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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。
原文链接
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
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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
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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。
论文链接
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
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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
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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
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生态环境中心在DNA损伤修复研究方面取得重要进展
环境污染等多种外源和内源因素可引起遗传信息载体DNA双链的断裂，而断裂的DNA双链可部分转化为单链DNA。RecA/Rad51家族蛋白可在单链DNA部分组装形成核蛋白丝，并通过快速、准确识别同源双链DNA（dsDNA）模板介导链交换过程，进而实现对DNA双链断裂的同源重组修复。但是，长期困扰人们的是：1）已知的拉伸、欠旋的核蛋白丝结构由于其固有的刚性如何能满足在大量非同源DNA并存且结构复杂的基因组中快速寻找到仅有1-2拷贝的同源DNA序列？2）这种结构主要是通过消除和抑制ATP水解而获得，但是在生理条件下核蛋白丝中的RecA可催化水解ATP，并导致一定的RecA解离。因此，在生理条件下又如何能保证核蛋白丝结构的完整性？
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组利用研制的毛细管电泳-激光诱导荧光偏振装置，发展了研究RecA在ssDNA上动态组装的分析新方法，可以快速捕获并分离溶液中形成的各种RecA核蛋白丝组装体。另外，通过独特的设计可防止RecA的解离，因此可在快速分离过程中有效保存已被捕获的RecA核蛋白丝。通过其电泳迁移行为的差异，并可以准确测量其结合计量学。
利用这种新分析方法，他们发现，在生理条件下，RecA在ssDNA上组装主要形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，其中超过一半的DNA并未结合RecA蛋白，即裸露的。在线荧光偏振分析、电镜成像分析、酶切保护性分析等一致证明了这一结果。体外链交换反应实验表明，低密度、不饱和的核蛋白丝是介导链交换反应的关键组装体；相应地，多个ATP水解活性缺失的RecA突变体仅形成高密度核蛋白丝（缺少裸露的DNA部分）并不能介导链交换反应。为了考察这一机制是否存在于活体内，他们利用绿色荧光蛋白基因和一种稀有的DNA内切酶基因，设计了一套精密的活体同源重组修复报告体系。利用这套活体报告体系，他们发现RecAP67D和P67E体外仅形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，在活体内可有效地介导同源重组修复。相反地，RecA P67R、P67K和P67Y拥有ATP水解酶活性，但不能形成低密度核蛋白丝组装体，难以介导活体同源重组修复。
该组通过一系列体外和活体实验，证明了介导同源重组修复的核蛋白丝的基本结构是由RecA蛋白通过ATP水解有限组装到单链DNA上形成的不饱和核蛋白丝组装体。这一发现是对传统同源重组修复的关键核蛋白丝组装体基础结构认识的一个重要改变，为深入理解同源重组修复机制提供理论依据。
研究成果在线发表于Cell Discovery（ATPase activity tightly regulates RecAnucleofilaments to promote homologous recombination, doi:10.1038/celldisc.2016.53）。该研究得到了中国科学院先导专项B、国家自然科学基金委的资助。
论文链接:http://www.nature.com/articles/celldisc201653
RecA利用其本身ATP酶水解活性紧密调控RecA在ssDNA上的组装，进而形成多种组装体结构，包括饱和、高密度核蛋白丝、中密度和低密度的不饱和核蛋白丝
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年1月21日
2017-01-22
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汪海林研究组在DNA损伤修复研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室汪海林研究组在DNA损伤修复方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Cell Discovery（ATPase activity tightly regulates RecAnucleofilaments to promote homologous recombination, doi:10.1038/celldisc.2016.53）。
环境污染物、电离辐射、药物化疗及细胞代谢等多种外源和内源因素能够引起各种形式的DNA损伤，其中DNA双链断裂对基因组稳定性的危害最严重，可威胁到细胞的生存。为了消除DNA双链断裂的威胁，从原核生物到真核生物（包括哺乳动物和人），均建立了一套复杂而精准的同源重组修复机制。具有DNA依赖性的ATP酶活性的RecA/Rad51家族蛋白，是同源重组修复通路的核心功能分子，可在单链DNA（ssDNA）上组装形成核蛋白丝（nucleoprotein filament），并通过快速、准确识别同源双链DNA（dsDNA）模板介导链交换过程，进而实现同源重组修复。具有活性的RecA/Rad51核蛋白丝的结构及其介导的链交换过程，一直以来是DNA修复研究的热点和难点。
过去30年的研究表明，RecA与ssDNA形成的核蛋白丝是一种刚性、已拉伸且欠旋的结构，其中ssDNA中每三个核苷结合一个RecA单体，并且ssDNA上所有核苷都为RecA单体占有，局部保留了B型DNA的构象。这种对称、完美的核蛋白丝结构已假定为介导同源重组的关键结构。但是，长期困扰人们的是：1）这种结构由于其固有的刚性如何能满足在存在大量非同源DNA且结构复杂的基因组中快速寻找到仅有1-2拷贝的同源DNA序列？2）这种结构主要是通过消除和抑制ATP水解而获得，但是在生理条件下核蛋白丝中的RecA可催化水解ATP，导致一定的RecA解离。因此，在生理条件下又如何能保证核蛋白丝结构的完整性？
汪海林研究组设想，在生理条件下，由于ATP的不断水解，相应地，RecA可解离，离去的RecA留下空位，引起新的RecA结合和组装，因此，将形成一种动态的RecA核蛋白丝。但是，当前的单分子分析等先进技术也难以测量RecA核蛋白丝的结合计量学，因此难以分析这种动态结构。该研究组在前期研究工作（PNAS 2009, 106, 12849; JACS 2011, 133, 9188）的基础上，利用研制的毛细管电泳-激光诱导荧光偏振装置，并进一步发展了研究RecA在ssDNA上动态组装的分析新方法。利用新分析方法，可以快速捕获溶液中形成的各种RecA核蛋白丝组装体，并通过快速(2.5min)、高效的毛细管电泳分离各种RecA核蛋白丝。另外，通过设计电泳缓冲液可抑制ATP水解，防止RecA的解离，因此可有效保存这些已被捕获的RecA核蛋白丝组装体的本身结构。通过其电泳迁移行为的差异，可以准确测量这些RecA的结合计量学。
利用这种新分析方法，他们发现，在生理条件下（即存在有效的ATP水解），RecA在ssDNA上组装可形成三种类型的核蛋白丝，包括高、中、低密度的核蛋白丝，但主要形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，其中超过一半的DNA并未结合RecA蛋白，即裸露的。在线荧光偏振分析、电镜成像分析、酶切保护性分析等一致证明了这一结果。体外链交换反应实验表明，低密度、不饱和的核蛋白丝是介导链交换反应的关键组装体；相应地，多个ATP水解活性缺失的RecA突变体仅形成高密度核蛋白丝（缺少裸露的DNA）并不能介导链交换反应。为了考察这一机制是否存在于活体内，他们利用绿色荧光蛋白基因和一种稀有的DNA内切酶基因，设计了一套精密的活体同源重组修复报告体系。利用这套活体报告体系，并进一步设计一系列RecAP67位氨基酸突变体。他们的研究表明，RecAP67D和P67E体外仅形成低密度、不饱和的核蛋白丝组装体，在活体内可有效地介导同源重组修复。相反地，RecA P67R、P67K和P67Y拥有ATP水解酶活性，但不能形成低密度核蛋白丝组装体，难以介导活体同源重组修复。
该组通过一系列体外和活体实验，证明了介导同源重组修复的核蛋白丝的基本结构是由RecA蛋白通过ATP水解有限组装到单链DNA上形成的不饱和核蛋白丝组装体。这一发现是对传统同源重组修复的关键核蛋白丝组装体基础结构认识的一个重要改变，为深入理解同源重组修复机制提供理论依据。
本研究得到了中国科学院先导专项B、国家自然科学基金委的资助。
论文链接:http://www.nature.com/articles/celldisc201653
RecA利用其本身ATP酶水解活性紧密调控RecA在ssDNA上的组装，进而形成多种组装体结构，包括饱和、高密度核蛋白丝、中密度和低密度的不饱和核蛋白丝
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年1月21日
2017-01-21
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郭良宏研究组在碳纳米管细胞外排生物过程和效应方面取得重要进展
由于碳纳米管独特的理化性质，使其在环境和纳米医药领域的应用潜力巨大。碳纳米管与细胞的相互作用始于与细胞产生物理接触，随后被细胞摄入、外排或者降解，这些生物过程决定了碳纳米管实际的细胞内暴露量，因而对碳纳米管后续的毒性/生物效应至关重要。全面深入了解这个复杂过程中涉及到的分子机制，为揭示和调控碳纳米管生物活性提供指导意义。目前，碳纳米管的细胞内吞机制已有报道，但是对于碳纳米管的细胞外排机制研究却鲜有提及。
中科院生态环境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近期在碳纳米管细胞外排生物过程和效应方面取得重要进展，相关研究成果发表于Small，并作为当期的封底文章。
该研究组近年来一直致力于研究碳纳米管的细胞毒代动力学和热力学过程及其毒理机制。最近，将碳纳米管暴露巨噬细胞，通过检测胞外ATP的释放，意外发现一种特殊的嘌呤受体-P2X7参与介导了碳纳米管的外排过程。同时研究发现，过量的胞外ATP结合P2X7受体后，能短暂激活该受体，并诱导细胞外钙离子内流，进而激活MAPK信号通路。并且碳纳米管在溶酶体内的累积会引起溶酶体碱化，导致碳纳米管会沿着重排后的细胞骨架导轨排出细胞。该项研究首次揭示了细胞外排碳纳米管的分子起始事件以及后续的细胞生物效应。该研究将为碳纳米管未来的生物应用率和毒性防治提供指导价值。
在细胞外排机制的基础上，研究组进一步发现，环境重金属离子（如：Ni2+）能抑制P2X7受体活性，进而阻碍碳纳米管的正常外排，造成过量的碳纳米管在细胞内累积，引起更大的毒性。该机制是一种新型的联合毒性作用机制，为研究环境中碳纳米管与其他污染物共存状态下的安全性评价提供了新的借鉴思路。
本研究得到中科院先导专项和国家自然科学基金委的资助。论文的第一作者是崔雪晶博士，通讯作者为万斌副研究员和郭良宏研究员。
论文链接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201670226/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201602410/full
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.6b03842
细胞外排碳纳米管的机制示意图
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年1月12日
2017-01-12
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刘景富研究组在纳米材料界面行为的原位拉曼研究方面取得重要进展
拉曼散射谱是一种具有高能量分辨率的指纹谱，特别是引入具有表面等离子体共振（SPR）特性的贵金属纳米结构形成表面增强拉曼散射（SERS）体系后，其灵敏度可提高到准单分子水平，在界面行为和过程研究方面大有可为。环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘景富研究组利用纳米银的SERS活性，原位研究了影响纳米材料界面效应和环境行为的若干关键过程，并取得了重要进展。
研究组刘睿博士等利用SERS的高能量分辨率，结合X射线吸收谱，提出并实现了通过Ag单原子层精细调控壳层金属原子与基底金属间的结合强度，从而在单原子层尺度调控壳层原子构象的新思路。他们在超细Au纳米线表面可控地构筑了高分散Pd原子和Pd团簇，并借助拉曼探针分子2,6-二甲基苯异腈分子对结合金属原子的指认和定量统计能力，发展了原位定性表征和定量测定不同构象Pd原子的新方法。利用该方法，揭示了催化硝基酚反应活性与单分散Pd原子以及电催化氧化乙醇反应活性与团簇态Pd的直接关系，从实验上明确了这两类反应的活性中心。该研究不但提供了一类可用于探测特定催化反应活性中心的模型催化剂，更重要的是揭示了精细界面调控在催化剂设计中的重要地位，以及SERS在此类研究中的独特作用。该研究受到审稿人的高度评价，认为其解决了非常重要且技术上非常具有挑战性的难题，论文发表在材料科学领域顶级期刊Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604571)。
研究组也借助SERS指纹谱对反应过程中多中间体的同时识别能力，建立了利用SERS原位追踪SPR生成热电子归趋的新方法。利用该方法，研究了光照下Ag基共振催化剂生成的热电子的分配-归趋行为，发现Ag针孔是决定热电子是否能有效传递给活性中心（例如Pd原子）用于催化反应的关键。此项研究为共振催化剂的设计提供了新的视角，并对Ag-Ag基半导体共振光催化剂的稳定性给出了新的解释，同时对阐明纳米银的环境稳定性也具有一定的意义。相关论文发表在Small, 2016, 12, 6378–6387。Wiley旗下“Materials views中国”以《雁过留影——基于SERS原位监控催化反应的热电子归趋追踪方法》为题详细介绍了该工作。
研究组还利用SERS技术，高灵敏、原位追踪了痕量纳米银在水？气界面的迁移过程，揭示了纳米材料的水界面微层富集现象，发现纳米银进入环境水体后迅速向水？气界面迁移，形成厚度数十微米、纳米银含量高于下层水体15-30倍的富纳米银表面微层。研究结果以封面文章发表在ACS旗下环境科学领域重要期刊Environmental Science & Technology Letters (2016, 3, 381–385)。
研究得到国家重大研发计划、国家自然科学基金委和中科院先导专项的资助。
论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604571/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201601773/full
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.estlett.6b00271
SERS技术揭示了Ag单原子层对壳层金属与基底金属原子间界面作用的调控
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2016年12月13日
2016-12-13
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刘思金研究组在纳米材料的环境健康研究方面取得重要进展
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诱导细胞DNA甲基化修饰改变与表观遗传毒性方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Advanced Materials (Genome-wide DNA methylation variations upon engineered nanomaterials and their implications in nanosafety assessment, DOI:10.1002/adma.201604580)
由于纳米材料独特的理化性质，对其进行毒性检测和安全性评价时，传统的毒理学检测方法与手段往往并不完全适用。尤其是在纳米材料低剂量暴露下（如环境暴露条件下），没有显著的氧化应激损伤时，一些非直接毒性效应如次级毒性反应和代偿损伤效应往往被忽视。在表观遗传信息的维护与传递中，DNA甲基化是重要的载体。在内外源性刺激下，DNA甲基化水平可发生快速变化以改变细胞的应激和代谢状态，因此DNA甲基化水平改变被视为细胞/机体响应内外源性刺激的敏感的早期指标。目前，对于纳米材料暴露导致DNA甲基化水平改变的变化规律和相关机制等方面存在诸多未知。
该研究组通过多种DNA甲基化检测和测序手段揭示了不同纳米材料在低剂量暴露下对全基因组DNA甲基化水平的影响规律。发现纳米银和氧化石墨烯增加基因组甲基化胞嘧啶（5-mC）含量，而相比之下纳米金、碳纳米管、纳米二氧化钛和纳米氧化锌的效应并不明显。高通量的全基因组甲基化测序（MeDIP-seq）、基因归类分析和相关的细胞毒性与生理功能评价显示，纳米银和氧化石墨烯引起的DNA甲基化改变可导致多种代谢过程和信号通路的异常，特别是细胞膜相关蛋白与膜骨架蛋白、能量代谢和离子通道蛋白等。这些变化导致细胞出现常规毒性检测方法无法检测出来的损伤效应及适应性与代偿性效应。
这项研究工作从表观遗传学角度深入探讨了纳米材料暴露后通过改变DNA甲基化水平而引发细胞损伤的分子机制，对揭示纳米材料的环境健康风险提供了重要的科学依据。同时，该研究提示，作为传统毒性评价方法的补充，DNA甲基化变化所介导的细胞生理与代谢改变可用作敏感的早期检测指标，为纳米材料的安全性评估提供新的思路。
本研究得到了国家基金委项目和科技部973项目的支持。该论文的第一作者是陈岳博士。
文章链接： http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604580/full
纳米材料诱导细胞DNA甲基化修饰改变与表观遗传毒性的机制示意图
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2016年12月6日
2016-12-06
