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刘振刚研究组在生物炭土壤固碳和遗留磷利用领域发表综述和观点论文
温室气体减排和碳生态封存是应对全球变暖的两个关键过程。生物炭可以在土壤环境中长时间稳定存续进行直接碳封存，还可以通过改善土壤结构和优化微生物群落、减少土壤中温室气体排放、促进植物源碳的固存。目前，生物炭已经成为促进土壤生态固碳以及温室气体减排领域的研究热点。但是，生物炭在进入土壤后的稳定机制、对土壤碳源的激发效应（图1）、对温室气体排放和养分循环的影响机制、土壤应用等核心限制因素方面的认知差距制约了生物炭材料在土壤中的安全应用。中国科学院生态环境研究中心刘振刚课题组针对上述研究进展撰写了“Carbon sequestration strategies in soil using biochar: Advances, challenges, and opportunities”的综述论文和“Hydrochar: A promising activator for legacy phosphorus in soil”的观点论文，近期分别发表在Environmental Science & Technology（doi: 10.1021/acs.est.3c02620）和Resources, Conservation & Recycling（2023, 197, 107113）期刊。
图1. 生物炭在土壤环境中关键反应过程和影响因素
综述论文首先厘清了生物炭（biochar）（热解炭（pyrochar）和水热炭（hydrochar））的定义内涵；系统比较了热解炭、水热炭在土壤环境不同稳定性及主控因素；详细探讨了热解炭和水热炭诱导土壤有机碳分解的激发效应作用机制等关键问题。首次提出土壤环境中有效态C/N化学计量比是影响生物炭稳定性和有机碳在土壤环境转化的关键因素的观点（图2）；全面阐述了生物炭中氮形态转化对土壤生态系统温室气体排放的重要贡献；通过对生物炭在土壤应用阈值、经济成本等方面限制生物炭在土壤固碳应用因素的分析，建议开展应用生命周期评价方法指导生物炭的固碳应用、降低其环境风险的相关研究。
图2. 生物炭中氮素形态转化及化学计量C/N对生物炭诱导土壤激发效应影响的示意图
基于生物炭在土壤固碳减排研究，未来研究需要基于生物炭-土壤-植物系统，加强微观机制与长期田间试验相结合的研究，完善生物炭整个生产和应用系统的生态效益和经济效益之间的权衡分析；同时，研究工作应遵循科学数据FAIR共享原则，提高试验数据的质量和完整性。最后指出：生物炭并非农田土壤实现碳中和的唯一解决方案，碳封存也不是生物炭在土壤中的唯一目的。根据土壤特性施用合适种类和用量的生物炭，有望实现促进土壤固碳和提高土壤生态的双赢，从而助力土壤生态功能提升和实现农业碳中和。
遗留磷是过量施肥而在土壤中盈余累积的磷，提高遗留磷利用效率是缓解当前磷资源短缺同时保障粮食安全的最重要途径。水热炭化作为有机固废资源化重要的负碳技术，处理过程可将有机固废中作物难以利用的有机磷转化为无机磷；水热炭富含的活性有机碳，可通过络合金属阳离子、竞争吸附位点抑制磷在土壤界面吸附等作用释放土壤固定的磷；同时，水热炭可通过提升土壤微生物种群和磷酸酶活性，触发激发效应和酶促反应，促进土壤中与有机碳结合的有机磷的矿化分解，提高土壤遗留磷（酶解）活化和生物有效性。基于此，我们提出水热炭有望在提高土壤遗留磷的有效性和利用效率、实现土壤遗留磷和有机固废高效循环利用等方面的发挥重要作用（图3）。
图3. 土壤遗留磷循环及水热炭的潜在影响作用机制
以上工作得到了国家自然科学基金和山东省重大科技创新工程等项目资助。两篇论文的第一作者均为罗磊副研究员。
论文链接详见：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.3c02620
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344923002495
固体废弃物处理与资源化实验室
2023年7月31日
2023-07-31
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曲久辉院士团队在离子跨膜脱水合机制研究方面取得新进展
中心曲久辉院士团队与化学研究所汪福意团队合作，利用前期开发的微流控过滤-液相飞行时间二次离子质谱（Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS）原位表征方法（JACS, 2021），在水合离子跨膜传输脱水合机制研究方面取得新的重要进展。相关成果发表在著名国际期刊《Science Advances》（文章链接DOI: 10.1126/sciadv.adf8412）和《ACS nano》（文章链接DOI: 10.1021/acsnano.3c03028）上。
离子选择性滤膜在水质净化、资源回收及生物制药等领域应用潜力巨大，受到研究与技术人员的广泛关注。探明离子在亚纳米孔道内的传输机制，对于高选择性膜材料的发展至关重要。由于缺乏合适的原位表征技术，对离子跨膜的水合结构转变与调控机制的认识十分有限，下一代膜材料的开发缺乏基础理论支撑。
研究团队基于前期开发的Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS表征技术，结合过渡态理论与分子动力学模拟，识别了典型阴离子（F-、Cl-和Br-）在聚酰胺纳米通道内的脱水合行为差异。进一步通过受阻传输理论结合跨膜传输过渡态理论（TST），确定三种阴离子的分配（即Epartition）和孔内扩散（即Ediffusion）过程所需的能量，证明了总跨膜能垒Ea与水合尺寸间存在较强的相关性，离子跨膜传输难易程度与脱水合现象密切相关。基于Eyring提出的离子跨膜传输过渡态理论可以将跨膜能垒分解为焓组分（△H）与熵组分（-T△S），发现二者之间存在此消彼长的熵-焓补偿规律，证实分配过程中与焓相关的脱水合及静电排斥产生的能垒决定了阴离子的传输特征。
图1. 脱水合强化的离子-膜孔静电相互作用解析
通过不同跨膜步骤对跨膜能垒贡献的定量化分析，揭示了脱水合增强的离子-膜孔相互作用主导了阴离子分离选择性的机制，即强水合离子发生部分脱水合后，静电排斥贡献的能垒显著增加。同时，基于脱水合增强的离子-膜孔静电排斥机制，膜电荷增强后，纳滤膜限域孔道中（Br-/F-）选择因子显著提升，进一步证明了由脱水合驱动的水合结构动态变化对静电作用的增强效果。该研究以题为“Dehydration-enhanced ion-pore interactions dominate anion transport and selectivity in nanochannels”发表在著名国际期刊《Science Advances》上。
图2. 离子通过均匀尺寸孔道复合膜的选择性传输机制
由于高分子聚合物纳滤膜的膜孔结构复杂性，干扰了传输机制的定量分析。为此，团队进一步研制了具有均匀亚纳米孔道结构的ZIF-8膜，使用Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS表征技术，分析了典型的碱金属离子水合强度对于脱水合的影响机制。结果表明，离子水合能的差异决定了过膜后离子的水合数分布特征，亚纳米孔道的尺寸筛分导致了离子跨膜脱水合。进一步分析了离子跨膜传输过程中的能量势垒，发现：（1）离子通过亚纳米膜孔时，孔口分配过程的脱水合能垒主导了离子跨膜选择性；（2）脱水合能垒占据离子跨膜总势垒的60%-90%，进入膜孔后的扩散过程对离子跨膜选择性影响较小。该研究以题为“Steric Hindrance-Induced Dehydration Promotes Cation Selectivity in Trans-Subnanochannel Transport”发表在期刊《ACS Nano》上。
本研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目的支持。两篇论文的第一作者分别是特别研究助理陆成海和博士生陈志彬，通讯作者均为中心胡承志研究员、曲久辉院士以及中科院化学所张燕燕副研究员。
文章链接：10.1126/sciadv.adf8412
10.1021/acsnano.3c03028
环境水质学国家重点实验室
2023年7月13日
2023-07-13
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赵强研究组在核酸适体亲和识别机制解析方面取得新进展
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赵强研究组在核酸适体亲和识别机制解析方面取得新进展。赵强研究组致力于环境和健康相关分子的识别传感和分析方法开发。之前其团队与中国科学院精密测量院李从刚研究员团队等合作利用核磁共振方法等解析了赭曲霉毒素A的适体复合物结构 （J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 731），近日，相关研究团队合作进一步成功解析黄曲霉毒素B1的核酸适体的高分辨溶液结构，揭示了核酸适体高亲和、高选择识别的分子机制，相关研究发表在学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上。
黄曲霉毒素是食品和环境中常见的小分子污染物，其中黄曲霉毒素B1（Aflatoxin B1，AFB1）是目前发现的致癌性最强的天然毒素，被世界卫生组织的癌症研究机构划定为Ι类致癌物, 严重威胁人类及动物的健康和生命安全。AFB1的灵敏检测对于食品安全、环境监测等至关重要。AFB1的适配体，具有高亲和力并可特异识别AFB1，自筛选发现后引起广泛的关注，并用于分析检测，具有良好的应用前景。采用AFB1的核酸适体，赵强研究组开发了一系列新颖的光、电传感分析方法等实现对AFB1的快速灵敏检测（Anal. Chem. 2019, 91, 7379; Biosensors Bioelectronics, 2019, 144, 11641）。然而，该适体高亲和识别AFB1的分子机制一直不清楚。
研究团队通过液体核磁共振方法解析了具有26个碱基的核酸适体AF26与AFB1复合物在溶液中的高分辨结构，阐释了核酸适体高亲和识别的分子机制。研究发现在没有AFB1的情况下，游离的AF26适体可形成简单的茎环结构（图1）。结合AFB1后，AF26上由16个碱基组成的环区由无规结构转变成结合诱导的特定构象，通过G·C配对以及G·G·C三联体形成了一个发卡、两个凸环结构。发卡和凸环合围形成AFB1的结合口袋。AFB1上下被G·C配对和G·G·C三联体夹持，侧面被五个未配对的T碱基包裹，通过堆积、供体原子-π、疏水等相互作用紧密结合。同时，研究人员也通过一系列突变对该结构进行了验证，基于高分辨结构进一步阐明了适体区分AFB1和其一个原子差别的同系物AFG1的分子机制，通过单碱基突变提升了适体对两种毒素的区分能力。该研究不仅有助于更好地理解适体的高亲和识别机制，同时也为适体的设计、修饰改造及应用开发奠定了重要的结构基础。
图1、核酸适体AF26-AFB1复合物的高分辨核磁共振结构
该研究以“Structural Basis for High-Affinity Recognition of Aflatoxin B1 by a DNA Aptamer”为题发表在学术期刊《核酸研究》（Nucleic Acids Research）上，中国科学院精密测量院研究员徐国华和博士生王晨，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博士生于皓为共同第一作者，中国科学院精密测量院研究员李从刚和中国科学院生态环境研究中心研究员赵强为通讯作者。
该研究工作得到了国家自然科学基金的项目支持。
论文链接: https://doi.org/10.1093/nar/gkad541
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年7月13日
2023-07-13
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国投生物-生态环境中心联合研发生物乙醇重整制氢装置顺利投运
6月24日，由国投生物科技投资有限公司和中国科学院生态环境研究中心联合开发的国内首台200 Nm3/h生物乙醇重整制氢装置在国投广东生物能源有限公司顺利投入运行。截止到发稿，已连续运行400余小时，氢气纯度达到5N。
生物乙醇是当前世界上应用最广泛的可再生能源之一，生物乙醇重整制氢首台装置的投运，为“绿氢”产业增添了一条新的赛道。目前国内的“绿氢”大多产自西部，东部地区氢能和燃料电池产业发达，但氢气价格居高不下，且难以实现绿氢供应。生物乙醇重整制氢装置可以直接投放于加氢站内，就近为燃料电池车供应价格合理的绿氢，不但能够在短期内获得经济效益，而且更加有利于碳中和目标的实现。
生物乙醇是目前应用最广泛的可再生能源之一，全球年产量约9000万吨，在应对能源危机和保护生态环境等方面发挥着重要的作用，并且其便于运输和储存、无毒性、能量密度高，也被认为是理想的制氢原料之一。多年以来，美国和巴西两大生物乙醇生产国有众多机构致力于生物乙醇重整制氢技术的开发。然而，催化剂稳定性和原料价格等因素制约着该技术的产业化发展。
该装置采用了由生态环境中心贺泓院士团队历时十余年研发的高效制氢催化剂，融合了氧化重整制氢工艺和解析气催化氧化技术，能够在较高的能量效率下稳定运行。本首台生物乙醇重整制氢装置的成功投运，能有利促进集装箱式撬装设备的开发，加快实现氢能绿色供应，助力双碳目标的实现。
国投生物乙醇重整制氢装置
大气环境与污染控制实验室
2023年7月12日
2023-07-12
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陈晓东研究组在Science发表跨境生物多样性保护研究的Letter
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晓东研究组在跨境生物多样性保护研究方面取得重要进展。文章针对兴都库什-喜马拉雅地区跨境生物多样性保护开展研究，提出了依据物种分布地协调规划边境隔离设施、建立边境地区和平公园、开发跨境生态旅游、及实施跨境生态补偿等促进跨境生物多样性保护的具体措施。研究成果以Border conservation in Hindu Kush-Himalaya为题于2023年6月30日发表在Science (380: 1330-1332)。
兴都库什-喜马拉雅地区是世界上生物多样性最丰富的地区之一。文章指出，有效保护该地区的生物多样性，需要依据生物多样性公约等国际条约，增强多边国际合作，构建跨境生态保护综合规划。文章提出促进兴都库什-喜马拉雅地区跨境生物多样性保护的具体措施：1）在重点生态区移除国际边境线上的隔离设施，或者以电子监控设备替代围墙和围栏；2）在必须保留隔离设施的地区，通过双边或多边合作调整隔离设施的地点以减少其对生物多样性的影响；3）在适宜的边境地区建立和平公园等生态保护区域，以提高不同国家之间保护地的连通性和覆盖度；4）在边境地区开发跨境生态旅游，以促进当地居民参与生态保护；5）通过实施跨境生态补偿等政策工具，分摊生态保护成本，并达到减贫和提高当地居民福祉的目的。另外各国政府还应该积极鼓励非政府生态保护组织、当地居民和学术团体参与到跨境生物多样性保护的综合规划和具体实践当中。
该研究由中国科学院生态环境研究中心生态系统服务与人类福祉研究组陈晓东研究员（第一与通讯作者）和美国佛罗里达大学助理教授Vanessa Hull合作完成。研究获得第二次青藏高原综合科学考察研究专项（2019QZKK0308）资助。
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7958
城市与区域生态国家重点实验室
2023年7月3日
2023-07-03
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在哺乳动物基因组DNA 6mdA修饰掺入控制机制方面取得新进展
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在哺乳动物基因组DNA 6mdA修饰掺入控制机制方面取得新进展，相关研究成果近日在线发表于EMBO Journal 杂志（Aberrant DNA N6-methyladenine incorporation via adenylate kinase1 is suppressed by ADAL deaminase-dependent 2’-deoxynucleotide pool sanitation, doi: 10.15252/embj.2023113684）。
高等哺乳动物DNA N6-甲基腺嘌呤（6mdA）是表观遗传学领域的一个研究热点。前期工作中，汪海林研究团队（Liu, et al. Cell Res. 2021, 31:94-97）与Musheev研究团队（Musheev, et al. Nat. Chem. Biol. 2020, 16:630-634）独立发现哺乳动物基因组中存在DNA聚合酶依赖的以N6-甲基-2’-脱氧腺苷三磷酸（6mdATP）为底物掺入至复制或修复的DNA而形成的掺入型6mdA（i6mdA）。生理上，与具有表观遗传学效应的甲基化DNA 6mdA一样，i6mdA同样会影响碱基配对和双螺旋构象，进而影响DNA复制和转录。Musheev团队认为，细胞内存在丰富的RNA N6-甲基腺嘌呤（m6A）修饰，其降解后产生的大量m6rA核苷及其磷酸化产物可能通过核酸补救合成途径转化掺入至DNA，形成i6mdA。然而，与Musheev团队的研究结果不同，汪海林团队在他们所研究的细胞中检测到的i6mdA源自外源m6rA核苷。因此，他们认为，机体内RNA m6A降解转化形成i6mdA的通路应该受到严格控制，但具体机制目前尚不清楚。
为了探究哺乳动物中DNA 6mdA掺入控制的分子机制，首先，汪海林/李向军团队利用他们已建立的稳定同位素示踪技术结合超灵敏的高效液相色谱串联质谱（UHPLC-MS/MS）的分析方法，追踪哺乳动物细胞中RNA N6-甲基腺嘌呤修饰的代谢。同位素示踪技术可以避免6mdA分析过程中原核生物（细菌、支原体等原核生物DNA中含有高丰度的6mdA修饰）污染，而超灵敏的UHPLC-MS/MS可以实现对哺乳动物中痕量6mdA修饰的准确定量。示踪结果显示哺乳动物细胞中大量RNA m6A修饰（>60%）被成功标记，同时胞内也检测到了丰富的标记的RNA m6A降解产物（游离m6rA核苷及其磷酸化产物）。然而胞内却没有出现稳定同位素标记的游离6mdA核苷及其磷酸化产物，且在大多数测试细胞系中也未检测到标记的i6mdA（即源自RNA m6A降解的i6mdA），仅在少数细胞株中检测到稀少的标记的i6mA (NIH3T3和C2C12细胞)。这些结果提示哺乳动物细胞内存在阻断DNA 6mdA错误掺入的2’-脱氧核苷酸库清除机制（2’-deoxynucleotide pool sanitation）。
随后，汪海林/李向军团队发现脱氨酶ADAL（Adenosine deaminase like protein）的缺失会导致细胞内出现游离的6mdA核苷及其磷酸化产物，以及源自胞内RNA m6A降解的DNA i6mdA。此外，对比存在i6mdA的NIH3T3和C2C12细胞与未检测到i6mdA的mES细胞中的Adal基因的表达水平，他们发现Adal的表达与i6mdA的水平呈现负相关。这些结果表明ADAL参与抑制i6mdA的产生。最后，他们通过代谢酶筛选，发现腺苷酸激酶AK1（Adenylate kinase 1）的过表达促进ADAL缺陷细胞中i6mdA水平的升高，而Ak1的敲低则显著抑制i6mdA的产生，说明AK1同样参与调控i6mdA的形成。
值得注意的是，汪海林/李向军团队在小鼠成纤维NIH3T3细胞和小鼠成肌C2C12细胞中检测到的i6mdA丰度（分别为0.42和0.14 6mdA per 106 dC）比这两个细胞系中已报道的i6mdA丰度低约90-1000倍。该结果同样支持哺乳动物细胞中i6mdA产生受到严格控制的结论。
图1 哺乳动物细胞内2’-脱氧核苷酸库清除机制抑制DNA 6mdA产生的机制示意图
综上所述，这项工作揭示了哺乳动物细胞中存在的抑制潜在DNA 6mdA错误掺入的2’-脱氧核苷酸库清除机制。脱氨酶ADAL以及其他调节因子（如焦磷酸酶MTH1）共同构成了该清除机制。而该机制的缺陷（如在NIH3T3细胞中）和腺苷酸激酶AK1表达的上调会促进异常的6mdA掺入（图1）。该研究将有助于理解表观遗传DNA稳态的维持机制。
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陈少坤博士为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。中国科学院大学化学科学学院李向军教授为共同通讯作者。
论文链接1：https://www.embopress.org/doi/epdf/10.15252/embj.2023113684
论文链接2：https://www.nature.com/articles/s41422-020-0317-6
论文链接3：https://www.nature.com/articles/s41589-020-0504-2
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年6月30日
2023-06-30
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欧阳志云研究组在气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响研究方面取得重要进展
中国科学院生态环境中心城市和区域生态国家重点实验室欧阳志云研究组在气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响研究方面取得重要进展，相关研究成果在线发表于Global Change Biology（The impact of ecological restoration on ecosystem services change modulated by drought and rising CO2, doi: 10.1111/gcb.16825）和Environmental Research Letters（Ecological restoration and rising CO2 enhance the carbon sink, counteracting climate change in northeastern China, doi: 10.1088/1748-9326/ac3871）。
上世纪，由于不适当的人类活动，自然生态系统发生了严重退化。为扭转这一趋势，以联合国REDD+（The United Nations Collaborative Programme on Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation in Developing Countries plus）计划为代表的旨在恢复退化生态系统的生态恢复项目在世界范围内广泛开展。先前的研究发现，这些生态工程在恢复退化的生态系统和增强生态系统服务供给方面具有显著成效。同时，由于CO2排放持续增加导致的全球气候变暖使得地球的气候系统越来越不稳定。这种变化不仅导致大气CO2浓度不断升高，还导致干旱事件的发生频度、广度和持续时间不断增加。已有研究表明气候变化对生态系统服务的影响不容忽视。然而，目前尚不清楚气候变化如何影响生态工程在增强区域生态系统服务供给方面的作用。
图1 左) 气候变化、大气CO2浓度升高和生态工程对碳汇的影响；右) 气候变化、大气CO2浓度升高和生态工程对不同土地利用类型固碳速率的影响
针对上述问题，研究团队以京津风沙源区治理工程区为案例，结合基于遥感的长时间序列土地利用数据集、机器学习模型、生态系统过程模型和生态系统服务评估方法，通过构建多种模拟情景开展分析研究。研究结果显示，生态工程和大气CO2浓度升高是当地碳汇提升的主要原因，并成功抵消气候变化导致碳汇减少的不利影响。生态工程的实施促使固碳、水源涵养、土壤保持和防风固沙服务分别增加22.21%, 2.87%, 2.35%和28.77%。其中植树造林对生态系统服务提升的贡献远高于草地恢复，其中超过91.41%, 98.13%和64.51%新增加的固碳、土壤保持和防风固沙服务由植树造林所贡献。尽管植树造林导致水源涵养服务有所下降，但是这种下降却被草地恢复增加的水源涵养服务所抵消。此外，生态工程对生态系统服务的影响沿着降水梯度也呈现出明显的差异。
图2 左) 生态工程对生态系统服务影响的空间分布；右) 生态工程对生态系统服务的影响在不同降水梯度差异
大气CO2浓度升高进一步放大生态工程在增加生态系统服务供给方面的贡献，但是这种增强作用几乎完全被干旱带来的负面影响所抵消。在干旱和大气CO2浓度升高的联合作用下，生态工程对固碳、水源涵养、土壤保持和防风固沙服务提升的贡献分别减少了5.74%, 32.62%, 11.74%和14.86%。此外，干旱和大气CO2浓度升高的联合作用对不同生态系统服务在不同的降水梯度上也呈现出明显的差异。总体上，其对固碳、土壤保持和防风固沙服务的负面影响沿着降水梯度逐渐加剧，但是其对水源涵养服务的负面影响沿降水梯度先加剧后又逐渐减小。
图3 左) 干旱和大气CO2浓度升高对生态工程作用下生态系统服务变化的增强/减弱效应空间分布；右) 干旱和大气CO2浓度升高对生态工程作用下生态系统服务变化的增强/减弱效应在不同降水梯度差异
本研究进一步证实了生态工程在增强区域生态系统服务供给以及抵御气候变化对碳汇负面影响方面的重要性。同时，大气CO2浓度升高对生态工程在增加生态系统服务供给方面的促进作用被干旱的负面影响几乎完全抵消这一事实也告诉我们气候变化的负面影响总体上大于其正面影响。该研究表明在评估生态工程对生态系统服务供给的影响时，有必要考虑大气CO2浓度升高和干旱等气候变化因素的扰动，并尽可能通过优化生态恢复策略提高生态系统的恢复力从而减少气候变化带来的负面影响。这一研究为科学认识气候变化背景下生态工程对生态系统服务的影响提供了新的视角和系统的评估方法。
中国科学院生态环境研究中心博士后黄斌斌为论文第一作者，逯非研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中国科学院战略性先导科技专项、中科院青年创新促进会、中科院生态环境中心碳达峰碳中和生态环境技术专项以及河北省重点研发计划等项目的资助。
论文链接1: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.16825
论文链接2：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/ac3871
城市与区域生态国家重点实验室
2023年6月29日
2023-06-29
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在细颗粒物改变流感病毒感染特征方面取得新进展
环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金研究员研究组与中科院微生物研究所方敏研究员等团队合作在细颗粒物改变流感病毒感染特征的研究中取得新进展，相关成果近期发表于Science Advances（Dong, et al, 2023. DOI: 10.1126/sciadv.adf2165），并被Nature作为研究亮点（Research Highlight）报道。
目前的研究认为大气细颗粒物可能增加了流感病毒等病原微生物的传播和感染风险。然而，颗粒物的携载作用是否改变流感病毒的感染活性和感染过程，颗粒物/病毒复合体对机体的损伤靶点与单纯的病毒感染相比是否发生改变等方面仍存在诸多问题亟待解答。
针对上述科学问题，研究团队发现大气细颗粒物与流感病毒存在活跃的相互作用，发现颗粒物负载的病毒仍具有强感染活性，并且颗粒物的理化性质（例如亲疏水特性等）是影响病毒负载量和感染过程的重要因素。在流感病毒感染早期，颗粒物通过网格蛋白介导的内吞作用（clathrin-mediated endocytosis）等途径，促进病毒以非唾液酸受体依赖的方式进入宿主细胞；而在感染后期，颗粒物与脂筏结构域（lipid raft domains）相互作用促进子代病毒从细胞膜出芽释放，这些结果揭示了颗粒物促进流感病毒内吞和出芽释放的机制。动物感染实验进一步发现，颗粒物显著改变了流感病毒在呼吸道的分布，在感染早期，亲水性强的颗粒物快速地运载病毒进入肺部，而疏水性强的颗粒物则将病毒阻滞在鼻腔中。更为重要的是，颗粒物可以运载病毒突破气血屏障，到达肺外器官（例如肝脏、脾脏和肾脏），并导致更严重的损伤结局，包括全身性炎症、局部组织损伤和体重减轻等。核心发现如下示意图所示。该研究工作对于深入了解大气细颗粒物等环境因素对病原微生物传播和感染的影响具有启发意义。
Nature针对该研究成果进行了专文报道，认为该研究—“有助于解释为什么空气污染严重时流感病毒感染更加严重”。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2165
Nature Highlight链接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-01898-x
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年6月19日
2023-06-19
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宋茂勇研究组在催化剂选择性调控方面取得新进展
在前期的研究中，我们发现N元素掺杂能够显著提升TiO2的甲苯选择氧化性能，并初步证明在TiO2表面形成的N--Ti3+-Ov可能是甲苯选择性氧化的活性位点（Cell Reports Physical Science, 2022, 3, 100936）。我们进一步提出TiO2负载Pt提升甲苯选择氧化活性，但Pt负载带来的过氧化作用会显著降低反应的选择性（50.1%）。宋茂勇研究团队与清华大学肖海团队合作，针对如何调控Pt/TiO2的催化选择性开展了深入研究。
理论计算表明，Pt/TiO2催化剂的Ti3+是甲苯的甲基C–H键选择性氧化的活性位点，而Pt是甲苯过氧化的活性位点。常规合成的Pt/TiO2单原子催化剂具有典型的Pt-O二配位结构，有趣地是，四配位的Pt位点不会活化氧分子导致甲苯过氧化。在此基础上，我们利用还原TiO2为载体，氯铂酸（H2PtCl6）的水溶液为Pt前驱体，合成了Pt/B-TiO2催化剂。由于Pt与还原TiO2的电子相互作用较弱，电子从Pt向Cl配位转移形成稳定的Pt-Cl键。Cl配位使得Pt二配位结构转化为四配位结构（图1），在洗涤和焙烧处理后Pt-Cl键仍然稳定存在，抑制了Pt位点的甲苯过氧化活性。与此同时，富电子的Pt原子有利于Ti3+的稳定，进一步提升了甲苯的选择氧化效率。该方法有效调控了TiO2负载Pt催化剂的选择性，对甲苯的甲基C–H键氧化的选择性可以达到100%。
图1 甲苯选择氧化活性位点示意图和Pt/TiO2催化剂的甲苯选择氧化性能
相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society。生态环境中心麻春艳副研究员为第一作者，生态环境中心宋茂勇研究员和清华大学肖海教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（22125606, 21976198, 21777175）项目的支持。
论文链接1：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100936
论文链接2：https://doi.org/10.1021/jacs.3c03257
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2023年5月10日
2023-05-10
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汪海林研究组在人工定向进化蛋白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人工定向进化蛋白研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于Analytical chemistry （Artificially Evolved Super Binder for Specific Recognition of N6-Methyladenine Base Modification in DNA and RNA, doi: 10.1021/acs.analchem.3c00588）。
DNA和RNA中都存在一种重要的表观遗传碱基修饰，即N6 -甲基腺嘌呤(6mA/m6A)。细菌中DNA 6mA在病原体预防、DNA复制以及错配修复中起到重要作用（Reisenauer et al. 1999, Wion et al. 2006）。2015年，在果蝇、线虫等高等生物中也发现DNA 6mA修饰（Zhang et al. 2015, Greer et al. 2015, Wu et al. 2016）。RNA m6A在RNA的转录、剪接、运输、翻译、衰减中起到作用（Liu et al. 2017, Roundtree et al. 2017, Yu et al. 2018, Wang et al. 2014, Lee et al. 2021）。目前商品化的6mA抗体能够非特异性结合不含修饰的短重复序列，产生广泛的假阳性峰（Lentini et al. 2018）。如何准确测定DNA/RNA中6mA/m6A位点及分布仍是表观遗传学领域、化学测量学与化学生物学中一个极其重要的科学难题。针对这一难题，汪海林研究团队尝试发展人工定向进化技术合成一个可高特异性、高亲和力识别N6-甲基腺嘌呤修饰的超级结合蛋白。该蛋白一旦合成成功将可应用于DNA/RNA中6mA/m6A的成像、检测和基于亲和沉淀的测序。
为了获得高亲和力的6mA/m6A结合蛋白，该团队首先利用易错PCR技术建立RNA m6A reader的随机突变文库，然后利用酵母表面展示相应的突变蛋白库，可获得3x108个不同的突变蛋白。采用不含6mA的DNA探针（FAM标记）作为阴性对照，含有6mA的DNA探针（Cy5标记）作为正向筛选探针，同时与酵母进行孵育。通过荧光激活细胞分选对6mA结合蛋白进行分选。采用这种进化策略，该团队进行了三次突变文库构建和筛选，获得了三种人工进化的蛋白，命名为e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3（图1）。
图1. e6mABP蛋白的人工定向进化流程示意图。流式图中的红框门用于分选优势突变体。
分别诱导3种蛋白在酵母表面展示后进行流式表征，实验结果显示，与原始的reader模板蛋白相比，e6mABP1-3中Cy5的信号峰明显向右偏移，说明这些蛋白的Cy5结合信号增加，但是FAM结合信号相似。将这些流式图重叠，可以看出e6mABP1、e6mABP2和e6mABP3的Cy5荧光强度分别是初始reader模板的2.6倍、12.4倍和26.5倍。为了让进化的蛋白在体外与含6mA的DNA结合并验证蛋白活性，该团队纯化了重组蛋白MBP-Flag、MBP-Flag-reader、MBP-Flag-e6mABP1、MBP-Flag-e6mABP2和MBP-Flag-e6mABP3，纯度在98.7% ~ 99.3%，终浓度约为20 ~ 30 mg/mL。该团队将e6mABP蛋白与DNA探针孵育，进行了凝胶电泳迁移分析。分别观察e6mABPs-DNA复合物和未结合DNA探针的两条条带。与不含6mA的DNA探针相比，e6mABP3在100 nM的情况下就可以观察到其对含有6mA的DNA有更明显的结合倾向。e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力（Kd）分别为1620 nM和1549 nM，与reader模板蛋白（Kd=686 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对不含6mA的DNA的亲和力较低。与reader模板蛋白（Kd=150 nM）相比，e6mABP2和e6mABP3对含有6mA的DNA的亲和力（Kd=54-93 nM）都有所增加。这些结果表明，e6mABPs比reader模板蛋白对含有6mA的DNA探针具有更高的亲和力和特异性。因此，随着进化轮数的增加，筛选获得的e6mABP对不含6mA的DNA探针的亲和力降低，而对含6mA的DNA探针的亲和力显著增加。
研究团队以m6A reader YTHDF2C为初始模板，进行包含突变文库构建、酵母表面展示、FACS的三轮定向进化，最终筛选获得6mA超级结合蛋白e6mABPs。e6mABPs对含有6mA的DNA具有较高的亲和力和特异性。获得的e6mABPs将为6mA富集提供一种高效、可重复且经济的方法。此外，该研究的进化方案也可以用于其它DNA/RNA修饰的特异性结合蛋白的进化与筛选，促进相关研究的发展。
中国科学院生态环境研究中心博士生刘艳为论文的第一作者，汪海林研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金的资助。
论文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c00588
DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00588
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年4月28日
2023-04-28
