科研进展----中国科学院生态环境研究中心

邓晔研究组等在二氧化碳升高对土壤微生物的影响研究上取得进展

　　中国科学院生态环境研究中心中科院环境生物技术重点实验室邓晔研究组与美国俄克拉荷马大学环境基因组研究所等多家单位合作，在全球变化过程中CO2升高对大尺度范围土壤微生物地理学分布特征的影响做出了初步的评估，其研究结果近期发表在生态学权威杂志Global Change Biology上（全文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.13098/full）。
　　大量的研究都表明，空气中CO2的升高对土壤中微生物群落的组成、功能、互作网络等都产生了一系列的影响，但由于实验站点和生境的不同，得到的结果也相差很大。并且这些发现都局限在某一个CO2升高的实验站点，对于大范围跨区域的影响缺乏综合的评价。邓晔研究员与贺志理研究员、周集中教授等合作，针对美洲六个不同区域不同生境CO2升高的模拟站点（Free air CO2 enrichment, FACE）使用高通量基因芯片GeoChip开展了土壤微生物的宏基因组研究。其结果表明，微生物群落的β多样性在正常CO2和升高CO2的条件下都呈现出明显的地理区域分布格局，但在升高的CO2条件下下降得更为明显（见下图a），特别是在跨区域的尺度上（见下图b）。这一规律说明CO2的升高加大了微生物群落的空间差异，而土壤异质性的增加可能是造成这一差异的重要因素。
　　该研究得到了中国科学院战略先导专项的支持。

　　正常CO2水平(aCO2)和升高CO2水平(eCO2)下微生物群落间的相似性(Sorenson similarity)与它们地理距离(Geo distance (km))间的关系
　　中科院环境生物技术重点实验室
　　2015年10月30日

2015-10-30

贺纪正研究组应邀发表微生物调控土壤氧化亚氮排放的综述文章

　　氧化亚氮（N2O）是具有强大温室效应潜能的气体。陆地生态系统是N2O人为排放的最大来源，约占全球N2O释放总量的65%。大量研究表明，土壤微生物在氮素生物地球化学循环过程中起核心作用，但人们对N2O排放的微生物学机理和途径的认识还不够系统和完善。当前用于预测N2O排放的很多生物地球化学模型仅仅考虑了土壤环境因子、气候因子和土地利用方式等，并没有将参与氮循环的功能微生物作为一个重要参数引入模型。最近，应国际著名微生物学杂志FEMS Microbiology Reviews编辑邀请，生态环境研究中心贺纪正研究组结合多年来在土壤氮素循环微生物过程研究方面的成果，系统总结了陆地生态系统中参与N2O气体形成的关键微生物类群（图1），影响土壤N2O排放通量的主要环境因子，识别N2O微生物形成途径的技术和方法，并提出了一个从基因水平到生态系统模型水平上研究陆地系统N2O排放的方法框架模型（图2）。该综述发表于最近出版的FEMS Microbiology Reviews上（Microbial regulation of terrestrial nitrous oxide formation: understanding the biological pathways for prediction of emission rates. 39: 729-749）。该成果为系统认识陆地系统中N2O产生的机理、预测和调控提供了技术途径和重要参考，对推动生物地球化学模型的优化具有重要指导意义。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）“土壤-微生物系统功能及其调控”和国家自然科学基金的资助。
　　论文链接：http://femsre.oxfordjournals.org/content/39/5/729.

图1. 参与土壤氧化亚氮（N2O）形成和氮循环的主要微生物及其氮转化途径

图2. 从基因水平到生态系统水平来研究和预测土壤N2O气体排放的方法框架
　　土壤环境科学实验室
　　2015年10月13日

2015-10-13

刘思金研究组在氧化石墨烯诱发炎性反应的机制方面取得重要进展

　　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氧化石墨烯（GO）诱发巨噬细胞活化与促炎性反应的分子机制研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于美国化学会杂志ACS Nano（ACS Nano, 2015,DOI:10.1021/acsnano.5b04751）。
　　GO以其优良的理化特性和生物相容性，在生物医药与环境等领域具有广泛的应用前景。目前，对于GO自身理化特性（如尺寸）是如何影响其生物效应与生物相容性等并不十分清楚。该研究团队发现：不同尺寸GO在激活巨噬细胞和诱发局部与系统性炎症反应方面存在很大差异：与小尺寸的GO相比，大尺寸的GO更易活化巨噬细胞并促发炎症反应。一系列的细胞与分子生物学研究表明：相比较于尺寸较小的GO，大尺寸GO更倾向结合于巨噬细胞的细胞膜表面，与膜的相互作用更强。进一步的机制研究揭示，不同大小的GO在不同程度上激活位于细胞膜表面的Toll样受体（TLR分子），并差异活化其介导的下游NF-κB促炎反应通路。同时发现，大尺寸的GO显著刺激巨噬细胞向M1亚型极化，从而放大炎性级联反应。本研究对于揭示GO的潜在免疫毒性、调控其组织与细胞相容性等方面有重要意义，同时对于设计GO的生物医药与环境应用等方面也具有一定的指导价值。
　　该研究得到了国家纳米973项目和国家基金委项目的支持。

氧化石墨烯活化巨噬细胞、诱发机体炎症反应具有尺寸相关性
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2015年9月23日

2015-09-23

吕永龙研究组在区域尺度污染物多介质传输模拟方面取得重要进展

　　中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员研究组在区域尺度持久性有机污染物（POPs）空间多介质传输模拟方面取得重要进展。相关研究成果先后在国际著名刊物Environment International上以系列论文形式发表（Environment International, 2014, 63: 53-63; 2015, 85:15-26）。
　　持久性有机污染物（POPs）的生态风险和人体健康风险评价是进行化学品管理和环境决策的重要参考。POPs不但种类繁多，而且具有多介质分布和长距离传输等特点，对其进行大范围常规监测难度大、成本高。空间多介质传输模型能够模拟POPs在区域尺度上的环境行为、揭示其传输规律，并预测其时空分布，是进行POPs生态风险评价研究的重要内容和前沿方向。
　　吕永龙研究组近年来以环渤海地区为研究区域，基于逸度模型原理构建了区域尺度上的 POPs空间多介质迁移模型，根据区域特点对模型进行了参数化。以苯并[a]芘（BaP）为目标物质，估算了其在环渤海地区的空间排放，在稳态条件下模拟了其在环渤海地区大气、植被、淡水、淡水沉积物、海水和土壤等6种环境介质中的迁移扩散过程，根据模型结果分析了BaP在环渤海地区的介质分配、相间及空间迁移过程，通过模型结果与实测值对比、参数敏感性分析及蒙特卡洛不确定性分析等方法对模型的可靠性进行了验证（Environment International, 2014, 63: 53-63）。在此基础上，根据全氟辛烷磺酸（PFOS）在溶解度、吸附系数及生物累积因子等方面的特殊性改进模型算法及相关参数，构建了适用于PFOS的空间多介质传输模型，模拟了稳态条件下PFOS在环渤海地区多介质迁移和归趋，根据模型结果分析了PFOS空间多介质传输过程、关键途径以及不同排放情景和水量季节性变化对PFOS多介质暴露浓度和传输过程的影响，评估了环渤海地区PFOS排放生态风险及影响因素，并对比分析了典型POPs（BaP）和新型POPs（PFOS）在介质暴露、环境归趋及传输途径等方面的异同（Environment International, 2015, 85:15-26）。
　　该模型的开发和应用为在其他区域开展POPs空间多介质迁移模拟工作提供有益的方法和经验。这一系列研究结果不仅为该地区POPs生态风险和健康风险评价提供了基础数据和方法支持，也可为我国控制POPs 排放，制定区域产业调整对策提供科学依据。
　　上述研究得到了国家自然科学基金项目(414201040045, 41371488)、科技部国际科技合作项目(2012DFA91150)和中国科学院重点资助项目(KZZD-EW-TZ-12)等的支持。
　　[1] Shijie Liu, Yonglong Lu*, Shuangwei Xie, Tieyu Wang, Kevin C. Jones, Andrew J. Sweetman, 2015. Exploring the fate, transport and risk of Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) in a coastal region of China using a multimedia model. Environment International. 85, 15-26.
　　http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412015300350
　　[2] Shijie Liu, Yonglong Lu*, Tieyu Wang, Shuangwei Xie, Kevin C. Jones, Andrew J. Sweetman, 2014. Using gridded multimedia model to simulate spatial fate of Benzo[α]pyrene on regional scale. Environment International. 63, 53-63.
　　http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0160412013002304
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2015年8月26日

2015-08-26

刘思金研究组在纳米银的环境健康研究方面取得进展

　　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银改变细胞内表观遗传信息方面，取得了新的进展，相关研究成果近日在线发表于Biomaterials(Silver Nanoparticle-Induced Hemoglobin Decrease Involves Alteration of Histone 3Methylation Status. DOI：10.1016/j.biomaterials.2015.08.015)。
　　该研究组发现纳米银低毒性浓度暴露红细胞前体细胞，纳米银一方面抑制了组蛋白甲基化酶的活性，另一方面通过与组蛋白H3结合而降低H3上两个位点（K4/K79，与基因激活相关）的甲基化水平，综合起来结果导致RNA聚合酶在红蛋白基因位点上的结合率大大降低，从而抑制了血红蛋白基因的表达。这项研究工作从表观遗传学角度揭示了纳米银在低毒性浓度下生物效应的分子生物学机制。
　　纳米银是目前全球产量和使用量最大的人工纳米材料之一。纳米银由于其优良的抗菌特性，被广泛用于日常生活和医疗卫生的各个方面，因此其潜在的环境与健康风险也越来越受到人们关注。为深入的了解纳米银暴露的环境健康风险，该研究组发表了综述论文系统地总结了纳米银进入生物体的途径以及在生物体内的组织分布；纳米银与生物分子的相互作用；纳米银进入细胞的途径以及引发效应的生物机制等方面的研究现状和进展，并对未来的研究前景进行展望。综述论文详见：Mechanisms of nanosilver-induced toxicological effects: more attention should be paid to its sublethal effects. Nanoscale. 2015;7(17):7470-81.
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2015年8月13日

2015-08-13

吕永龙研究组水土污染对食品安全的影响及健康风险研究引关注

　　中科院生态环境研究中心吕永龙（第一与通讯作者）研究组于2015年1月在著名期刊Environment International上发表了题为Impacts of Soil and Water Pollution on Food Safety and Health Risks in China （水土污染对食品安全的影响及健康风险）(2015, 77:5-15)的文章。Elsevier近日发函，经Elsevier文章使用报告统计，截至2015年6月，该文章发表仅5个月下载量就达3780次。
　　环境污染和食品安全是目前关系到人类健康的两大主要问题，尤其是水土污染对食品安全的历史累积效应给人体健康带来很大的威胁。污染和日益加剧的食品安全问题已经影响了中国很大一部分居民，因此该地区的状况比其他任何地方都复杂且具有挑战性，水资源短缺、农药使用过量和化学品污染是目前影响中国食品安全最重要的因素。为了满足农业生产的灌溉需求，地表水短缺已导致中国部分地区长期使用污水灌溉，由此带来严重的农田土壤和食品污染问题，尤其是重金属的污染。因此，研究威胁食品安全的农药残留和重金属污染问题，减轻其对人体健康的风险，具有非常重要的意义。文章采用系统分析的方法，将水污染与土壤污染综合考虑，分析了水土污染的时空分布格局及其对农作物质量的影响，特别是土壤中农药和重金属残留对作物质量的影响。研究表明，水土污染对食品安全日益增加的负面效应使越来越多的人罹患癌症的风险，并在局部地区发生了污染风险事故，也在一些发达的水系区域产生了“癌症村”。文章提出食品安全政策应与水土污染管控政策相结合，加强相关水、土、食品、健康、环境等部门的协调与联动，并提出了确保食品安全与人体健康的综合调控政策。
　　该项研究得到了国家国际合作专项（2012DFA91150）、国家自然科学基金（No. 414201040045，No.41371488）和中科院重点部署项目（No.KZZD-EW-TZ-12）等的支持。
　　Yonglong Lu, Shuai Song, RuoshiWang, Zhaoyang Liu, Jing Meng, Andrew J. Sweetman, Alan Jenkins, Robert C. Ferrier, Hong Li, Wei Luo, Tieyu Wang，2015. Impacts of soil and water pollution on food safety and health risks in China, Environment International, 77:5-15.
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2015年8月3日

2015-08-03

杨敏研究组在推动焦化废水处理新技术工程化应用取得重要进展

　　高浓度焦化废水的达标回用或外排是国内焦化企业目前普遍面临的重大难题。中国科学院生态环境研究中心开发的以生物种群调控-反应吸附为核心的焦化废水深度处理工艺，在内蒙乌海广纳日处理700吨的焦化企业污水处理改造中得到成功应用，在来水CODcr和总氮浓度分别为4500-5200mg/L和280-350mg/L的条件下，出水指标可满足国家最新排放和回用标准，吨水处理成本远低于现运行费用。6月20日，乌海市环保局组织了对该达标改造工程的验收，对工程运行效果给予了高度评价，通过焦化废水无稀释处理达标验收。
　　科技开发处
　　2015年6月25日

2015-06-25

生态环境中心在生态系统服务多尺度评估及应用的合作研究中取得重要进展

　　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欧阳志云研究组与西安交通大学等单位合作，在生态系统服务多尺度评估及应用研究方面取得重要进展，相关成果在线发表在PNAS上（http://www.pnas.org/content/early/2015/06/10/1406486112）。
　　明确生态系统服务传递过程中多个利益相关者的成本、效益及其时间动态，是科学设计、成功实施保护与发展政策的关键。然而，阐明生态系统服务在哪里产生、传递的时间动态怎样、传递给哪些受益者却又是政策评估的难点。研究组以南水北调中线水源地陕西安康的“移民安置”项目为对象，采用生态系统服务评估模型InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）、农户调查等方法，研究了生态系统服务四个尺度利益相关者（移民安置农户、当地政府、下游水资源用户和全球受益者）的成本效益及其时间动态。
　　评估发现：尽管政府短期投入成本远大于其短期效益，但长远来看，移民安置政策增加了生态系统水质净化、土壤保持和固碳服务，将给当地政府、下游水资源用户和全球受益者带来显著的净效益。然而，对移民搬迁农户而言，需要付出较高的安置成本，导致贫困农户由于缺乏支付能力而难以参与移民安置项目，增加移民补贴以及移民安置后的生计扶持、从水质改善和固碳服务增加的受益者中获得补偿等措施将有助于实现项目预期目标。该项研究以生态系统服务的多尺度传递为基础，将生态系统服务与多个尺度利益相关者的福祉有机联系起来，为开展保护与发展政策的综合研究提供了框架和科学方法，研究成果有助于推动保护与发展政策的科学设计、合理评估和高效实施。
　　该研究得到国家自然科学基金、城市与区域生态国家重点实验室自主项目等资助。
　　
保护与发展政策评估框架
　　论文全文链接：
　　http://www.pnas.org/content/early/2015/06/10/1406486112.full.pdf
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2015年6月16日

2015-06-16

生态环境中心开展环境污染物“干细胞毒理学”研究

　　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外籍研究员Francesco Faiola研究组结合环境毒理学和干细胞生物学，在国际上首次明确提出研究环境污染物“干细胞毒理学”，相应观点作为Viewpoint发表于Environ. Sci & Technol.。
　　近年来，新型持久性环境污染物数量逐年递增，而相应的毒理学效应尚不明确。越来越多的研究者意识到，建立一个切实有效的人类健康相关的综合性毒理学分析方法迫在眉睫。但传统毒理学研究多依赖于动物模型，尽管近年来该方法已经取得长足进展，却依然面临着成本过高、费时费力以及备受动物伦理争议等诸多问题。相对于传统体外毒理学研究模型的局限性，干细胞技术在毒理学研究中的应用为该领域带来了全新的思路和优势：1）干细胞在污染物的急性毒性测试中往往比普通体细胞更加敏感；2）干细胞在污染物作用下分化的异常表型可以作为胚胎发育毒性的最佳判断标准，可以用来模拟人体胚胎发育的早期阶段；3）干细胞可分化为各种终末端的体细胞，用于不同类型的功能性分析；4）污染物对人类生殖能力的影响普遍受到关注，而多能性干细胞是体外研究污染物对生殖系统影响的最佳模型。
　　干细胞毒理学提供了一个不依赖于动物实验的评价体系，可以完成污染物的各种毒性评价，包括急性毒性、胚胎毒性、发育毒性、器官毒性、生殖毒性和功能毒性评价，同时还可直接对人体健康影响进行多方位分析及评估。干细胞毒理学研究的成果有望为环境污染物的检测、处置与管理提供有效的科学参考。

干细胞毒理学实验方法框图
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2015年6月1日

2015-06-01

全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估项目成果鉴定会在京召开

　　5月25日，中国遥感应用协会在北京组织召开了由环境保护部与中国科学院联合开展的《全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估》项目成果鉴定会。
　　项目提出了生态系统“格局-质量-功能-问题-胁迫”的总体框架，建立了遥感和地面结合的“天地一体化”调查评估技术体系，构建了多源数据驱动的遥感调查评估模型方法体系，形成了多尺度多专题相结合的调查评估模式，为开展定期生态环境调查评估奠定了基础。
　　项目全面获取了我国生态系统状况及其动态变化信息，明确了我国生态系统类型构成与格局、生态系统质量、生态服务功能、生态问题现状特征与2000-2010年的变化趋势，深刻揭示了我国生态系统与生态问题变化的驱动力与主要原因，分析了我国生态保护管理的主要问题，提出了新时期生态环境保护对策与建议。项目成果已在多项国家生态保护政策制定、生态保护重点工作和日常管理业务中发挥了支撑作用，并成为新时期我国生态环境保护管理与决策的重要依据，环境与社会效益显著。
　　成果鉴定委员会认为，该项目通过环境保护部与中国科学院3年联合攻关，取得了生态环境遥感调查与评估技术集成创新，填补了我国生态系统状况本底资料、调查评估框架、内容指标体系、技术方法体系等方面的空白，在综合评估技术体系与生态系统综合评估等技术方面的成果国际领先。
　　环境保护部生态司、中国科学院科发局等部门领导，中国科学院生态环境研究中心、中国科学院遥感与数字地球研究所、中国科学院地理科学与资源研究所、环境保护部卫星中心、中国环境科学院、中国环境监测总站、环境保护部南京所、环境保护部华南所、环境保护部规划院等项目各国家级专题主要承担单位的专家和技术骨干出席了会议。

鉴定会会场
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2015年5月27日

2015-05-27