科研进展----中国科学院生态环境研究中心

曲广波等在二维黑磷生物相容性调控方面取得新突破

　　近日，中科院生态环境研究中心曲广波和中科院深圳先进技术研究院喻学锋团队合作在二维黑磷领域取得新突破，发现通过化学修饰的方法极大地降低了黑磷诱发的炎性反应，相关工作以Chemical modification improves biocompatibility of black phosphorus nanosheets为题在线发表于Angew.Chemi.Int.Edi.,(DOI:10.1002/ange.201706228)。
　　作为一种新型二维材料，黑磷近年来在光电器件、催化和生物医学等领域的巨大应用潜力引起了广泛关注，其应用所带来的潜在环境健康效应未知。如何提高黑磷的稳定性和生物相容性也成为将黑磷推向实际应用的关键。
　　为评估黑磷潜在的健康效应，研究团队通过哺乳动物巨噬细胞模型和小鼠动物模型对黑磷纳米片的潜在生物效应进行了研究，系统的评价了未经修饰的黑磷纳米片（Bare BPs）的体内毒性。结果表明，Bare BPs诱发骨髓嗜中性粒细胞迅速迁移至至外周循环系统，并伴随着一系列炎性因子的升高。脾脏和肺脏作为作为外源病原体和颗粒物等累积的重要器官，也表现出显著的炎性细胞浸润。在此基础上，研究团队在本项目工作中发展了一种利用钛配体修饰缓解Bare BPs所产生的一系列炎性行为。采用钛的苯磺酸酯配体作为修饰分子，利用钛原子的空轨道和苯磺酸酯的强吸电子效应，与黑磷纳米片的孤对电子对进行配位，对黑磷进行表面修饰。这种修饰后的黑磷（TiL4@BPs）未表现出述Bare BPs所诱发的一系列效应，在提高了黑磷稳定性的同时，显著的降低了黑磷的毒性。
　　本项目得到了基金委优青项目和中科院前沿科学研究重点计划等资助。
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表面修饰前后黑磷的炎性反应示意图
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年9月13日

2017-09-13

傅伯杰研究组应邀在《地球与行星科学年度评论》发表综述文章

　　由于傅伯杰研究组长期在黄土高原土地覆盖与地表过程方面高水平和系统性的研究工作，国际著名期刊Annual Review of Earth and Planetary Sciences（地球与行星科学年度评论）邀请他们撰写的综述文章“Hydrogeomorphic-Ecosystem Responses to Natural and Anthropogenic Changes in the Loess Plateau of China”于日前发表。
　　黄土高原是世界上黄土沉积最厚和分布最广的区域，也是水土流失最严重的地区之一。近年来由于退耕还林还草等生态恢复和水土保持措施的实施，区域生态系统结构和功能发生显著变化，在控制土壤侵蚀和减少黄河泥沙等方面取得突出进展，但同时也带来了径流减少和人工植被退化等新的生态环境问题。文章系统介绍了黄土物质特性和第四纪沉积特征、区域地貌结构、气候、土壤和植被特征。全面分析了近年来区域气候变化趋势与人类活动影响，包括土地利用/覆被变化以及坝库和梯田等工程措施。综合评述了土地覆被变化、水土保持工程和气候变化对水沙动态、土壤保持和生态系统的影响及生态水文效应，指出了区域生态系统可持续性的途径。
　　该研究得到了国家自然科学基金重大项目和中国科学院国际合作项目的共同资助。
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黄土高原气候特征、土壤侵蚀和水沙变化过程
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年9月11日

2017-09-11

费凡研究组等在体细胞重编程分子机制研究取得突破

　　近日，中国科学院生态环境研究中心与美国西奈山伊坎医学院的科学家们开展合作研究，在体细胞重编程的分子机制研究方面取得突破，发现转录因子Nac1参与调控体细胞重编程。这项研究发表在Stem Cell Reports上。
　　多能性干细胞能够转化为体内的任何一种类型的细胞，典型的多能性干细胞包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。胚胎干细胞分离自哺乳动物胚胎早期的内细胞团，诱导多能干细胞是通过细胞核重编程，将已终末分化的、仅具有单一潜能的体细胞转变为可多向分化的、具有多能分化特性的细胞。诱导多能干细胞与胚胎干细胞具有类似的特性，可分化为三胚层，亦可产生原始生殖细胞（PGCs）。因此，诱导多能干细胞具有替代胚胎干细胞的能力，不仅可避免医学上使用胚胎干细胞存在的伦理问题，还可为细胞治疗、自体医疗、药物筛选以及毒理学研究提供有利帮助。
　　Nac1表达的蛋白最初发现于大鼠脑的伏核中，多种癌症细胞中也存在高表达。在胚胎干细胞中，Nac1与多种干细胞因子具有相互作用，特别是和多能性相关的Nanog，以及和已被诺贝尔奖得主Yamanaka证实的重编程因子Oct4、Sox2均具有相互作用，但这些因子间的相互作用过程及机制尚未阐明。
　　中国科学院生态环境研究中心Faiola研究员与美国科学家合作，证实转录因子Nac1通过调节粘附因子E-cadherin的表达，进而影响体细胞重编程过程。Nac1下调E-cadherin的阻抑基因Zeb1，直接作用于基因位点抑制转录，并间接通过影响miR200家族从而调控Zeb1的mRNA水平。
　　论文链接
　　

Nac1调节Zeb1和E-cadherin介导的重编程。（A）：Nac1表达情况下体细胞重编程示意图；（B）：Nac1缺失情况下体细胞重编程示意图。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年8月4日

2017-08-05

战爱斌研究组在水体污染驱动浮游群落空间分布格局形成机制研究方面取得重要进展

　　日益频繁的人类活动带来大量污染物排放，导致河流水生生物多样性锐减，河流生态系统功能严重受损。因此，开展水质污染对河流生态系统影响的过程及机理研究，认识人类干扰胁迫下河流生态系统的演化过程、演化方向及其生态学机制，是目前水生态和水环境等多个研究领域的热点问题，也是污染河流生态修复必须回答的关键科学问题。其中，明确解析污染物影响河流生物群落空间格局形成的过程及机理是回答上述众多关键科学问题的基础，尤其针对水生态系统功能维系具有关键作用的浮游生物群落。
　　基于生态位理论的环境选择作用和基于中性理论的扩散作用是决定河流浮游生物群落多样性空间分布的两个重要作用因子，但二者在污染河流中对浮游生物群落空间分布格局影响的生态学机制尚不明晰。鉴于此，战爱斌研究组分别在流域和单条河流两个不同地理尺度上，深入研究了污染河流中浮游动物群落的空间分布格局及其驱动机制。
　　在流域尺度和单条河流尺度分别以海河流域和潮白河为研究对象，对河流代表性样点的浮游动物群落及水质参数进行系统分析。两个地理尺度的研究均表明与水体污染相关的环境因子是影响群落空间分布格局形成的关键因子。研究在流域尺度上证实了“环境选择作用”假说，但在单条河流尺度上否定了“扩散作用”假说，修正了前人关于“小尺度上扩散作用是影响群落空间格局形成的主要作用力”的结论，提出“在污染河流中，水体污染形成的环境梯度是决定浮游生物群落空间格局形成的主要驱动力（即小尺度环境选择作用假说）”。
　　以上研究得到了国家基金委项目和中国科学院生态环境研究中心“一三五”项目的资助。
　　论文一链接（流域尺度上的相关结果）
　　论文二链接（单条河流尺度上的相关结果）

在流域尺度上，影响浮游动物群落的关键驱动因子识别（I）；环境选择作用与扩散作用相对重要性分析（II）

在单条河流地理尺度上，在河流不同区段显著不同的环境条件（I）及浮游动物组成（II）；导致浮游动物群落空间分布格局的关键驱动因子识别（III）；环境选择作用与扩散作用相对重要性分析（IV）
　　中国科学院环境生物技术重点实验室
　　2017年7月11日

2017-07-11

吕永龙主编的《中国环境百科全书- 环境管理学》正式出版

　　2011年，《中国环境百科全书 –环境管理学》被国家环境保护部政策法规司、中国环境科学出版集团列入重点出版计划，邀请发展中国家科学院（TWAS）院士、中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员担任主编。经过近6年的编纂工作，几易其稿，由吕永龙主编、中科院生态环境研究中心副研究员贺桂珍博士担任副主编的《中国环境百科全书 –环境管理学》正式出版（中国环境科学出版社，2017）。来自中国科学院生态环境研究中心、中国科学院大学、中国人民大学、中国石油大学、南开大学、山西大学、浙江工商大学、中国科学院地理科学与资源研究所、国家环保部华南环境科学研究所、国家环保部环境规划院、国家环保部环境工程评估中心等单位的一批活跃在环境科学、生态学和环境管理学领域的中青年学者参与了编撰工作。
　　《中国环境百科全书-环境管理学》拟全面反映当今环境管理学的前沿和公众关注的热点问题，充分利用管理科学、环境经济学、政策科学等社会科学的理论范式和分析方法，广泛吸收自然地理、环境科学、系统科学、信息科学、计算模拟等自然科学理论和野外观察实验方法，将科学与政策有机结合，提供科学的环境调控与管理工具，提供有针对性的环境问题的系统解决方案。它不仅可作为环境管理部门的重要参考书，也可作为环境工程师、资源规划师、景观建筑师、生态学家、环境经济学工作者的工具书，更希望将环境管理学知识普及到广大公众。
　　至此，吕永龙研究员率领的研究团队经过20多年的探索性工作，在推进我国环境生态管理学的学科发展方面，取得了系统性的成果。1996年，在联合国教科文组织（UNESCO）、欧洲环境控制研究中心等支持下，将欧盟环境科学与工程专业《环境管理》三卷本研究生教材：《环境管理：生态系统方法》、《环境管理：部门分析方法》、《环境管理：可持续发展手段》（中国环境科学出版社出版）翻译引入我国，填补了当时国内缺乏相关专业研究生教材的空白。2009年，根据环境科学、生态学、管理科学等领域的国际发展动态，将环境系统分析方法、生态系统管理和环境技术创新理论相融合，主编了公共管理专业研究生教材《现代环境管理学》（中国人民大学出版社），已被中国科学院大学、中国人民大学等著名高校相关专业研究生广泛使用。
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年7月9日

2017-07-09

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。
　　论文链接

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.
原文链接。

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。
　　原文链接

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。
　　原文链接

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