科研进展----中国科学院生态环境研究中心

刘思金研究组在石墨烯毒性机制方面取得重要进展

氧化石墨烯诱导巨噬细胞死亡的机制示意图
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石墨烯毒性机制研究方面取得重要进展。相关研究成果发表在美国化学会杂志ACS Nano（ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn402330b）上。
石墨烯优越的物理化学性质使其在多个领域有着潜在广泛应用。然而，随之而来的环境与健康风险也日益受到关注。目前，石墨烯引发巨噬细胞生物效应的分子作用机制并不完全清楚。刘思金研究组研究发现氧化石墨烯（GO）可通过作用于巨噬细胞膜表面的Toll样受体（TLR-4）诱发细胞的程序性坏死。
研究人员发现，GO可通过激活TLR4受体诱发细胞肿瘤坏死因子（TNF-α）的自分泌。TNF-α可作用于其细胞膜表面的TNF-α受体，使其下游的受体相互作用蛋白1（RIP1）和3（RIP3）磷酸化，进一步诱导细胞的程序性坏死。在此过程中，GO所诱导的活性氧（ROS）也促进了细胞的坏死过程。同时，GO可在巨噬细胞内大量累积，这可引发细胞骨架的塌陷和吞噬能力的抑制。Rho相关激酶（ROCK）在骨架动态平衡中起重要作用。而GO对细胞骨架的影响是通过抑制该激酶的活性实现的。这项研究工作对于揭示氧化石墨烯诱发的细胞死亡机制具有重要意义。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2013年6月5日　

2013-06-05

刘思金研究组在纳米银杀菌和细胞毒性机制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银杀菌和细胞毒性机制研究方面取得重要进展。相关研究成果发表在美国化学会杂志ACS Nano（ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn400594s）上。
由于其抗菌特性，纳米银被广泛应用于生产、生活的各个方面，然而目前对纳米银的抗菌活性和细胞毒性的分子作用机制并不完全清楚，特别是纳米银是否存在“颗粒效应”目前并没有定论。刘思金研究组研究发现纳米银可直接与RNA聚合酶结合，抑制聚合酶的转录能力，从而降低基因的表达水平。这种转录抑制效应并不依赖于银离子的毒性。小鼠的体内暴露研究发现，纳米银对胚胎时期红细胞前体细胞中RNA转录有显著的抑制作用，引发红细胞中血红蛋白水平降低，导致胎儿贫血，贫血是导致胚胎发育迟缓的机制之一。
本研究证实纳米银可通过“木马”（“Trojan horse”）效应将银带入细胞，细胞内同时存在纳米颗粒和银离子，纳米银可直接与RNA聚合酶结合，通过“颗粒效应”抑制基因转录。这项研究工作对揭示纳米银抗菌和产生细胞毒性的分子机制具有重要学术价值。

纳米银颗粒与RNA聚合酶结合抑制基因的转录示意图
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2013年4月18日

2013-04-18

“城市绿色发展生态技术研究与示范”项目总结会召开

4月15日至16日，中国科学院生态环境研究中心牵头承担的“十二五”国家科技支撑计划项目“城市绿色发展生态技术研究与示范”在北京召开了2012年度项目总结会暨学术研讨会。住房和城乡建设部建筑节能与科技司韩爱兴副司长和建筑节能与科技司科研处姚秋实工程师等项目组织单位领导，以及中国科学院大学崔彤教授、华东师范大学达良俊教授和中国科学院地理科学与资源研究所闵庆文研究员等专家出席。韩爱兴副司长代表项目组织单位讲话并对项目年度会议和后续研究和示范工作提出了要求，他肯定了由项目牵头单位中国科学院生态环境研究中心等单位负责的南阳生态社区综合示范工程的工作，并介绍了韩国板桥新城市项目，要求项目组借鉴国内外优秀工作的经验和思路，加强项目和课题的顶层设计，在建设集成技术综合性示范工程方面进一步加速推进，做出有高显示度，体现国家水平的示范项目。
项目负责人欧阳志云研究员和五个课题负责人分别汇报了2012年度开展的工作和取得的成果以及2013年度工作计划。与会专家对项目和各课题的工作进展表示了肯定，并建议在现有的研究基础上，加强技术集成的研究和应用以及综合示范点的建设，在创新性、集成性和示范性三个方面取得更大进展。
根据“城市绿色发展生态技术研究与示范”项目年度总结会的安排，项目组17位研究骨干和研究生在学术研讨会上做了学术报告。来自项目各参加单位以及北京大学和南阳市科技局的50余名代表参加了年度总结会和学术研讨。
城市与区域生态国家重点实验室
2013年4月18日

2013-04-18

赵斌研究组在二恶英类污染物神经毒理机制研究领域获得重要发现

中科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赵斌研究员研究组在二恶英类污染物神经毒理机制研究领域获得重要发现。相关研究论文最近发表在Environmental Health Perspectives（doi:10.1289/ehp.1206066）。
二恶英类持久性有机污染物造成多系统的功能障碍，包括学习、记忆、认知等高级脑功能障碍等，但是其神经毒理机制尚未完全阐明。本项工作发现二恶英类污染物在神经细胞中通过芳香烃受体（AhR）的活化及一系列下游信号通路，下调乙酰胆碱酯酶（AChE）基因的转录表达，从而造成AChE 表达水平的降低，最终导致神经细胞AChE 酶活性的降低及功能异常。这是首次关于二恶英直接干扰胆碱能神经传递系统功能的报道，揭示了二恶英可以通过作用于胆碱能神经传导系统而影响高级脑功能的毒理作用新机制。根据这一发现，将乙酰胆碱酯酶用于有机磷农药暴露的特异生物标志物的经典理论也需要重新评估和修正。
Environmental Health Perspectives由美国国家环境健康研究所主办，2012年影响因子为7.036，在全球公共卫生、职业卫生以及环境健康杂志中排名第一。

二恶英抑制神经细胞乙酰胆碱酯酶（AChE）活性的作用机理
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2013年4月8日

2013-04-09

“全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估”项目中期评估会议在京召开

3月26日至29日，中国科学院生态环境研究中心和环境保护部卫星环境应用中心在北京联合组织召开了“全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查与评估”项目中期评估会议。中国科学院资源环境科学与技术局和环境保护部自然生态保护司的领导，以及项目各专题负责人与技术骨干共100余人参加了会议。中国科学院副院长丁仲礼、环境保护部副部长李干杰出席会议并讲话。
项目中期评估分为技术评估和财务评估两个方面。项目21个专题的负责人从目标任务完成情况、阶段成果、下一阶段工作安排等方面向技术评估专家组汇报了专题进展，财务评估专家组分别听取了各专题经费到位情况、资金预算和使用规范性、资金预算执行率等方面的汇报。与会领导和专家对各专题工作进展和取得的成绩给予了充分肯定，并指出该项目组织有序、管理规范、进展顺利；同时，专家组围绕如何更好地开展下一阶段的工作、进一步加强经费管理提出了很好的建议。
最后，在听取项目首席科学家王桥研究员、欧阳志云研究员关于项目总体进展和阶段成果汇报后，丁仲礼和李干杰对项目下一阶段的工作提出了要求。丁仲礼指出：项目组要高度重视评估基础数据的精度、质量与整理，客观真实地揭示我国生态环境的变化特征；项目参与人员要认真分析、深入挖掘，阐明驱动我国生态环境变化的深层次原因；项目组要从制度设计层面，在分析我国生态环境变化及其驱动力的基础上，提出有针对性的管理建议，为我国生态环境保护提供科技支撑。李干杰要求有关部门要密切配合、通力合作，做好项目攻坚和成果产出阶段的工作，保质保量地按时完成调查与评估任务，为优化国土空间布局提供及时、有力的决策支撑。
城市与区域生态国家重点实验室
2013年4月5日

2013-04-05

水专项课题“北运河水系中游段生态治理关键技术与示范”通过验收

3月24日至26日，国家水专项管理办公室会同北京市水专项管理办公室在北京对水专项课题“北运河水系中游段生态治理关键技术与示范”进行了验收。以魏复盛院士为组长的验收专家组在听取了课题负责人魏源送研究员的课题验收报告及示范工程现场考察后，经质询和讨论，专家组一致认为课题成绩优秀，同意通过任务验收。随后，课题顺利通过财务验收。
该课题以水质改善为核心目标，分析了北运河中游段30年（1980-2010）的水环境质量时空演变特征和水化学演变特征，提出了温榆河水质改善综合实施途径；开展了旁路离线河流净化器关键技术的研究和示范，成果已在北京未来科技城滨水森林公园和温榆河（昌平段）流域管理中得到推广应用。课题研究成果可为海河流域非常规水源补给河流的生态治理与修复提供科技支撑。
“北运河水系中游段生态治理关键技术与示范”课题属于国家“十一五”“水体污染控制与治理科技重大专项”河流主题海河项目，由中国科学院生态环境研究中心主持，北京市水利科学研究所、中国环境科学研究院、中国科学院烟台海岸带研究所、中国人民大学等单位共同承担。
科技开发处
2013年3月29日

2013-03-30

汪海林课题组在毛细管电泳-单分子成像分析研究中取得重要进展

单个DNA分子不连续运动成像揭示场强变化的等速电泳动力学
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汪海林课题组在高灵敏分析的基础研究方面取得重要进展。他们利用先进的单分子成像技术研究并揭示了独特的等速电泳聚焦和分离的机理，其有关“DNA单分子不连续运动成像揭示场强变化的等速电泳动力学”的研究发表在国际著名化学期刊《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4644 - 4647）上。
带电组分在均一和非均一电场中的运动是电泳应用于化学、物理学、生命科学以及新兴的纳米科技领域的基础。目前，人们对带电组分在均一电场中的运动已经有了充分的认识，而对其在非均一电场中运动的了解却有限。事实上，通过巧妙设计非均一电场，可实现其它技术难以分离的超大DNA分子(80 kb) 的分离和多种分析物的高倍浓缩（可达百万倍）。因而，认识非均一电场中带电组分的运动机制对发展高灵敏的生物分子分析技术和方法具有特殊意义。尽管非均一电场的使用已有百年历史，但对于其形成机理的认识由于存在技术瓶颈而踯躅不前。
为了解决这一学科难题，汪海林课题组通过改造全内反射荧光显微成像仪器，首先实现了毛细管电泳-单分子荧光成像分析。在此基础上，以毛细管等速电泳（cITP）作为非均一电场模型，对流经毛细管检测窗口处单个DNA分子实时成像。由于每一幅像记录了单个DNA分子在50 毫秒内的运动轨迹，因此可以计算出每一时间点DNA单分子的运动速度。而DNA运动速度的大小直接与电场强度相关，从而可获得毛细管中电场强度的动态分布信息。通过研究电场强度的实时变化，揭示了电渗流存在下等速电泳的动力学，并首次提出了三区带模型，突破了传统二区带模型的局限。利用这一研究成果，他们发展一种新颖的DNA单分子聚焦方法，实现对极低浓度下随机分布的、难以检测的单分子成像，可检测出4′10-17mol/L DNA分子。
在这项研究工作中，汪海林课题组创造性地利用单分子成像技术测定电场强度的分布，提供了一种全新的非均一电场研究方法，这对发展基于电泳分离的高灵敏生物分析技术和方法具有重要意义。
该工作得到了国家杰出青年基金、国家973计划、重点实验室等的支持。
全文及相关录像：
http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/ja400126b
http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/ja400126b/suppl_file/ja400126b_si_001.avi

环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2013年3月29日

2013-03-29

Current Opinion in Environmental Sustainability期刊出版“生态系统服务”专辑

受Current Opinion in Environmental Sustainability期刊邀请，傅伯杰、Martin Forsius和刘建主编的专辑“Ecosystem services: climate change and policy impacts”在该刊2013年第1期刊出。该期刊主要特邀环境可持续领域跨学科的综述和观点性文章，侧重于跨学科与社会实践。生态系统服务受人类活动和气候变化双重影响，气候变化背景下的生态系统服务综合研究对生态系统恢复，建立生态补偿机制和保障生态安全具有重要意义。本专辑共邀请刊发了16篇来自世界不同国家和地区的相关文章，从生态系统服务科学方法、气候变化和生态系统服务、生态系统服务的政策和人文方面以及地区案例研究等四个方面总结和介绍了生态系统服务研究的最新进展，包括生态系统过程、长期生态研究与生态系统服务；生态系统服务的多尺度评价；生态系统恢复与生态系统服务；生态系统服务与减贫及生态系统服务综合管理等。
专辑内容详情请见：http://www.sciencedirect.com/science/journal/18773435/5/1
城市与区域生态国家重点实验室
2013年3月28日

2013-03-28

水环境水生态研究组在湿地厌氧氨氧化氮循环方面取得重要进展

长久以来，人们一直认为，氨的氧化只在有氧条件下发生。新近研究发现在缺氧/厌氧条件下，氨也可以由厌氧氨氧化菌以亚硝酸为电子受体直接氧化为氮气，完成封闭的产氮气循环，同时避免温室气体N2O产生。它打破了人们对传统氮循环模式的认识，受到国际社会的广泛关注。
目前厌氧氨氧化在自然界的研究还局限于海洋生态系统，且已探明厌氧氨氧化反应的产氮气量（>50%）要高于反硝化反应。在此之前，厌氧氨氧化反应是否在陆地生态系统也发挥重要作用尚不明确。
针对这一问题，中科院生态环境中心水环境水生态研究组祝贵兵副研究员在尹澄清、单保庆研究员的指导下，通过与国内外科学家的合作，从生物地球化学、微生物生态学以及环境科学等多个角度开展深入研究，取得了系列研究成果，发表在相关领域的国际知名杂志。
稻田是陆地生态系统N2O的最大释放源之一。以往研究认为，稻田中氮的流失主要包括氨挥发、径流、植物吸收等过程。祝贵兵通过田间实验证明，在典型高氮污染的稻田土壤中存在大量的厌氧氨氧化菌并发生显著的厌氧氨氧化反应。在研究地点，通过厌氧氨氧化反应流失的氮量占总氮气生成量的4%-37%，每年每平米损失的氮素高达76g。这是厌氧氨氧化反应首次报道于稻田土壤生态系统（ISME Journal. 2011. 5(12): 1905-1912）。
在研究组多年岸边带研究的基础上，根据厌氧氨氧化的反应底物以及岸边带的生物地球化学特征和景观异质性特点，提出湖泊岸边带可能是厌氧氨氧化反应的热区这一假设。首先在白洋淀一处典型的岸边带系统进行现场实验，发现岸边带沉积物是厌氧氨氧化反应的热区和厌氧氨氧化菌的高丰度区域；在此基础上进行全湖大面积采样并进一步证实，且得到的厌氧氨氧化活性和丰度值均高于已报道的速率和丰度，占总氮气生成量的比值达到11-35%；另外还发现，厌氧氨氧化的反应热区能够显著降低N2O的释放。相关成果发表在Nature Geoscience上（Nature Geoscience. 2013. Online Publication. DOI: 10.1038/NGEO1683）。.
自然界厌氧氨氧化反应速率与厌氧氨氧化菌丰度和种群结构都密切相关。在陆地生态系统中，河流表层具有很大的氨氮通量，而地下水系统是亚硝酸盐通量的最大载体，由此推测河流岸边交错带也可能发生显著的厌氧氨氧化反应。以珠江河流岸边带沉积物为研究对象，进行了不同时空变化条件下的相关研究。发现尽管河流岸边带具有非常高的厌氧氨氧化菌的丰度，还与种群结构密切相关，但是厌氧氨氧化反应速率并不与其丰度严格线性相关（Environmental Science & Technology. 2012. 46: 8834-8842）。
综合以上自然湿地研究的成果，开发了人工湿地通过厌氧氨氧化反应实现N2O减排的方法。系统稳定后，厌氧氨氧化反应速率提高了10倍，占总氮气生成量的比值提高了5倍达到42%，而且减少了30%的N2O排放。成果发表于Environmental Science & Technology（2011. 45(23): 9951-9958）。
以上研究得到了国家自然科学项目、环境水质学国家重点实验室自由探索项目、中科院青年人才项目和北京市科技新星的资助。
相关论文：
1.　　　　 Guibing Zhu, Shanyun Wang, Weidong Wang, Yu Wang, Leiliu Zhou, Bo Jiang, Op den Camp, H. J. M., Hefting M, Risgaard-Petersen Nils, Yongzhen Peng, Lorenz Schwark, Mike Jetten, Chengqing Yin. Hotspots of anaerobic ammonia oxidation at land-freshwater interfaces. Nature Geoscience. 2013. Online Publication. DOI: 10.1038/NGEO1683.
2.　　　　 Guibing Zhu, Shanyun Wang, Yu Wang, Chaoxu Wang, Nils Risgaard-Petersen, Mike S.M. Jetten, Chengqing Yin. Anaerobic ammonia oxidation in a fertilized paddy soil. ISME Journal. 2011. 5(12): 1905-1912.
3.　　　　 Shanyun Wang, Guibing Zhu*, Mike S. M. Jetten, Chengqing Yin. Anammox bacterial abundance, activity and contribution in riparian sediments of the Pearl River Estuary. Anammox bacterial abundance, activity and contribution in riparian sediments of the Pearl River Estuary. Environmental Science & Technology. 2012. 46: 8834-8842.
4.　　　　 Guibing Zhu, Shanyun Wang, Xiaojuan Feng, Gaina Fan, Mike S. M. Jetten, Chengqing Yin. Anammox bacterial abundance, biodiversity and activity in a constructed wetland. Anammox bacterial abundance, biodiversity and activity in a constructed wetland. Environmental Science & Technology. 2011. 45(23): 9951-9958.
5.　　　　 Guibing Zhu, Mike S.M. Jetten, Peter Kuschk, Katharina Ettwig, Chengqing Yin. Potential roles of anaerobic ammonia and methane oxidation in the nitrogen cycle of wetland ecosystems. Applied Microbiology and Biotechnology. 2010. 86(4): 1043-1055.
6.　　　　 Wang Yu, Guibing Zhu*, Harhangi, H. R.; Zhu Baoli, Jetten, Mike, Yin Chengqing, Op den Camp Huub, . Co-occurrence and distribution of nitrite-dependent anaerobic ammonium and methane oxidizing bacteria in a paddy soil. FEMS Microbiology Letters; 2012. 336: 79–88
环境水质学国家重点实验室
2013年1月21日

2013-01-23

《全国生态功能区划》获2012年度国家科学技术进步二等奖

《全国生态功能区划》将国家生态保护战略需求与国际生态学前沿结合，针对协调开发与保护的科学基础和调控方法，以生态系统服务功能评价方法及其应用为主线开展了系统研究。建立了我国陆地生态系统服务功能及其经济价值评价方法，阐明了我国生态服务功能特征，创立了生态功能区划的理论、程序与方法，揭示了我国生态系统服务功能与生态敏感性空间分布规律，制定了全国生态功能区划方案，确定了对保障我国生态安全具有重要作用的重要生态功能区。
项目提出的区划方法和区划成果得到了广泛应用，取得了显著的生态环境效益和社会效益。区划方案与生态评价方法直接应用于《全国主体功能区规划》和《省级主体功能区域划分技术规程》。确定的重要生态功能区为国家“十一五”规划纲要中限制开发区和禁止开发区、国家“十二五”规划纲要中重点生态功能区、国家生态转移支付范围、《全国国土规划纲要》确定国家基础生态用地提供了基础和依据。基于《生态功能区划暂行规程》，全国31个省、自治区、直辖市先后编制完成了生态功能区划方案。生态服务功能评价方法和生态功能区划方法在青藏高原环境保护、京津冀生态环境保护与建设等区域生态保护与建设规划中得到应用，数百个市县用于编制生态功能区划，并为北京和广州等城市空间发展战略等提供了技术支撑。环境保护部认为该成果“对促进我国生态保护工作由经验型管理向科学型管理转变、由定性型管理向定量型管理转变、由传统型管理向现代型管理转变奠定了科学基础”。
《全国生态功能区划》成果被认为“是我国继自然区划、农业区划等工作之后，在生态保护与建设领域的重要基础性工作”，“为区域生态系统管理、自然资源开发、产业调整布局及国家主体功能区划分提供科学依据，是保障国家生态安全、实施可持续发展战略的科学基础”。Paul Ehrlich等三位美国科学院院士在国际著名杂志《自然》(Nature, Vol 486，June 7, 2012)的研究评述中，对中国生态功能区划和重要生态功能区进行了重点介绍，并给予高度评价。文章认为“中国重要生态功能区模式及其政策创新，为整合生态保护与人类发展提供了新的范式，具有广泛的应用前景。”项目主持人欧阳志云等还应邀在牛津大学、斯坦福大学，以及IUCN等相关国际组织举办的国际学术研讨会上做特邀或主题报告介绍中国生态功能区划及其在生态保护中的应用。
全国生态功能区划在环境保护部指导和组织下开展，由城市与区域生态国家重点实验室生态系统评价与规划研究组为主承担完成，并得到全国各省环境保护部门及有关单位协助和支持。全国生态功能区划获2012年度国家科学技术进步二等奖，主要完成人有欧阳志云、傅伯杰、高吉喜、王效科、郑华、赵同谦、肖荣波、赵景柱、肖燚、徐卫华等。
城市与区域生态国家重点实验室
2013年1月21日

2013-01-22