-
![]()
王东升团队在污泥强化脱水研究方面取得系列成果
活性污泥法在净化污水中污染物的同时，会产生大量的剩余污泥，污泥的处理处置已成为我国环境工程领域的难点和热点问题。污泥EPS中的大分子有机物（蛋白质、多糖和腐殖酸等）在疏水作用、氢键作用、阳离子架桥的作用下形成类似凝胶的网络结构，对水分子具有极强的结合能力，导致污泥脱水难度较大。因此，开发高效的污泥脱水强化技术是缓解污泥快速增长压力的一种重要方式。 王东升研究团队围绕污泥强化脱水方向，开展了十余年的研究工作，近期成果以综述形式总结发表在Water Research，题为“Enhanced technology based for sewage sludge deep dewatering: A critical review”。该综述系统讨论了污泥絮体和胞外聚合物（EPS）对污泥脱水性能影响的认识过程（图1），介绍了污泥深度脱水系统，分析了污泥调理面临的挑战。
该综述还系统介绍了基于泥质特性的污泥强化脱水技术体系的研究进展，主要包括絮凝/助滤强化脱水技术、高级调理技术和电渗透脱水技术三大类。其中，絮凝/助滤强化脱水技术包括传统无机混凝剂调理、纳米羟基铝絮凝调理技术、类水滑石调理、有机高分子絮凝调理、甲醇和无机混凝剂联合调理、原位结晶和高分子絮凝联合调理技术（图2）等；污泥高级调理技术主要包括Fenton调理、高铁酸盐、过氧化物预氧化联合絮凝调理、亚铁活化次氯酸钠等技术；污泥电渗透脱水技术包括污泥电渗透脱水过程中胞外聚合物溶解的区域化特征、污泥碳基材料强化脱水耦合燃料化处理技术。
图1 认识污泥EPS与脱水性关系的几个阶段
图2 基于骨架物质助滤和有机高分子絮凝联合调质强化脱水的作用机制
最后，综述综合对比了不同强化脱水技术的效率，并对污泥脱水技术和最终处置方式做了适配性分析，提出了污泥电渗透脱水中有机污染物的迁移转化、污泥强化脱水与热解碳化耦合技术、污泥调理与有害污染物去除耦合技术等未来的重点研究方向。
相关论文：
1. Cao B.D., Zhang T., Zhang W.J.*, Wang D.S.*, 2020, Enhanced technology based for sewage sludge deep dewatering: A critical review, Water Research (2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116650
2. Cao, B.D., Zhang, W.J.*, Wang, Q., Huang, Y., Meng, C., Wang, D.S.*, 2016a. Wastewater sludge dewaterability enhancement using hydroxyl aluminum conditioning: Role of aluminum speciation. Water Res. 105, 615-624.
3. Cao, B.D., Zhang, W.J.*, Du, Y., Wang, R., Usher, S.P., Scales, P.J., Wang, D.S.*, 2018. Compartmentalization of extracellular polymeric substances (EPS) solubilization and cake microstructure in relation to wastewater sludge dewatering behavior assisted by horizontal electric field: Effect of operating conditions. Water Res. 130, 363-375.
2020-11-30
-
![]()
吕永龙团队在Science Advances上发表多种环境压力下生物多样性空间变异的重要成果
吕永龙研究团队与挪威、英国和奥地利科学家合作，在多种环境压力下中国生物多样性减少的空间变异方面取得重要进展。相关成果以“Spatial variation in biodiversity loss across China under multiple environmental stressors”为题于11月20日发表在国际著名期刊Science Advances上（2020，6（47）：eabd0952）。
2020年是联合国生物多样性年。生物多样性对于维持生态系统健康和实现联合国可持续发展目标（SDGs）非常重要。中国生物多样性丰富，但也有大量濒危物种。从全球尺度看，中国南部是25个生物多样性热点地区之一。从全国尺度看，截至2018年底，中国共建立了2750个自然保护区，《中国生物多样性保护战略与行动计划（2011-2030）》确定的35个生物多样性保护重点区域基本覆盖了中国生物多样性保护的热点地区。日益加剧的环境变化给生物多样性保护带来多重压力，而且不同省份的地形、气候、人口、经济发展水平和外部压力来源各不相同，因此需要把生物多样性保护和社会经济发展相结合，以往很少有对多重环境压力下生物多样性保护的大尺度研究。
有关多种环境压力下生物多样性减少的驱动机制及其时空变异是一个前沿性研究问题。文章利用多源数据获取中国生物多样性受威胁物种的空间分布，并整合相应统计调查和文献数据，利用空间分析方法对生物多样性减少的影响因素进行系统分析，定量地分析各项压力源（包括气候、碳排放、工业生产、污染等）单独及叠加对生物多样性减少所产生的影响，为生物多样性的保护和政策设计提供了新的视角和多元的切入点。文章分析了我国生物多样性减少的时空分布变化（图1），指出生物多样性减少受到多重环境压力的影响，其中气候变化和人类活动是最主要驱动因子（图2）。随着城市化和工业化的发展，建筑用地扩张和污染加剧导致栖息地的萎缩或退化，特别是两栖动物、哺乳动物和爬行动物栖息地丧失的比例很高。由于物种和环境压力来源在不同气候带和地理区域的分布差异大，因此需要采取有针对性的政策和措施来防止不同地区的生物多样性减少。
图1 生物多样性减少的空间变化
图2 气候变化和人类活动与生物多样性减少的关联关系
研究结果表明，生物多样性丰富或对生物多样性减少的高度敏感地区往往位于欠发达地区。如何在经济发展和生物多样性保护之间取得平衡，是决策者面临的一个挑战。要制定一个可实现的生物多样性保护计划和路线图，就必须将生物多样性保护的目标纳入区域可持续发展规划。落实联合国《生物多样性公约》，不仅要在国家层面，也要在省一级制定目标，以确保生物多样性保护与可持续利用目标的切实有效实施。研究结果可以为联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会（CBD COP15）制定2030年全球生物多样性目标以及协调多重环境压力与生物多样性之间的长期关系提供新的认识。
文章的第一与通讯作者为吕永龙教授，共同作者包括两位博士生杨逸夫和孙斌，以及苑晶晶博士、于名召博士、Nils Chr. Stenseth教授、James M. Bullock教授和Michael Obersteiner教授。参与该项研究的单位包括：厦门大学、中国科学院生态环境研究中心、中国人民大学、中国科学院大学、挪威奥斯陆大学、英国生态与水文中心、奥地利国际应用系统分析研究所。该研究得到了国家重点研发计划项目(2019YFC0507505, 2017YFC0505704)、国家自然科学基金国际合作重点项目（71761147001）和中国科学院国际大科学计划项目(121311KYSB20190029)的资助。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabd0952.full
城市与区域生态国家重点实验室
2020年11月24日
2020-11-24
-
傅伯杰研究团队在基于树木年轮反演古气候变化方面取得进展
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傅伯杰研究团队在构建青藏高原区域尺度亚高山针叶林树木年轮数据库的基础上，基于树木年轮反演古气候研究，揭示了青藏高原东南部过去400年来的温度变化。这一研究成果近期发表在国际著名学术期刊Quaternary Science Reviews。
被誉为“亚洲水塔”的青藏高原是全球气候变化最敏感的区域之一，其气候以及生态环境变化与我国以及南亚地区国家生态安全直接相关。本研究以青藏高原东南部亚高山针叶林为研究对象，利用树木年轮学技术手段，大面积采集亚高山针叶林树木年轮样本，并结合国际树木年轮数据库提供的数据，建立由22条对温度敏感的树木年轮宽度年表，发现青藏高原东南部高海拔林线区域树木与气候变暖依然保持协同的生长趋势，成功描绘该地区的历史温度变化特征，并反演青藏高原东南部400多年（1600-2012年）年均最小温度历史变化。主要研究结果如下：
(1)气候响应分析结果显示温度是对青藏高原东南部亚高山针叶林径向生长的主要限制因素，树木径向生长能跟上迅速上升的区域年均最小气温（图1）; (2)在青藏高原东南部重建过去400多年的年均最小温度变化，重建序列能够解释实际年均最小温度变化的54.3%，青藏高原东南部温度变化与青藏高原、亚洲以及北半球温度变化同步; (3)本世纪初的最高年均最小温度是青藏高原东南部过去400多年历史上的最高纪录; (4)青藏高原东南部高海拔树木径向生长与年均最小温度之间存在较稳定的耦合关系，虽然最新研究表明亚洲季风趋于减弱，与此同时，研究区器测的季风期降水量开始下降，但年均最小温度和树木生长之间尚未出现分离现象，气候变暖整体上有利于青藏高原地区森林生长。
论文第一作者是买尔当·克依木博士后，通讯作者是李宗善副研究员，该研究获得国家重点研发计划项目和第二次青藏高原综合科学考察研究专项项目资助。
原文链接：https://authors.elsevier.com/a/1c5hh-4PRxneq
图1 青藏高原东南部树木年轮采样点及温度波动历史重建
城市与区域生态国家重点实验室
2020年11月20日
2020-11-20
-
![]()
曲广波等利用单细胞质谱揭示四膜虫对极低剂量纳米颗粒的摄入特征
环境化学与生态毒理学国家重点实验室曲广波等在单细胞生物四膜虫对低剂量纳米颗粒的摄入特征研究中取得进展，相关成果于近日以“Heterogenous Internalization of Nanoparticles at Ultra-Trace Concentration in Environmental Individual Unicellular Organisms Unveiled by Single-Cell Mass Cytometry”为题发表于ACS nano（2020, 14, 10, 12819–12827）（DOI: 10.1021/acsnano.0c03587）。
四膜虫是在水生食物链底端的微生物，其生物量可达浮游动物的一半以上。水环境中的纳米材料可被水生单细胞生物摄取，是纳米材料进入食物链的重要途径之一。研究纳米材料在单细胞水生生物体内累积，对理解纳米材料在生态环境中的迁移、转化、归趋及其生态毒理与健康效应具有重要意义。纳米材料的暴露浓度是其生物累积过程中最重要的因素之一。然而，受到检测技术的限制，目前的研究大多使用了比实际环境浓度高多个数量级的暴露浓度，无法反映实际环境暴露特征。此外，个体间的异质性也常常被忽略。例如，一些具有独特的生理或摄取特性的个体无法得到识别。
单四膜虫细胞中金属纳米颗粒检测原理
该研究基于质谱流式细胞仪，建立了高通量的单个四膜虫细胞中痕量金属检测方法（图1），探究了环境相关剂量下四膜虫对纳米金颗粒（AuNPs）的吸收和外排特征。在1 ng/mL的AuNPs暴露过程中，四膜虫主要通过主动吞噬将AuNPs快速的吸收到细胞内，在撤除暴露后四膜虫也可以快速的将AuNPs排出细胞，但仍有少量AuNPs不能被排出而累积在细胞中。另外，四膜虫表现出了很高的异质性，四膜虫对AuNPs的摄入差异可达数千个AuNPs。即使在极低的暴露剂量下（0.001 ng/mL），仍然有少数四膜虫可以吞噬数百个纳米颗粒，揭示了环境相关剂量下纳米材料的生物累积风险。
该研究为极低暴露剂量下金属纳米颗粒的单细胞水平生物累积与毒性效应研究提供了新方法。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03587
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年11月11日
2020-11-11
-
![]()
土壤分子生态学课题组在土壤/作物微生物组研究中取得系列进展
土壤微生物是全球生物多样性的重要组成部分，在土壤有机物分解、元素生物地球化学循环、污染物转化、地上植物多样性和生态系统生产力维持等方面起着重要作用。近来，土壤分子生态学课题组在土壤微生物组结构和功能、微生物-植物相互作用、环境响应和生态效应等研究中取得系列进展，相关成果陆续发表于Microbiome, Journal of Hazardous Materials, New Phytologist, Soil Biology and Biochemistry, Environmental Microbiology和Science of The Total Environment等期刊上。
原生生物是土壤微生物组中的重要组成部分，处于食物网的中间营养级地位，通过食物网的交互作用直接或间接影响着土壤生物多样性及其生态系统功能。因受研究方法的影响，限制了对原生生物多样性及其功能的认识。课题组通过方法比较和摸索，采用高通量测序技术解析了我国3种典型旱地农田土壤（黑土、潮土和红壤）中的微生物组（细菌、真菌、原生生物）对不同施肥处理措施的响应。发现连续两年施氮肥处理对土壤细菌和真菌的alpha多样性和群落组成无显著影响，但显著降低了原生生物群落的alpha多样性并改变了其群落结构。同时，施氮肥处理显著降低了原生生物在微生物网络关系中的节点比例，使得土壤微生物互作网络关系更加紧密（图1）。
图1 施肥对土壤微生物组群落多样性和微生物网络互作关系的影响
通过对微生物组物种信息进行功能注释，结合功能基因定量、磷脂脂肪酸分析和功能微生物活性分析等，进一步发现施肥对土壤微生物组潜在功能的影响在不同类型土壤中表现不同；但施氮肥处理可显著降低3种类型土壤中吞噬型原生生物的相对丰度，这与氮肥施用导致的硝态氮累积和土壤pH降低密切相关。以上研究较系统地揭示了短期施肥处理下，原生生物比真菌和细菌群落更加敏感地响应施氮肥产生的影响，进而导致微生物网络互作关系和潜在的生态功能发生明显变化，进一步证实了原生生物是土壤微生物组中的关键生物类群，也为更好地理解农业施肥对地下生物多样性、功能及其与生态系统稳定性之间的关系提供了新的视角。以上结果发表于Microbiome（Zhao et al., 2019）和Soil Biology & Biogeochemistry(Zhao et al., 2020)期刊上。
除土壤外，植物各个部位（如根、茎、叶等）也栖居着大量高度多样的微生物，构成植物的第二基因组，在促进植物养分吸收、维护植物健康和适应环境胁迫等起着重要作用。基于课题组在河南许昌（潮土）和云南曲靖（红壤）开展的旱地农田减氮增效长期定位试验，我们研究了玉米-小麦/大麦轮作下土壤及植物不同部位所代表的生态位中细菌和真菌的群落组成和构建机制。结果表明，在土壤-植物连续体上，细菌和真菌群落构建主要由宿主选择(即作物种类和生态位)决定，地域和地域所代表的土壤和气候因子，以及不同施肥措施仅对非根际土壤微生物群落有显著影响，对植物不同部位的微生物群落影响较小。溯源分析表明作物微生物组主要来自土壤环境并逐步被不同植物部位进行富集和过滤。从土壤到植物表面再到植物内部，宿主选择效应逐渐增加，环境效应逐渐减弱，同时，微生物多样性及网络复杂度相应降低（图2）。
图2 土壤-植物连续体上微生物群落构建示意图（左）和真菌稀有物种在微生物网络互作关系中的重要作用（右）
无论是土壤还是植物不同部位，细菌和真菌群落主要由少量优势类群主导（在每个样品中相对丰度≥1%的 ZOTUs），而其群落多样性主要由稀有物种（相对丰度<0.01%的ZOTUs）所代表。植物不同部位中，真菌群落的丰富物种主要由随机性过程主导，而稀有物种对宿主选择更敏感并且主要由确定性过程主导。此外，我们还发现真菌稀有物种在微生物网络互作及生态系统功能维持（如作物产量及土壤酶活）中发挥着重要作用。这些研究系统刻画了土壤-植物连续体上微生物的组成特征，揭示了宿主选择和环境效应对土壤和作物微生物组群落构建的相对贡献，以及稀有物种在维持微生物组稳定性及生态系统功能中的重要作用，丰富了宿主微生物组群落构建的生态进化理论，并为未来基于土壤、作物微生物组精准调控的农业可持续管理提供了重要信息。以上结果发表于New Phytologist（Xiong et al., 2020）和Environmental Microbiology (Xiong et al., 2020)期刊上。
病毒是地球上数量最多、种类最丰富的生物实体。以往的研究表明，病毒在海洋环境中有着十分重要的生态功能，但目前土壤病毒生态学研究还处于初步发展阶段。课题组通过荧光显微计数和宏病毒组学的方法，结合生物信息学分析，探究了我国典型红壤地区玉米地不同施肥措施下根际与非根际土壤病毒的丰度、物种组成以及潜在的生态功能。结果表明土壤病毒丰度在玉米根际与非根际土壤之间没有显著差异。根际与非根际土壤病毒组共注释到57个病毒科，其中长尾噬菌体科相对丰度最高。有尾噬菌体目是农田土壤主要的病毒类群，通过其terL基因的系统发育分析发现，有尾噬菌体目在土壤中的多样性较高，含有3个新的病毒类群。不同施肥处理间病毒群落组成差异不显著，但根际与非根际之间病毒群落组成差异显著。进一步通过与dbCAN2数据库比对碳水化合物活性酶（CAZymes），共注释到48个CAZymes，分别属于3个CAZyme家族，包括碳水化合物结合模块、碳水化合物酯酶和糖苷水解酶，其中糖苷水解酶的丰度最高（图3）。病毒可能通过碳代谢相关基因的表达影响宿主碳代谢过程，从而影响农田生态系统中碳元素的生物地球化学循环。这一研究结果揭示了农田土壤病毒组相关特征，加深了我们对于植物-土壤-病毒系统相互作用的理解。以上结果发表于Environmental Microbiology (Bi et al., 2020)期刊上。
图3 玉米根际与非根际土壤病毒组群落结构及其对土壤生物地球化学循环的潜在影响
抗生素抗性基因组（Antibiotic resistome）在环境中广泛存在，对人体健康及生态环境具有一定的风险。大量研究已证明，抗生素的滥用和误用是产生抗生素抗性的重要选择性压力，导致环境中ARGs的蓄积。通过对湖南省长株潭地区长期重金属污染的土壤样品，以及大尺度范围上农田和草地土壤样品的调查研究，发现在自然条件下，长期As、Cd污染会显著改变环境抗性基因的分布；在农田生态系统中，人为活动，包括肥料、农药和地膜使用等是影响农田土壤ARGs大尺度空间分布的主控因素；而在我国北方典型草原和荒漠草原土壤中，ARGs的丰度不受放牧强度的影响。以上研究充分阐释了农田土壤中ARGs污染风险，解析了人为的农业管理措施对于土壤ARGs分布特征的重要性，为形成农业优化管理和缓解ARGs传播风险提供了理论依据。相关研究成果分别在Journal of Hazardous Materials（Zhao et al., 2020），Science of the Total Environment（Du et al., 2020），Applied Soil Ecology（Du et al., 2020）等杂志上发表。
以上研究得到了中国科学院战略性先导专项B (XDB15020200)、国家重点研发计划项目（2017YFD0200600和2017YFD0801500）、国家自然科学基金项目（41771289 和41571248）和中科院青年创新促进会等项目的资助。
论文链接：
论文1. https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-019-0647-0
论文2. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720301607
论文3. https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.16890
论文4. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1462-2920.15262
论文5. https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/1462-2920.15010?af=R
论文6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389419317923
论文7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719364149
论文8. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139319312521
土壤环境科学实验室
2020年10月7日
2020-10-09
-
![]()
傅伯杰研究组揭示近千年来黄土高原社会-生态系统演变过程及效应
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傅伯杰研究组在黄土高原社会-生态系统演变研究方面取得新进展，发展了根据社会-生态系统要素相互作用变化识别系统演变阶段的方法，揭示了近千年来黄土高原社会-生态系统的演变阶段及效应。这一研究成果近期发表在国际著名学术期刊Science Advances。
社会-生态系统的动态演变是复合生态系统研究的核心内容，是生态学和地理学研究的前沿科学问题。稳态转换是指系统的结构和功能发生巨大、突然和持续的变化，是理解社会-生态系统变化的重要视角。识别长时间尺度社会-生态系统的演变阶段、驱动因素和效应对未来的系统管理十分重要。现有的稳态转换研究主要基于社会或生态要素时间序列的突变点识别，对系统要素间相互作用关注较少，而对稳态转换影响效应的研究主要集中在局地尺度，对其跨尺度的溢出效应研究有限。
针对这些问题，傅伯杰研究组提出了根据系统要素相互作用变化识别社会-生态系统稳态转换，同时关注其驱动因素和本地与溢出效应的研究框架，并以黄土高原社会-生态系统近千年的演变为案例证明了该框架的适用性。框架假设在一个演变阶段（稳态）内，社会-生态系统要素之间的相互作用保持不变，而要素之间相互作用的变化则表示系统从一个阶段演变到另一个阶段。人类活动和气候变化等驱动因素决定了社会-生态系统要素之间的相互作用，进而对本地和远程的系统产生影响和效应。
通过整合统计调查数据、历史时期重建数据和相关文献资料，该研究分析了黄土高原近千年来人口、耕地面积和森林覆盖率等要素的关系变化，将其社会-生态系统演变划分为5个阶段：“耕种快速扩张”（1100-1750年代）、“耕种持续扩张”（1750-1950年代）、“农田工程以增加粮食生产”（1950-1970年代）、“从粮食生产向生态保护转型”（1980-1990年代）、“植被恢复以保护生态环境”（2000年代至今）。研究还建立了黄土高原社会-生态系统状态与政策、气候、社会经济等驱动因素和本地粮食生产、黄河输沙量、径流量、三角洲面积、下游自然决堤次数等本地与溢出效应的经验联系。研究发现前三个阶段对粮食生产的追求破坏了当地生态环境，加剧了土壤侵蚀，对黄河下游和三角洲产生影响，而退耕还林还草等生态恢复和水土保持措施的实施减少了黄土高原土壤侵蚀和黄河泥沙，但同时也带来了径流减少、黄河三角洲蚀退等新的问题。
该研究为社会-生态系统的动态演变研究提供了新的视角，可为世界其他区域的相关研究提供借鉴。黄土高原案例分析表明，社会-生态系统管理需要从系统与综合的角度，实现从追求单一目标到考虑要素相互作用，从关注局地到关注跨区域影响的转型，这对社会-生态系统的长期管理和政策制定具有重要意义。
该研究得到了国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目和国际合作项目等项目的资助。
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc0276
图1：黄土高原社会-生态系统演变阶段
城市与区域生态国家重点实验室
2020年10月8日
2020-10-08
-
![]()
祝贵兵研究组揭示空气污染会加剧大气中抗生素抗性基因的传播
抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes, ARGs）作为一种新兴环境污染物，普遍存在于现代环境和微生物中，极大地影响抗生素的治疗效果，严重威胁人类健康。人类滥用抗生素，使得陆地表层系统成为ARGs的重要库。在陆地上，ARGs在小范围内进行传播。陆地上的ARGs以生物气溶胶的形式进入到大气中，之后通过雨雪等湿沉降返回至地表，使得ARGs污染传播至全球范围，并构成ARGs循环。近年来，冬季湿沉降，尤其是降雪，往往伴随着大气污染问题，因此我们推测大气ARGs的存在与传播与大气污染有关。
为了验证这一猜想，中科院生态环境研究中心祝贵兵团队与大气物理研究所王自发研究员、城市环境研究所朱永官研究员合作，历时四年，采集了国内外13000km、共48个样点的新鲜降雪样品，利用高通量定量PCR（High-throughput quantitative PCR,HT-qPCR）检测降雪中的ARGs的丰度和组成，发现ARGs的丰度与空气质量污染指数（Air Quality Index，AQI）和PM2.5显著正相关，从而证明ARGs的存在与传播和大气污染有关，而且大气污染还可以增加ARGs的丰富度。
结合大气动力学分析，从大尺度和小尺度两个方面，证明大气污染能够引起ARGs的积累与传播。在距离13000km，海拔高500m的整个采样点纵切面内，大气中的ARGs未表现出明显差异，说明ARGs通过大气水平和垂直运动已经混合均匀；在4000km的小尺度内，ARGs的相似性随着距离的增加而降低，而微生物群落的相似性与地理距离没有显著关系，说明ARGs不完全依赖于微生物而存在，小尺度内污染颗粒物的存在将有助于其在大气中的传播。例如大气环境状况良好时，气流垂向尺度运动会造成ARGs的衰减，纵向上存在气流的上下运动，ARGs传播能力较弱。而当存在颗粒物污染的时候，气流转而只向下运动，导致ARGs的积累。此外，研究得到了用于估计其他共现ARGs、总ARGs丰度以及大气污染程度的指示基因。
这项研究工作的意义在于，揭示了作为人类生存必要条件的空气中不仅存在PM2.5等非生物污染，还有抗生素抗性基因污染，且会在其他污染的作用下加剧，威胁人类的生命与健康。并且为衡量人类百年尺度上的影响与“人类世”定年提供了新的思路。该成果发表于国际微生物生态学权威杂志《The ISME Journal》。
图1. ARGs环境循环示意图
该研究得到了国家自然科学基金（No. 41322012，41671471和91851204），广东珠江人才计划地方创新研究团队计划（2017BT01Z176），国家重点研发计划（2016YFA0602303）和环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（中国科学院生态环境研究中心）专项资金（18Z02ESPCR）的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-020-00780-2
环境水质学国家重点实验室
2020年9月24日
2020-09-24
-
![]()
环境化学与生态毒理学国家重点实验室在颗粒物毒理方面取得进展
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刘思金研究组通过多方合作在颗粒物的环境过程、毒理与转化等研究中取得新进展，相关研究成果陆续发表于Small (Xu et al. 2020, 2003691), Nano Today (Chen et al. 2020, 100976)和NPG Asia Materials (Chen et al. 2020, 12, 56)等期刊上。
在自然环境场景下，颗粒物会发生复杂的环境转化过程，最终决定颗粒物的环境归趋与健康风险。该研究组发现，水环境条件的变化(如pH值、离子强度、有机分子组分)，会引起银纳米颗粒(AgNPs)发生溶解、重结晶、聚集等多种转化过程，进而作用于多种重要的生物功能大分子(如GST和ERα)，进而导致氧化应激损伤、细胞代谢紊乱和细胞死亡等(Particle and Fibre Toxicology 2019, 16, 46; Nanotoxicology 2020, 14, 740-756，图一)。在大气环境中，臭氧则会加速颗粒物的老化，改变其表面含氧化学基团与性质，影响颗粒物的红细胞与巨噬细胞毒性(Environmental Science: Nano 2020, 7, 1633-1641)。
图一. 银纳米颗粒诱发细胞毒性机制的示意图
在纳米颗粒表面，生态大分子(如NOM、EPS、蛋白)会发生复杂的吸附过程，并形成环境冠(environmental corona)的界面结构，显著地影响纳米颗粒的环境行为与生物效应。针对上述科学问题，该团队系统地回顾并综述了纳米颗粒的环境冠界面特征、对纳米颗粒环境行为与生物效应的影响、环境冠影响纳米—生物界面作用的主要机理，并提出了未来该领域研究所面临的主要问题与挑战(Small 2020, 2003691，图二)。
图二. 水环境中纳米颗粒表面形成“环境冠”的主要特征示意图
在上述环境毒理研究的基础上，开展了纳米材料抗病原微生物的转化毒理研究。该团队与复旦大学蔡启良教授合作发现，AgNPs能够更有效的诱导病毒感染细胞发生自噬，并通过直接破坏病毒颗粒以阻断其复制，从而抑制其集落形成(Cell Death & Disease 2019, 10, 392)。同时，该研究组也对新型纳米制剂抗病原微生物的治疗策略与方法进行了评述与展望 (Nano Today 2020, 100976)。该研究组与厦门大学郑南峰教授合作，基于理论模型分析，设计并制备了具有高抑菌活性的新型银纳米团簇(AgNCs)。AgNCs通过类过氧化物酶活性增强活性氧自由基产生、破坏氧化呼吸链电子传递、降低细菌运动能力、抑制生物膜形成，高效地杀灭耐药性铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)，这个研究工作为解决P. aeruginosa耐药性问题提出新思路(NPG Asia Materials 2020, 12, 56，图三)。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委以及中科院国际合作项目的支持。
图三. 双亲性银纳米团簇抗多耐药细菌的作用机制示意图
论文链接1：https://link.springer.com/article/10.1186/s12989-019-0322-4
论文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202003691
论文链接3：https://www.nature.com/articles/s41427-020-00239-y
论文链接4：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013220301456?dgcid=author
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年9月23日
2020-09-23
-
宋茂勇研究组在四溴双酚A的胚胎发育毒性研究中取得新进展
中国科学院生态环境研究中心环境纳米技术与健康效应重点实验室宋茂勇组利用活体成像技术和转基因标记斑马鱼研究了四溴双酚A在斑马鱼胚胎血液发生过程中的毒性效应和甲状腺激素信号通路在毒性机制中发挥的作用，为评估四溴双酚A对水生动物的生态风险奠定了基础。研究结果以封面文章发表在Environmental Science & Technology（DOI：10.1021/acs.est.0c02934）。
四溴双酚A是目前全球使用最广泛的溴代阻燃剂。四溴双酚A容易在水生动物体内特别是在其卵和胚胎中累积，因而其对水生动物带来不可忽视的生态风险。过去多个研究组报道了四溴双酚A暴露可引起斑马鱼胚胎尾部的血红细胞淤积，但是对该缺陷的发生过程和毒性机制仍不明确。本研究组利用活体成像技术，发现红细胞淤积发生在在胚胎血液循环建立的起始阶段（24-26 hpf），主要表现为尾部静脉的扩张。研究组进一步利用转基因标定斑马鱼的成像和流式细胞定量分析，发现四溴双酚A诱导起初级造血组织内细胞团（ICM）的扩张导致了尾静脉形成粗壮的结节状导管，而不是形成编织状静脉血管丛。该研究揭示了四溴双酚A干扰初级红系发生是其发育毒性的起始因素，进而干扰血液循环的正常建立，使得回流至心脏的血液减少，造成血液循环损伤。红系造血发生受到包括甲状腺激素信号通路在内的多个信号通路影响。通过药物拯救实验，研究组发现甲状腺激素拮抗剂胺碘酮几乎能完全拯救四溴双酚A造成的尾部血岛发育缺陷，暗示了四溴双酚A的甲状腺激素干扰活性和甲状腺激素受体信号通路在毒性机制中起到重要作用。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划支持。
论文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c02934
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2020年9月21日
2020-09-21
-
![]()
环境化学与生态毒理学国家重点实验室在转化毒理学方面取得进展
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杜宇国研究组与刘思金研究组通过多方合作在转化毒理学方面取得新进展，相关研究成果近期以研究论文陆续发表于National Science Review (Wang, et al. 2020, DOI: 10.1093/nsr/nwaa226)，Advanced Science(Ma, et al. 2020, 7, 2000609)和Journal of Nanobiotechnology (Wang, et al. 2020, 18, 84)。
免疫系统的调控紊乱与多种疾病的发生发展密切相关。目前KRN7000是一种被广泛认可并具有成药潜力的α-GalCer类Th1型免疫反应激活剂。但是由于α-GalCer对Th1型和Th2型免疫反应的选择特异性不强，限制了其临床应用。该团队成功合成了多手性的糖脂类化合物α-GalCer-diol，细胞和动物实验证实α-GalCer-diol能直接诱导树突状细胞和经典CD1d-iNKT轴的激活，其与CD1d受体的结合力显著强于经典的KRN7000化合物（图1）。同时发现，α-GalCer-diol能诱发小鼠体内CD11b阳性细胞数量增加，并活化表达Th1型炎性因子，二者共同作用，显著提高α-GalCer-diol诱导的机体Th1型免疫反应，并在小鼠黑色素瘤模型试验中呈现出显著的抗肿瘤转移活性。该研究克服了α-GalCer在应用中非选择性诱导抗炎/促炎症反应因子表达的缺点，对新型抗肿瘤药物的研发具有指导意义，相关结果发表在Advanced Science。
图1. 新合成α-GalCer-diol选择性提高Th1型免疫反应的作用机制
肿瘤和退行性疾病等已成为影响人类健康的重要危害因素。该团队与厦门大学郑南峰教授合作，制备了单分散性钯纳米片（PdPL），以目前严重危害女性健康的转移性乳腺癌为研究对象，在原位以及肺转移肿瘤模型上证实PdPL可以有效靶向原位肿瘤和肺转移瘤，并且单独PdPL特别是协同光热治疗可有效抑制乳腺癌肺转移。进一步通过转录组测序、生物信息学分析和生物化学与分子生物学研究发现在非毒性暴露剂量下，PdPL通过阻断TGF-β所驱动的上皮-间充质转化（EMT）信号通路来抑制乳腺癌肺转移（图2）。此发现为揭示PdPL等纳米材料的肿瘤治疗机制提供了新的策略与依据。相关成果在线发表于National Science Review。同时，该团队在纳米药物促进骨折愈合方面取得重要进展，相关成果发表于Journal of Nanobiotechnology。
图2. PdPL通过阻断TGF-β驱动的EMT通路来抑制乳腺癌转移机制
以上研究工作得到了国家自然科学基金委项目、北京市自然科学基金委项目和中科院国际合作项目等的支持。
相关论文链接：
论文1：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000609
论文2：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa226/5900996
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2020年9月4日
2020-09-04
