）
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年5月24日

2017-05-25

傅伯杰研究组在黄土高原植被-土壤水关系研究方面取得新进展

　　半干旱地区植被-土壤水关系是国际生态水文学研究的焦点，也是半干旱区水资源植被承载能力的核心，目前主要采用地面观测和模型模拟的方法开展研究。受地面观测能力和植被-土壤水相互作用模型发展不足等因素的局限，在区域尺度上研究结果不确定性较大。而全球土壤水监测在传感器和反演算法上不断更新，由于缺乏土壤水地面监测限制了其实际应用。
　　傅伯杰研究组从表征植被干旱特征的“植被覆盖—地表温度的三角空间”概念出发，提出了综合采用黄土高原土壤水分监测数据和土壤水分动态变化特征，来验证全球土壤水AMSR-E遥感产品的新方法，揭示了黄土高原植被变化的土壤水分时空变化特征，界定了黄土高原植被恢复导致大规模土壤水分下降的区域，研究发现森林-草地过渡带是土壤水分下降最为剧烈的区域。该项研究为大尺度植被恢复的区域适宜性和有效性评价提供了科学方法和理论依据。
　　该研究得到了国家自然科学基金项目、中科院国际合作项目和国家高分辨率对地观测系统重大专项等项目的支持。研究成果发表在著名刊物Remote Sensing of Environment 上。
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研究流程图
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年5月22日

2017-05-22

江桂斌研究组在四溴双酚A类溴代阻燃剂研究方面取得进展

　　四溴双酚A/S及其衍生物是目前应用最广泛的的溴代阻燃剂，在电子电器产品、油漆、纺织品等日用品中大量使用，其在生产和使用过程中可通过多种途径进入环境，在各种介质中累积，成为广泛关注的污染物。随着这类化合物使用量的不断增加，其造成的环境与健康危害将成为不可忽视的重要环境问题。
　　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研究组自2010年以来针对四溴双酚A/S类溴代阻燃剂进行了深入的研究。研究组相继开发了基于电喷雾萃取电离技术、固相微萃取技术和高分辨质谱技术的新型分析方法，用于环境中四溴双酚A/S衍生物和副产物的分析，提高了衍生物检测的灵敏度和选择性，实现了复杂环境介质中未知溴代污染物的非靶向识别，为此类污染物的环境行为和环境归趋研究提供了必需的技术手段。相关的研究成果发表了系列研究论文并在TrAC上发表综述文章。
　　通过对实际环境样品的分析，研究组首次在土壤、底泥、河水、海水和海洋生物中发现和鉴定出8种TBBPA/S副产物，并通过合成标准化学品进一步揭示了这些副产物的结构。对渤海生物样品的分析发现，TBBPA/S副产物主要呈现食物链稀释的趋势，对低等生物的危害更大。细胞毒性评价实验表明，TBBPA/S衍生物和副产物具有更高的神经毒性作用。相关研究成果先后在ES&T上发表。
　　近期，通过研究TBBPA在厌氧条件下的分子转化，发现并鉴定出10种TBBPA衍生物相关的转化产物，其中6种溴代污染物为首次报道。该项研究将为TBBPA类衍生物的环境归趋和综合评价TBBPA类溴代阻燃剂的环境风险提供重要的数据支持。研究成果已在ES&T上发表。
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TBBPA-MDBPE的分子转化过程图
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年5月12日

2017-05-12

郭良宏研究组在全氟有机污染物的分子毒理机制方面取得系列研究进展

　　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全氟化合物 (PFCs) 的分子毒理机制方面取得新进展，相关研究成果近日发表于国际著名毒理学期刊Archives of Toxicology (Yang et al. Arch. Toxicol. 2017, 91:1697–1707)
　　PFCs是一类广受关注的新型有机污染物，具有高度的环境持久性和生物累积性。环境流行病学研究揭示了人体PFCs暴露与多种不良健康效应之间存在高度的相关性。动物实验表明，PFCs具有肝毒性、内分泌干扰作用、胚胎毒性、生殖毒性、神经毒性和潜在致癌性等。然而，目前对于PFCs的毒性作用机制还不明确。其原因之一是PFCs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。
　　郭良宏研究组长期从事于PFCs等新型持久性有机污染物的毒性效应与毒理机制研究。研究组针对PFCs的环境健康问题，从分子作用、细胞效应、活体效应、理论计算等不同层面，对PFCs毒性的分子机制进行了长期、系统的研究。其工作中研究了PFCs与三种甲状腺激素转运蛋白 HSA，TTR，TBG 和脂肪酸转运蛋白FABP的结合反应，以此评估了污染物对体内甲状腺激素和脂肪酸转运的潜在干扰效应。研究了PFCs与甲状腺激素受体 TR的结合反应，在细胞内对TR介导信号通道的激活效应，揭示了低剂量暴露PFCs对模型生物非洲爪蟾甲状腺系统的干扰效应及其作用机制。研究了PFCs与过氧化物酶体增殖剂激活受体γ(PPARγ)的结合反应，在细胞内对PPARγ介导信号通道的激活效应(Toxicol. Appl. Pharmacol., 2014)。还建立了基于表面等离子体共振传感器的配体-受体相互作用研究方法，发现了雌激素受体与部分PFCs结合后的构象变化和激活效应 (Environ. Sci Technol., 2013b)。以上这些研究结果对于明确PFCs的生物靶分子和起始分子事件，揭示PFCs毒性作用的分子机制具有重要意义。
　　近期，研究组尝试寻找PFCs在生物体内未知的作用靶分子，以拓展PFCs的毒理机制研究。研究组通过电化学传感器筛选的方法，发现PFCs对蛋白酪氨酸磷酸酶SHP2的活性具有显著的抑制效应。通过免疫共沉淀的方法，研究人员从PFCs暴露的HepG2细胞中抓取得到SHP2-PFCs 的复合物，直接证实了SHP2酶是PFCs在细胞中的一个新的作用靶分子。PFCs进入细胞后，能与SHP2酶结合并抑制其活性，导致该酶所催化的下游底物蛋白Paxillin的磷酸化水平异常上升。SHP2是一种非常重要的蛋白酪氨酸磷酸酶，参与多条信号通路的活化，在肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移以及耐药等方面都发挥了重要的作用。PFCs与SHP2酶的结合抑制作用可能成为其分子起始事件，进一步干扰SHP2酶调控的后续正常生理过程，这有可能是PFCs产生毒性作用的机制之一。本研究为揭示 PFCs 毒性作用的分子机制提供了一种新的思路。
　　以上这些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支持。
　　论文链接：　　
　　

全氟化合物上调HepG2细胞Paxillin蛋白磷酸化水平的分子机制
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年5月10日

2017-05-10

刘景富研究组在《化学评论》发表综述论文

　　日前，著名期刊Chemical Reviews发表了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刘景富研究组撰写的综述论文Isotope Tracers To Study the Environmental Fate and Bioaccumulation of Metal-Containing Engineered Nanoparticles: Techniques and Applications。
　　纳米材料已随着其生产和应用的快速增长而进入环境，亟需研究其环境行为、生物摄入与分布，以科学评估其环境和生物安全性。由于环境与生物样品中纳米材料的浓度往往很低且存在高浓度的金属背景干扰，环境浓度下金属纳米材料的迁移转化研究面临巨大的技术挑战。放射与稳定同位素标记为高灵敏、选择性示踪金属纳米材料提供了一种新的有效工具。该论文系统地总结了金属纳米材料放射/稳定同位素标记的优点，重点讨论了放射/稳定同位素选择、同位素标记金属纳米材料制备、环境与生物暴露途径与检测研究的进展，探讨了金属纳米材料环境与生物分布/转化的研究思路和发展方向，对金属纳米材料的环境行为、生物摄入与分布等相关研究具有重要的参考价值。
　　近年来，刘景富研究组对纳米银等金属纳米材料的分析方法、环境生成与转化、生物摄入及毒性等开展了较为系统的研究。研究组发展了环境和生物基质中纳米材料的分离测定方法（Anal. Chem.2009,81, 6496; 2011, 83, 6875; 2015, 87, 8441; Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 3268; 2014,48, 14516;2015, 49, 14213），发现了环境中天然有机质与微生物还原银离子生成纳米银新途径与新机制（ACS Nano2012, 6, 7910; Environ. Sci.Technol.2014, 48, 9366; Environ. Sci. Technol.Lett.2016, 3, 160; Environ. Pollut.2017, 220, 955），最早报道了纳米银在水表面微层中的富集（Environ. Sci. Technol. Lett.2016, 3, 381），利用双同位素示踪等技术揭示了水环境中纳米银的氧化与再还原所导致的高度动态转化机制（Environ. Sci. Technol.2014, 48, 403; J.Environ.Sci.2015, 34, 116; Environ. Sci.Nano 2016, 3, 883），并阐明了纳米银形态变化对水生生物急性毒性的影响（Sci.Rep.2015, 5, 9674; J. Environ. Sci.2015, 35, 62）。上述研究的长期积累使作者对纳米材料环境行为与生物积累研究的现状、关键科学问题和未来发展方向有深入的认识与思考，为该综述论文的撰写打下了坚实基础。
　　论文的相关研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和国家自然科学基金委重点项目的资助。
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环境行为与生物积累研究中放射/稳定同位素标记金属纳米材料的制备、暴露与检测
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年3月1日

2017-03-01

刘思金研究组在纳米材料的环境健康风险研究方面取得进展

　　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转化毒理机制方面取得新进展，相关研究成果近日发表于Small (Ma, et al. Small.2017, DOI: 10.1002/smll.201603830),Nanoscale(Ma, et al. Nanoscale. 2016;8(42):18070), ACS Nano (Zhu, et al. ACS Nano. 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07311)和 Small (Chen and Wu, et al. Small. 2017, DOI: 10.1002/smll.201603446)。
　　目前对于纳米颗粒物的毒性评价主要关注对其靶向组织和细胞的直接毒性效应，很少关注其对机体造成的间接与次生毒性效应。然而，真实环境中的暴露剂量较低，直接毒性效应并不显著，间接、次生与代偿性毒性效应却更值得关注。该研究团队利用一系列功能化修饰的多壁碳纳米管，探索了碳纳米管暴露对机体系统性铁代谢循环和对远端骨关节细胞活化状态的影响。研究发现：碳纳米管暴露后诱发的机体系统性炎症反应，升高肝脏铁调素（hepcidin）的水平，进一步诱发铁代谢稳态异常：铁在血液、肝脏和脾脏中分布改变，导致供给红细胞造血的铁水平减低，红细胞的合成发生障碍，最终导致炎症性贫血（anemia of inflammation）。同时，发现PEG 和COOH 官能团的修饰能降低碳纳米管对hepcidin主导的铁循环代谢的影响。此外，碳纳米管诱发的机体系统性炎症反应，诱发了远端关节部位的滑膜炎症反应：滑膜增生和炎性细胞浸润。具体表现为：在炎症因子刺激下，滑膜/软骨细胞的基质金属蛋白酶（MMPs）以及炎症反应相关的环氧合酶（COXs）的表达量及活性显著增加，凋亡细胞增加。以上工作发现了碳纳米管通过系统性炎症反应导致炎性贫血和滑膜炎症的间接与次生毒性（图1），这为评价碳纳米材料的环境健康风险提供了新思路。相关成果分别发表于Small和Nanoscale。
　　同时，该研究组针对2D纳米材料氧化石墨烯（GO）的细胞毒性机制展开了深入的探索，发现了低剂量GO暴露损伤细胞生存状态的作用机理。研究发现GO低剂量暴露下，巨噬细胞和肿瘤细胞的细胞形态、细胞膜力学特性、细胞骨架结构以及细胞膜通透性等发生显著改变。进一步通过组学分析发现，GO低剂量暴露导致与细胞黏着斑、细胞骨架结构、紧密连接和细胞代谢等相关的信号通路发生异常变化；进一步阐明了GO通过与细胞膜上的整合素蛋白（Integrins）发生作用进而干扰其下游的FAK/Src-Rho-Rock信号通路，导致细胞骨架结构组装、离子通道和膜通透性等发生紊乱（图2）。在此基础上，研究组把该毒性机制上的创新性发现用于转化毒理学研究，发现低剂量GO可应用于肿瘤增敏。相关研究成果在线发表于ACS Nano。该研究组针对2D纳米材料相关的转化毒理学研究进展进行了总结，在Small上发表了综述论文。
　　这些研究工作得到了国家973项目，中科院先导专项B和国家基金委项目的支持。
　　论文链接：
　　论文1: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201603830/abstract
　　论文2:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/nr/c6nr06041b#!divAbstract
　　论文3:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b07311
　　论文4: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201603446/full

图1. 碳纳米管暴露诱发间接毒性效应—炎性贫血与滑膜炎症的作用机制示意图

图2.2D纳米材料氧化石墨烯与细胞作用损伤细胞生存状态的作用机制示意图
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年2月20日

2017-02-20

欧阳志云研究组在自然保护区空间布局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自然保护区空间布局研究方面取得重要进展，明确了我国生物多样性与生态系统服务这两大保护目标的关键区域，首次揭示了我国自然保护区对于二者的保护状况，提出了兼顾这两大保护目标的保护区网络优化思路。论文第一作者是徐卫华副研究员，这一研究成果于2017年1月30日在线发表在国际著名刊物Proceedings of the National Academy of Sciences上（Weihua Xu, et al. 2017,doi:10.1073/pnas.1620503114）。
　　保护地空间布局与优化一直是生态学与生物多样性保护研究的热点，也是联合国《生物多样性公约》2020年目标的关注焦点之一，兼顾生物多样性与生态系统服务这两大生态保护目标成为保护地空间布局优化的新方向，但现有的自然保护地体系多以生物多样性作为主要保护目标，而对保护生态系统服务供给能力关注很少。我国自然保护地建设也面临同样的问题。2014年，我国自然保护区有2729个，总面积为147万平方公里，陆域部分占国土面积的15%，是全球规模最大的自然保护区体系。分析评估现有保护区对我国生物多样性与生态系统服务保护状况与面临的问题，是优化自然保护区网络、规划国家公园体系、保障国家与区域生态安全的科学基础。
　　本研究以全国生态环境调查评估的成果为基础，综合实地调查、模型模拟等多种研究方法，明确了我国生物多样性与生态系统服务保护的关键区域，评估了我国自然保护区对两大保护目标的保护状况。研究发现，我国自然保护区空间布局与生物多样性空间格局和生态系统服务格局匹配性不高，60%以上的自然保护区面积主要分布在青藏高原地区，但重点保护物种栖息地和生态系统服务的关键区域主要分布在我国东部与南部地区。现有的自然保护区网络对不同类群栖息地的保护状况也有较大的差异，对哺乳动物及鸟类栖息地的保护关键区域覆盖比例较高，但对植物、两栖和爬行动物的栖息地，以及水源涵养、土壤保持、防风固沙与碳固定等主要服务功能的关键区域覆盖比例较低。
　　研究建议完善国际保护地体系，在世界自然保护联盟（IUCN）保护地体系中增加生态系统服务保护地类型以确保生态系统服务的供给。在我国应进一步完善国家自然保护网络体系，优化自然保护区格局，加强对植物、两栖和爬行动物等类群的珍稀物种的保护，建设保护区群，提高保护成效；根据生态系统代表性与典型性规划国家公园体系；以生态系统服务功能重要区为基础建立生态功能保护区。
　　本研究从国家尺度系统分析了现有的保护区体系对于生物多样性与服务功能的保护效果，研究成果可为我国自然保护区的空间优化、国家公园体系总体布局提供科学依据，也可为其他国家保护地建设提供借鉴，为联合国《生物多样性公约》2020年目标的实现提供新的途径。
　　该研究得到“全国生态环境十年变化（2000—2010年）调查评估”项目、保尔森基金会等资助。
　　文章链接
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年2月3日

2017-02-04