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高明等在PNAS发文揭示PFOS暴露抑制抗病毒免疫增加病毒感染易感性
近日，环境化学与环境毒理全国重点实验室刘思金课题组高明研究员等在环境污染物损害抗病毒免疫的机制研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Perfluorooctane sulfonate targets IRF3 to impair innate antiviral immunity”为题，发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》（DOI: 10.1073/pnas.2536274123）。病毒感染可引发严重疾病甚至死亡。除遗传因素外，环境因素在影响病毒感染易感性及疾病严重程度方面也发挥重要作用。流行病学和实验研究表明，全氟辛烷磺酸（perfluorooctane sulfonate，PFOS）作为一种典型的全氟和多氟烷基物质（PFAS），其暴露具有免疫毒性，并能够影响先天性和适应性免疫。然而，PFOS如何影响先天抗病毒免疫，以及其暴露是否会增加病毒感染易感性，仍缺乏明确的机制证据。阐明PFOS暴露损害抗病毒免疫的作用机制，对于理解环境因素在病毒感染中的作用及开展相关健康风险评估具有重要意义。针对这一科学问题，研究团队整合多组学分析、体外与体内实验以及人群关联研究，系统解析PFOS对先天抗病毒免疫的影响及其分子机制。研究首先通过多组学分析发现，PFOS暴露可显著扰动抗病毒免疫相关网络。进一步利用有限蛋白水解-质谱联用（LiP-SMap）技术筛选潜在直接作用靶点，鉴定出先天抗病毒免疫反应关键转录因子干扰素调节因子3（interferon regulatory factor 3，IRF3）为PFOS的重要作用靶点。体外和体内实验进一步证实，PFOS可直接结合IRF3并改变其构象，进而干扰IRF3与TBK1的相互作用，抑制病毒感染过程中IRF3的磷酸化、二聚化及核转位，最终削弱I型干扰素介导的先天抗病毒免疫反应。在人群研究方面，研究团队基于NHANES数据库对1,179名参与者开展关联分析，发现血清PFOS水平与抗风疹病毒和麻疹病毒抗体水平呈负相关。对111名病毒感染患者的临床数据进行分析发现，在呼吸道合胞病毒（RSV）、流感病毒和乙型肝炎病毒（HBV）感染患者中，较高的血清PFOS水平与较高的病毒载量相关。上述研究为认识环境污染物影响病毒感染易感性的生物学机制提供了新的证据，也为PFOS健康风险评估和公共卫生管理提供了科学依据。图1：多组学、体内外模型与人群关联研究揭示：PFOS靶向IRF3抑制I型干扰素，促进病毒复制该论文第一作者为中国科学院生态环境研究中心博士生梁秋菊，中国科学院生态环境研究中心高明研究员、福建农林大学郭桂杰研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（22222611和U24A20771）等项目的支持。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2536274123环境化学与环境毒理全国重点实验室2026年9月24日
2026-09-24
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贺泓院士团队在双功能Ce-OH位点构筑及其活化O2与甲醇氧化机制方面取得新进展
近日，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在双功能Ce-OH位点构筑及其活化O2与甲醇氧化机制方面取得重要研究进展，成果以“Overcoming the Oxygen Activation Barrier: Dual-Functional Ce-OH Sites for Methanol Adsorption and Oxidation”为题，发表于Journal of the American Chemical Society。构建耦合反应物吸附与O2活化的双功能活性位点，是规避扩散限制，提升催化性能的重要策略。金属羟基位点（M-OH）因其独特的局域电子结构和配位环境，既可通过氢键促进反应物吸附，也可通过质子耦合电子转移直接参与反应。然而，单一的M-OH位点能否同时实现反应物分子吸附与O2活化的双重功能，仍存在认知的空白。这一空白的关键性在于：O2活化受基态O2自旋禁阻的动力学能垒制约；在众多的多相催化反应中，反应物分子的吸附与活化往往发生在空间和化学性质迥异的位点上，催化反应的进行依赖位点间的协同，由此带来扩散限制并降低反应效率。针对这一空白，研究团队以甲醇氧化为模型反应，结合理论计算和原位实验研究，创新性地揭示了Ce-OH具有吸附甲醇与活化O2双功能，既降低了O2活化能垒，又改变了甲醇氧化的反应能垒与路径，从而显著提高了催化氧化甲醇活性与寿命。研究团队通过离子交换将Ce引入ZSM-5分子筛的Brønsted酸位, 在Ce-ZSM-5-IE催化剂上成功构筑了Ce-OH活性中心，证实了Ce-OH类型包括Z[Ce4+(OH)3]⁺和Z2[Ce4+ (OH)2]2+。其中，Z[Ce4+(OH)3]⁺可将O2活化能垒降低至1.12 eV，显著低于ZSM-5中桥-OH的3.35 eV和CeO2的1.39 eV; 在该位点上，甲醇氧化遵循O2活化和HCHO生成协同进行的反应路径，其中HCHO分解为决速步，反应能垒为1.55 eV。在Z2[Ce4+ (OH)2]2+上，-COOH的分解为决速步，反应能垒为2.18 eV。归一化催化速率进一步表明，Ce-OH物种具有更高的本征活性，是Ce-ZSM-5-IE优异催化性能的主要贡献者。本研究揭示了金属羟基位点上O2活化的原子机制，为设计双功能活性位点的分子筛基催化剂提供了新的理论依据和策略。中国科学院生态环境研究中心郭雪立博士和符瑜博士后为论文共同第一作者，王莲副研究员、马金珠研究员、余运波研究员、贺泓院士为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（52470133, 22188102, 22472195）的支持。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c09748大气环境与污染控制实验室2026年9月17日
2026-09-17
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魏源送研究团队在膜生物反应器（MBR）大气泡曝气的临界尺度阈值及低能耗膜污染控制方面取得系列进展
针对污水处理行业减污降碳协同增效需求，聚焦MBR大气泡曝气及其膜污染控制，包括大气泡曝气器、大气泡尺寸和基于大气泡的膜污染控制，中心魏源送研究团队开展了系列研究，近日在大气泡曝气的临界尺寸及其水动力形成机制方面取得新进展。MBR凭借出水水质高、占地面积小等优势，已成为城镇和工业污水深度处理及高品质再生水生产的关键技术。然而，曝气能耗高是制约MBR低碳运行的重要因素，现行的《膜生物反应器城镇污水处理工艺设计规程 T/CECS 152-2017》虽提出膜池宜采用大气泡曝气，但“大气泡”的定义及合理当量直径尚缺乏明确依据。因此，明确大气泡尺寸与水动力行为关系，是优化MBR曝气设计的重要基础。本研究揭示了剪切变稀非牛顿流体中的大气泡运动规律，提出了大气泡临界当量直径判据，并发表在Water Research（2026, 306, 126591）。图1. 不同流体中气泡无量纲直径d’与无量纲上升速度U’的普适标度关系本研究以剪切变稀非牛顿流体为对象，通过高速成像实验和无量纲理论分析，揭示了厘米尺度气泡上升行为与尺寸演变规律。研究发现，气泡上升速度随尺寸增加呈现“对数增长-平台-第二增长”的阶段性变化，并确定约10 cm为大气泡水动力转变的临界当量直径。结合雷诺数（Re）和埃特沃斯数（Eo）的理论分析表明，超过该临界当量直径后，气泡运动由流变特性主导逐渐转变为浮力-惯性作用主导，流体流变影响显著减弱。该研究为明确MBR大气泡定义、优化曝气器设计及降低膜污染控制能耗提供了新认识。团队此前研发了基于虹吸机制与收缩-扩张喷嘴耦合的大气泡脉冲曝气技术，实现了不同尺寸大气泡的稳定可控生成，据此开发了大气泡曝气器（Chemical Engineering Journal，2025, 522, 167216），并揭示了大气泡诱导中空纤维膜振动及微尺度水动力强化的膜污染控制机制，为低能耗膜吹扫策略优化提供了理论支撑（Desalination（2026, 623, 119819）。本研究成果发表于Water Research（2026, 306, 126591），魏源送研究员为通讯作者，博士生张玲萍与郁达伟副研究员为共同第一作者。研究得到京津冀区域综合环境治理国家科技重大专项（2026ZD1212602）的支持。论文链接如下：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.126591https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167216https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119819水污染控制实验室2026年9月11日
2026-09-11
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李英明等在Nature Health发文揭示空气污染物长期暴露显著增加全球癌症负担
近日，环境化学与环境毒理全国重点实验室张庆华研究组李英明研究员等在全球空气污染暴露致癌风险及癌症负担归因研究中取得重要进展。相关研究成果以“Global cancer burden associated with long-term exposure to ambient air pollution”为题，发表于Nature Health (DOI: 10.1038/s44360-026-00180-4)。癌症是快速增长的全球健康危机，也是仅次于心血管疾病的第二大死因，给全球健康带来了沉重负担。空气污染作为重要环境风险因素，其长期健康危害日益受到关注。当前全球范围内关于空气污染物长期暴露对癌症发生的综合影响，以及其对全球癌症负担的归因研究仍十分有限，缺乏系统性的认识。开展一项能够刻画空气污染长期暴露与癌症发病率的关系，并精准量化人群归因负担的研究，对于制定基于人群的癌症预防策略至关重要。针对这一科学问题，研究团队整合环境流行病学、大气科学与大数据分析技术，基于2000-2020年全球1.09亿新发癌症病例，融合高分辨率（1×1 km）空气污染物浓度、人口分布、气候环境因子及社会经济变量，构建了全球尺度空气污染物长期暴露与癌症发病率的综合评估体系。研究系统解析了PM2.5、O3和NO2长期暴露对癌症的滞后效应及暴露-反应关系，并量化了归因负担。研究发现，长期暴露于PM2.5、O3和NO2均显著增加全球癌症发生风险，其中PM2.5表现出J型剂量-反应特征，而O3和NO2则呈近似线性的风险增加趋势。在全球范围内，PM2.5、O3和NO2浓度每升高10 μg m–3，全癌种（C00-C96/C44）发生风险分别增加16.0%、4.23%和11.7%，分别归因约882万例、259万例和667万例癌症新发病例。研究进一步表明，女性群体对PM2.5和NO2暴露表现出更高的癌症易感性，其总体归因风险显著高于男性。本研究为全球空气污染与癌症负担的精准防控提供了前沿科学证据，也为将空气质量政策纳入癌症预防战略提供了坚实的数据支撑与决策依据。该论文第一作者为中国科学院生态环境研究中心博士生张高信，通讯作者为李英明研究员。本研究由中国科学院生态环境研究中心联合了复旦大学、中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所、伊利诺伊大学芝加哥分校、波士顿大学等合作单位共同完成。研究工作得到了国家自然科学基金等的支持。图. PM2.5、O3和NO2长期暴露与癌症发病率的暴露-反应关系论文链接：https://www.nature.com/articles/s44360-026-00180-4环境化学与环境毒理全国重点实验室2026年9月6日<!--!doctype--><!--!doctype-->
2026-09-06
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彭汉勇课题组||Angew ||工程化引导RNA实现CRISPR单碱基精准识别
2026年8月，中国科学院生态环境研究中心环境化学与环境毒理全国重点实验室江桂斌院士、彭汉勇研究员等系统总结了引导RNA（crRNA）工程化改造提升CRISPR核酸检测特异性的研究进展，重点阐述人工智能与CRISPR技术的深度融合及其在单碱基特异性识别系统理性设计中的应用前景。相关成果以“CRISPR RNA Engineering Enables Single Nucleotide Polymorphism Discrimination in Nucleic Acid Detection”为题，发表于《Angewandte Chemie International Edition》。图1. CRISPR系统中工程化crRNA的设计策略CRISPR/Cas系统依托引导RNA（crRNA）的精准识别和反式切割活性，已成为分子诊断的重要技术平台。然而，其一定程度的错配耐受性限制了单核苷酸多态性（SNP）及低频突变的精准识别。作为决定靶向识别与Cas蛋白构象激活的关键元件，crRNA的序列、结构和化学组成是提升检测特异性的核心。团队从分子识别机制与热力学调控出发，系统总结了crRNA高保真设计策略：通过序列长度、种子区及错配位点优化调控杂交热力学；利用分裂、发卡、环状等结构设计建立多级构象门控，提高非特异性激活的能垒；结合2′-O-甲基化、硫代磷酸酯等化学修饰，进一步提升复杂生物基质中的选择性与稳定性。在此基础上，计算建模、高通量筛选及混合架构等新兴策略进一步突出理论计算与人工智能驱动的理性设计，利用分子动力学、热力学建模和机器学习等手段预测crRNA–靶标相互作用及错配容忍度，并结合高通量实验筛选实现序列的快速迭代优化，从“经验试错”迈向“计算预测—智能设计—实验验证”的闭环研发模式。建立了人工智能赋能的CRISPR高保真设计新范式，为精准SNP分型、低频突变检测及多重POCT诊断提供了新的理论基础和技术路径。论文第一作者为中国科学院大学中丹学院2024届硕士生孙湉锐，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心彭汉勇研究员。该工作得到了国家自然科学基金委面上项目、国家重点研发计划、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项（B类）、青年基金等项目的支持。CRISPR RNA Engineering Enables Single Nucleotide Polymorphism Discrimination in Nucleic Acid Detection. Tianrui Sun, Aijiao Yuan, Wenjing Xie, Guibin Jiang, Hanyong Peng*, Angewandte Chemie International Edition (2026): e00004. 论文链接：http://doi.org/10.1002/anie.202600004环境化学与环境毒理全国重点实验室2026年9月5日<!--!doctype-->
2026-09-05
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贺泓院士团队在大气活性氯来源方面取得新进展
近日，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在大气活性氯生成机制方面取得重要研究进展，成果以“Spontaneous Chlorine Generation via Interfacial Oxidation of Chloride by O2 on Acidic Microdroplets” 为题，发表于Journal of the American Chemical Society。大气氯化学对空气质量与全球气候具有重要影响。活性氯物种既可以在平流层与极地边界层内通过催化循环消耗臭氧（O3），也能够促进对流层近地面O3以及二次有机气溶胶的生成；同时还会调控甲烷（CH4）等温室气体的大气寿命。但现有已知的生成途径仍难以完全解释外场观测到的Cl2浓度，预示大气中仍存在未被认知的Cl2生成路径。针对这一问题，贺泓院士团队联合北京理工大学、北京化工大学和美国宾夕法尼亚大学等多个国内外研究团队，结合实验室研究、分子动力学模拟与外场观测研究，揭示了酸性液滴气-液界面上O2直接氧化氯离子（Cl⁻）自发生成Cl2的全新机制。研究表明，在酸性溶液的气液界面上，H+一方面使Cl-向气液界面富集，提升Cl-与O2的碰撞反应概率；另一方面可降低Cl-与O2之间电子转移的反应能垒，进而推动大气环境条件下气液界面上Cl-的氧化过程。太阳光照作用可将Cl2生成速率进一步提升1-2个数量级。该机制区别于传统认知中O3、OH等气态强氧化剂氧化Cl-产生Cl2的反应路径，证实了在H+的促进作用下，气-液界面的Cl-可直接活化O2，同步生成气态Cl2与体相OH自由基。研究结果表明，现有大气模式显著低估了活性氯化学对大气氧化性的贡献，凸显了气溶胶气-液界面化学在增强大气氧化能力方面的关键作用。图 大气Cl2自发生成机制及其环境影响中国科学院生态环境研究中心博士研究生李舒颖为论文第一作者，马庆鑫研究员、Joseph Francisco教授和贺泓院士为论文通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金（22188102和22225607）和国家重点研发计划（2022YFC3701004）的资助。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c10175大气环境与污染控制实验室2026年8月28日<!--!doctype-->
2026-08-28
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“污染如何影响土壤微生物组”综述在《Nature Reviews Microbiology》发表
近日，中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员联合中国科学院城市环境研究所和德国柏林自由大学研究人员，应邀在国际顶尖期刊《Nature Reviews Microbiology》发表题为“Impacts of pollution on the soil microbiome”的综述论文。该综述系统梳理了重金属、农药、抗生素、（微）塑料、全氟和多氟烷基物质（PFAS）及纳米材料等污染物影响土壤微生物组的生态与进化机制，阐明其对养分循环、植物生长、生态系统稳定性和人类健康的潜在影响，并提出以微生物组为核心的污染监测、风险评估和生态修复的技术路径。土壤微生物组是陆地生态系统的重要组成部分，驱动碳、氮、磷和硫等元素循环，并参与有机碳稳定、土壤结构形成、植物养分获取和生态系统恢复等。然而，工业生产、农业集约化、城市扩张和废弃物排放持续向土壤输入种类繁多的污染物。与传统的单一污染不同，目前土壤污染通常表现为多种化学、物理和生物污染因子长期共存，并可能产生叠加、协同或拮抗效应。因此土壤并非被动汇集污染物的终点，而是不断储存、转化和释放污染物的动态生物地球化学反应器。文章构建了“污染来源—土壤环境变化—微生物组响应—生态与健康效应”的概念框架。工业活动、农业生产和城市化过程产生的污染物进入土壤后，可改变土壤酸碱度、氧化还原状态、孔隙结构和水分条件，进而沿三个相互关联的方向影响土壤微生物组：一是筛选耐受型或代谢特化型微生物，推动群落组成和进化过程的改变；二是使微生物将更多能量用于胁迫防御和解毒，削弱其对碳、氮和磷等循环的贡献；三是通过土壤—植物—动物—人类连续体，引发生物多样性减少、作物产量下降、食物安全风险和抗生素耐药性传播等连锁效应。文章进一步指出，土壤微生物组并非污染作用下的被动受害者，也是介导污染物迁移转化及生态健康效应的关键参与者。污染物可通过氧化胁迫、DNA和细胞膜损伤等直接影响微生物，也可通过改变土壤结构、根系分泌物和植物—微生物互作产生间接影响。长期选择压力还会促进微生物代谢重编程、生物膜形成以及抗性和毒力相关基因的水平转移，使群落逐渐由敏感型和功能多样的微生物组合，转变为耐受型微生物占优势、功能冗余降低和营养级网络简化的状态。这些变化可能形成持久的人类世“微生物足迹”，即使污染减轻，部分生态效应仍可能长期保留。“解铃还需系铃人”，土壤微生物组可为污染治理提供了新的方法和技术。与部分传统理化指标相比，微生物群落、功能基因及活性微生物类群能够更灵敏地反映生态系统受到的胁迫。研究团队提出，未来应推动土壤污染研究由单一污染物毒理学转向系统层面的复合污染研究，综合考虑污染物之间的相互作用、长期生态影响轨迹和修复后的遗留效应。通过整合多组学、单细胞技术、稳定同位素示踪、人工智能和生态模型等方法，可识别真正参与污染物转化的活性微生物，构建土壤健康预警指标，并预测生态系统发生不可逆功能损伤的临界点。未来，可进一步通过定向激活本土功能微生物、构建具有代谢互补性的合成微生物群落，以及优化农业和废弃物管理方式，提升污染土壤的生态恢复能力。但微生物组干预措施进入真实环境后，会与本土微生物群落发生复杂互作，其生态稳定性和潜在风险仍需系统评估。文章强调，将土壤微生物组纳入“同一健康”和“星球健康”监测与治理体系，对于保障农业生产、维护生态系统服务、控制抗生素耐药性传播以及保护人类健康具有重要意义。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目支持。图 人类活动引起的污染通过改变土壤理化环境，驱动土壤微生物群落组成、进化与代谢功能变化，并沿土壤—植物—动物—人类连续体引发生态系统和潜在健康风险论文连接：https://doi.org/10.1038/s41579-026-01350-7土壤环境科学与技术实验室2026年8月2日
2026-08-02
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贺泓院士团队在我国臭氧污染现状及控制策略方面发表重要观点述评文章
在国家自然科学基金项目（项目编号：22188102和22376206）、国家重点研发计划青年科学家项目（2024YFC3714300）和中国工程院咨询项目（项目编号：2023-JB-05-11）资助下，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在我国臭氧污染现状及其控制策略方面发表重要观点述评文章，以“Ozone Pollution in China: Current Status and Control Strategies”为题发表于中国工程院院刊Engineering上。我国自清洁空气行动计划实施以来，环境空气质量稳步提升。但是，近年来我国臭氧（O3）污染问题日益凸显，O3浓度一直在高位波动。以O3为首要污染物的超标天数已超过以细颗粒物（PM2.5）为首要污染物的超标天数，成为影响空气质量优良天的关键因素。作为典型的二次污染物，O3主要来自于大气光化学反应过程，其精准控制存在巨大挑战。为有效应对我国日益凸显的O3污染，本研究分析探讨了我国O3污染的控制策略。考虑到前体物（即VOCs和NOx）的来源以及相应控制技术的成熟度，在VOCs浓度下降速度短期内无法赶上NOx的情况下，大幅消减NOx使O3生成达到NOx控制区阈值以下是降低O3浓度有效的、也是更为现实的手段。烟雾箱模拟实验结果和外场观测结果均有力支撑了这一结论。此外，在短期内O3确实难以通过消减前体物实现有效控制的情形下，利用在人造表面涂覆催化材料的方式也可以实现对大气环境中低浓度O3的直接分解，该技术无需外加能耗即可去除O3，提供了一种区别于传统排放控制策略的新路径。这种利用自然界的光、热等条件实现大气环境中低浓度O3等气态污染物自发催化净化的示范应用，为构建“环境催化城市”提供了实践基础，对规划建设“自净城市”具有重大的环境意义。中国科学院生态环境研究中心陈天增副研究员为论文第一作者，贺泓院士为论文通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.06.044大气环境与污染控制实验室2026年8月1日
2026-08-01
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贺泓院士团队在可再生能源制氢研究方面取得新进展
近日，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在可再生能源制氢方面取得重要研究进展，成果以“Heteronuclear Rh-La Dual-Atom Sites Enable Pathway-Controlled Hydrogen Production in Ethanol Steam Reforming”为题发表于国际著名化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》。在全球能源结构转型和“双碳”目标加速推进的背景下，氢能作为清洁高效的二次能源，被视为构建未来低碳能源体系的关键支撑。生物乙醇水蒸气重整制氢（Ethanol Steam Reforming，ESR）以可再生生物质乙醇为原料，可与生物质资源循环利用相结合，是实现可持续制氢的重要技术路径。然而，该反应包含C−H键活化、C−C键活化、水活化和水煤气变换等多个串联基元步骤，上游C−C键断裂过快而下游水活化和CO转化过慢，会造成副反应加剧和积碳失活。如何通过活性位点的精准设计实现各基元步骤之间的动力学匹配，是该领域面临的核心挑战。针对这一问题，研究团队创新性地利用电子金属−载体相互作用（Electronic Metal-Support Interactions, EMSIs），在Al2O3载体上构筑了功能互补的异核Rh−La双原子位点：Rh位点主导C−C键活化与含碳中间体的转化，La位点负责水的解离活化与羟基供给。研究表明，锚定于Al2O3表面的La单原子通过电子转移效应有效稳定邻近的Rh单原子，精准构筑出结构明确的Rh−La双原子对。这种电子相互作用同时显著提升了催化剂的水活化能力，使关键中间步骤水煤气变换反应由能垒较高的氧化还原路径切换为羧基介导的低能垒路径，促使下游CO转化速率与上游C−C键断裂速率实现精确动力学匹配。该催化剂在450 oC下产氢速率高达80.5 L g-1 h-1，刷新了同类体系的文献最高纪录。该策略可进一步拓展至Pd−La、Pt−La和Ir−La等体系，显示出良好的普适性。图. Rh-La异核双原子对增强乙醇蒸汽重整制氢该研究工作从动力学匹配的新视角阐明了异核双原子位点调控复杂多步反应网络的作用机制，为通过原子尺度电子调控实现反应路径的定向控制提供了清晰范式。研究成果已为中心联合研发的全球首台（套）生物质乙醇重整制氢技术及装备提供了核心催化剂支撑，推动了该技术从实验室走向工业化示范应用。中国科学院生态环境研究中心刘帝儒博士和赵林硕士（联培）为论文共同第一作者，徐光艳研究员和贺泓院士为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（22422609）和中国科学院战略性先导科技专项（XDA0390103）的支持。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.2800335大气环境与污染控制实验室2026年7月31日<!--!doctype-->
2026-07-31
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Nature Water在线发表我中心关于群体感应驱动短程硝化形成的重要理论进展并配发专文评述
近日，中国科学院生态环境研究中心环境生物过程与技术研究组联合中国科学院青藏高原研究所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、巴基斯坦真纳大学等团队，在短程硝化微生物群体感应（Quorum Sensing，QS）调控机制研究方面取得重要进展。该研究揭示了QS驱动亚硝酸盐氧化菌代谢利他行为、进而促进短程硝化稳定建立的新机制，相关成果以“Quorum sensing driven metabolic altruism of nitrite-oxidizing bacteria fuels nitritation”为题，在线发表于 Nature Water。硝化作用是全球氮循环和污水生物脱氮的关键过程，通常由氨氧化菌（AOB）将氨转化为亚硝酸盐，再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）将其进一步氧化为硝酸盐。若将氨氧化过程稳定控制在亚硝酸盐阶段，即能实现短程硝化，避免亚硝酸盐进一步氧化，为厌氧氨氧化等新型高效脱氮技术提供关键底物，从而显著降低曝气能耗、外加碳源需求和温室气体排放。近20年来，该研究方向是水处理领域国际前沿研究的热点和难点。短程硝化是新型污水脱氮工艺的重要基础过程，然而，其稳定实现的关键在于选择性抑制NOB，同时维持AOB活性。已有研究多从温度、溶解氧及化学胁迫等外部环境因素解释两类硝化菌的差异化响应，但复杂微生物群落内部是否存在主动调控这一功能转变的机制，在国际上一直存在难以回答的理论挑战，并严重制约了污水厌氧氨氧化短程、节能稳定处理工艺的建立。研究团队运用多组学分析、15N同位素示踪和D2O标记单细胞拉曼光谱等最新技术手段发现，细菌之间通过信号分子进行信息交流的QS系统，是决定硝化过程能否转向短程硝化的重要内源调控机制。当QS通信受到干扰时，NOB的抑制明显减弱，短程硝化难以有效建立，表明微生物群落的集体决策直接影响氮素转化方向。理论研究进一步发现，QS可诱导优势NOB硝化螺菌属（Nitrospira）中的亚硝酸盐还原酶基因nirB过表达，使其启动高能耗的亚硝酸盐还原过程。该过程有助于缓解群落面临的亚硝酸胁迫，却持续消耗Nitrospira的NADH和ATP，最终导致其能量亏缺和自我失活。与之不同，AOB并未承担这一高成本代谢，而是在获得群落保护的同时保持较高活性，从而取得竞争优势，推动氮素转化由完全硝化转向短程硝化。通过单细胞拉曼分析技术直接验证了这一过程：缺少QS信号时，绝大多数Nitrospira细胞能够耐受游离亚硝酸胁迫；接收到QS信号后，其代谢活动在胁迫初期被显著增强，但随后出现大规模失活。研究据此提出短程硝化分子调控新的理论机制，即在QS调控的微生物博弈中，Nitrospira作为合作者，以牺牲自身为代价减轻群落胁迫；AOB则由此获得竞争优势，最终促成短程硝化。该研究发现了硝化微生物群落中此前未知的“代谢利他”行为，表明短程硝化的形成不仅取决于环境条件和不同功能菌的生长动力学，也受到微生物通信、集体决策和微生物间互作的深刻影响。本研究对短程硝化形成机制的认识由传统的环境选择和个体响应层面，拓展至QS介导的微生物社会行为层面，为理解复杂微生物群落的功能转换和氮循环通量调控提供了新的理论机制，也为通过调控QS实现低碳生物脱氮过程的快速建立与稳定运行提供了重要的理论依据。中国科学院生态环境研究中心庄绪亮研究员为论文第一和通讯作者，博士生王旭为第二作者，姜参参副研究员为第三和共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的支持。同期，针对本文的发表，Nature Water邀请污水生物处理与环境微生物学领域的资深专家、北海道大学Satoshi Okabe教授团队发表了题为“Unequal costs of community stress responses”的News & Views评述文章。Okabe教授曾任日本微生物生态学会会长和日本土木学会环境工学委员会委员长，2016年当选国际水协会会士（IWA Fellow），并于2023年获得国际水协会Ardern-Lockett Award，在微生物生态与水处理工程领域具有深厚的学术积累和重要影响力。评述指出，该研究突破了长期以来主要依据氨氧化菌与亚硝酸盐氧化菌个体生理差异解释短程硝化形成的传统认识，将研究视角由单细胞和宏观运行参数拓展至微生物群落层级，揭示了群体感应通过重塑硝化菌群的代谢分工与胁迫响应，驱动Nitrospira承担高能耗代谢并发生选择性失活的隐性调控机制，为认识胁迫条件下微生物群落的功能重组提供了新的理论框架。评述进一步认为，该研究首次将微生物通信机制与短程硝化的选择性调控直接联系起来，是该领域一项重要的概念性理论进展，提示微生物通信本身可成为新的分子过程调控杠杆，为突破主要依赖温度、pH、溶解氧和污泥龄等宏观参数的传统调控模式，发展以微生物信号网络和群落行为为靶点的新一代可预测、稳健和可持续污水生物处理技术开辟了新方向。群体感应驱动 Nitrospira代谢利他行为促进短程硝化形成的机制示意图论文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-026-00677-y环境生物技术实验室2026年7月31日<!--!doctype-->
2026-07-31
