志存高远　励精图治开拓进取　务实创新

科研进展
首页 科研进展
  • 环境化学与生态毒理学国家重点实验室成功建立用于大气污染物毒性评价的人肺泡上皮诱导模型

    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室利用人多能干细胞成功建立用于大气污染物毒性评价的人肺泡上皮诱导模型，该研究由重点实验室Francesco Faiola研究员、刘思金研究员、汪海林研究员和刘倩研究员共同合作完成，相关成果近日在线发表于Environmental Science & Technology（DOI：doi: 10.1021/acs.est.0c05700）。 
    　　近年来，大气污染对人体健康的影响备受关注。尽管大气颗粒物成分复杂，但已确定无机碳和二氧化硅是其中两个主要组分。此外，多环芳烃（PAH）和多氯联苯（PCB）等有机化合物也经常出现在大气颗粒物的检测中。大气颗粒物及其个别成分对人体的毒性是大气污染对人体健康效应的研究重点。人多能干细胞hPSCs诱导分化而来的不同人体组织细胞在环境毒理学研究中具有广大的应用前景。重点实验室团队的研究成果不仅扩展了hPSCs的应用，而且提供了全新的毒理学研究视角和方法，在动物模型和癌细胞模型的实验基础上提供了补充。该研究成功诱导出了具有典型标志基因和蛋白的肺泡上皮类细胞ATLs，更重要的是，在ATLs类器官中发现了板层小体结构，这是2型肺泡上皮细胞AT2执行其分泌功能所必需的细胞器。同时，实验模型可检测到肺表面活性物质DPPC的表达，它是一种在气体交换过程中降低上皮细胞表面张力所必需的磷脂，这一发现进一步证明该模型可适用于一定的功能性检测。此外，由于板层小体缺陷和DPPC分泌与新生儿的各种症状相关，因此这种诱导分化模型还适合应用于测试环境污染物的新生儿肺脏发育毒性。 
    　　基于构建的模型，重点室团队不仅揭示了大气细颗粒物主要成分BaP、碳纳米颗粒和纳米二氧化硅对人肺的毒性，还证明基于hPSCs构建的人肺类器官可以应用于测试纳米颗粒（如纳米二氧化硅）或其它化学物质的毒性。本研究是干细胞生物学与环境毒理学相结合的交叉成果，为未来揭示更多化学物质的肺毒性效应和机制夯实基础。 
    　　hPSCs分化肺祖细胞（hLPs）和肺泡2型样细胞（ATLs） 
    　　A. hPSC体外分化实验流程示意图 
    　　B. 分化第16天免疫荧光染色图 
    　　C.分化第30天肺表面活性物质Pro-SPC荧光染色（比例尺200μM） 
    　　D. 分化第30天ATLs形成类器官结构图 
    　　E. RNA测序热图比较H9分化的ATLs多能性基因、肺祖细胞和肺泡标志基因 
    　　F. UHPLC-Q-TOFMS鉴定肺泡2型细胞表面标志物DPPC 
    　　该项研究得到国家自然科学基金、中国科学院国际团队项目的支持。 
    　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.0c05700 
    　　  
    　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室 
    　　2021年2月9日 
    2021-02-09
  • 邓晔研究团队提出融合微生物-土壤属性-气候变化模型的理论框架

    　　尽管微生物-土壤属性-气候变化的相互影响已得到了越来越多的重视，但由于微生物群落高度复杂而各物种对气候和环境因子的响应也不尽相同，因此气候变化模型中还很难使用微生物的组成和多样性数据进行直接的优化。生态环境研究中心环境生物技术院重点实验室的邓晔研究团队联合沈阳生态所梁超团队、西双版纳热带植物园张一平团队、朱永官院士、植物所韩兴国研究员、林科院张于光研究员和美国俄克拉荷马大学周集中教授，依托土壤生物专项，获得了中国森林生态系统中1600多个样点的土壤微生物群落组成和土壤环境因子大数据。首先通过提取核心微生物并根据其生境偏好性归类为不同的生态集群，既考虑了微生物物种对环境条件变化响应的差异，又降低了微生物群落高度复杂性带来的困难，大大提高了可操作性。其次结合气候环境因子栅格数据，通过Cubist模型，基于环境-气候数据建立了当前和未来气候变化背景下（RCP2.6 和 RCP8.5）不同生态集群的地理学分布模式（图1）。通过分析发现不同生态集群分布在当前气候条件下的热点区域在空间上并不重叠；而在未来气候变化的背景下，这些不同的生态集群响应的敏感区域不同，进而产生一系列热点区域的迁移。这些变化一方面可以指示集群内微生物对未来气候变化的空间适应性，另一方面考虑到每一类生态集群所代表的环境偏好性，这些变化也可进一步用来预测未来的土壤生态效应，如土壤酸化、土壤有机碳库的变化等。这一研究结果为推动微生物生态研究从现有规律到模型预测做出了贡献。
    　　该研究成果于近期发表于中科院、国家自然基金委、Elsevier联合出版的自然科学综合性期刊Science Bulletin上。论文第一作者为研究组助研王尚、特别研究助理冯凯博士及沈阳生态所鲍雪莲副研究员。该研究获得了中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。文章链接如下：https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.01.021
    　　图1 不同生态集群在未来气候情景下（RCP2.6和RCP8.5）相比于当前气候条件的丰度变化
    　　中国科学院环境生物技术重点实验室
    　　2021年1月25日
    2021-01-25
  • 傅伯杰团队基于大数据分析构建长时间序列高分辨率全球表层土壤水数据集

    　　土壤水是连结大气系统和陆地生态系统的重要参量，全球尺度长时间序列土壤水及其变化特征为理解气候变化下地-气相互作用机制提供重要依据。微波遥感是目前获取大尺度表层土壤水的最佳方式，但是传感器更新快，单个传感器覆盖的时间范围较短，且部分地区存在数据缺失，重建全球尺度微波遥感土壤水分时间序列是当务之急。
    　　中国科学院生态环境研究中心傅伯杰研究团队将遥感大数据与机器学习相结合，融合多种主、被动微波遥感反演的土壤水，包括AMSR-E, WindSat, TMI, ASCAT, SMOS, FY（风云）和AMSR2等，并统一校正至最优遥感土壤水数据SMAP同等精度水平，构建了2003~2018年时间上连续、空间上全覆盖的（除冰雪）的遥感土壤水产品（空间分辨率为0.1度，时间分辨率10天）。该产品较ERA5-Land, GLDAS，ASCAT-SWI，CCI和GLEAM更准确地反映全球表层土壤水的年内变异性，年际趋势和空间异质性，有效提升了微波遥感全球土壤水数据的精度和应用价值。
    　　研究发展的神经网络大数据分析方法具有以下四个特点：1）是结合机理的神经网络，将微波辐射传输过程的影响因子参与神经网络的训练； 2）区别于常用的全局性网络，采用区域化的神经网络精准刻画局地性的地理规律。同时发展了边界模糊处理算法，以整合全局性网络的优点；3）多轮次迭代性的神经网络，上一级神经网络模拟的输出会转化成下一轮次神经网络训练的输入-训练目标，以延伸训练目标数据的时间跨度，有效克服各微波传感器时间跨度均有限且时间范围各不相同的特点，并充分利用所有的微波传感器信息，形成长时间上连续的序列；4）是多层次且有组织的神经网络的集合。在各轮次下，有多个子步骤，而每个子步骤下又有多个独立的神经网络，最后每个独立神经网络包含很多局域性子网络，共涉及5个轮次、8个子步骤、67个独立神经网络和无数局域子网络，是一套神经网络组合系统，一定程度上扩展了基于神经网络的大数据分析的外延，且算法对于未来新型土壤水分遥感产品有包容性。
    　　这一研究成果近期发表在国际著名数据期刊Earth System Science Data，同时数据产品发布于国际著名的地球与环境科学数据平台PANGAEA。论文第一作者是博士研究生陈永喆，通讯作者是冯晓明研究员。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院项目等的资助。
    　　论文链接：https://essd.copernicus.org/articles/13/1/2021/
    　　数据链接：https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.912597
    　　图1：全球表层土壤水数据的时空格局（2003~2018年）；（a）全球表层土壤水数据的空间格局；（b）GLDAS表层土壤水空间格局；（c）表层土壤水随纬度的变化（-60°S~80°N）的对比；（d）表层土壤水分2003~2018年间年际趋势的空间分布；（e）GLEAM表层土壤水数据的年际趋势图；（f）本数据集与GLEAM数据的年际动态对比。在（a~b）中，红色圆圈表示本研究结果对比GLDAS数据在空间格局上有明显差异的地区，而在（d~e）中，红色圆圈表示表层土壤水减少的地区，蓝水圆圈是土壤水增加的地区。
    　　图2：全球表层土壤水数据的年内变异及其与降水动态性的关系：（a）表层土壤水达到年内最大值的时间点（单位：10天）；（b）表层土壤水的年内波动幅度；（c）表层土壤水与降水的年内波动的相关系数；（d）表层土壤水对降水峰值响应的时滞，单位：10天），左下方小插图为频率分布直方图；（e）在全球不同地区，当干旱事件（连续无有效降水的情况）发生在一年中第几个十天时，表层土壤水分下降最快；（f）若干旱事件随机发生在一年中任何一个时间段，连续10天无有效降水后土壤水的减少量。
    　　城市与区域生态国家重点实验室
    　　2021年1月6日
    　　
    2021-01-06
  • 魏源送研究组在CKDu病区地下水源饮用水安全保障方面取得新进展

    　　近年来，中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室魏源送研究组通过与斯方深入合作，在CKDu病区地下水源饮用水安全保障方面取得新进展，主要包括CKDu病区地下水水质特征、地下水有机物组成及微生物学特征、地下水源纳滤膜技术研发与应用等方面，相关研究成果近期以研究论文陆续发表于Journal of Hazardous Materials(Titus, et al. 2021, 403, 123816), Journal of Environmental Sciences(Makehelwala, et al. 2020, 88, 326-337),Science of the Total Environment(Makehelwala, et al. 2019, 660, 865-875)等。
    　　针对斯里兰卡CKDu病区地下水水质底数不清、地下水源饮用水安全保障现状及需求，研究组在斯里兰卡CKDu高发的北中省开展了系统的现场调研解析，明确了CKDu高、低和非发病区 (HR、LR、NR)干、湿季地下水的水化学特征、溶解性有机物（Dissolved organic matter, DOM）特性、细菌群落组成、抗生素抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）等特征，初步阐明了溶解性有机物与Ca2+、SO42-的相互关系。研究表明，CKDu病区地下水属于地下水中主要微生物属于变形菌门（Proteobacteria），并以潜在病原微生物不动杆菌（Acinetobacter）、假单胞菌（Pseudomonas）和气单胞菌（Aeromonas）为主，并且气单胞菌在CKDu高发区显著特异性富集；地下水中ARGs以多重耐药性（Multidrug resistance）和β-内酰胺类（β-lactamresistance）为主，CKDu高发区特异性富集了β-内酰胺类抗性基因cphA，这与CKDu高发地区此类抗生素的使用有关，说明CKDu高发区对当地地下水环境产生了一定的影响。
    　　图1. CKDu高发地区地下水WQI及其对地下水微生物群落组成和抗生素抗性组的影响。
    　　基于此，研究团队创新地把溶解性有机物纳入水质指数（Water quality index, WQI），据此对所调查的CKDu病区地下水进行了水质评价，明确了CKDu病区的地下水水质状况；通过工艺优化、处理效能评价与膜污染控制研究，开发了以纳滤膜技术为核心的CKDu病区地下水源饮用水安全保障“吸附-除F-软化-NF-消毒”工艺路线，并与碧水源公司合作开发了20t/d的地下水纳滤膜处理装置。自2018年9月以来，该装置已在斯里兰卡CKDu病区Sirimapura村庄稳定运行两年有余，设备出水水质均远优于斯里兰卡饮用水水质标准(SLS 614-2013)，为当地164户居民（约750人）和1300名小学生提供了优质饮用水，得到了斯里兰卡政府和居民的一致好评。
    　　图2. 斯里兰卡Sirimapura村庄地下水源纳滤膜饮用水站工艺流程及当地群众取水现场
    　　以上研究工作得到了中国国家自然科学基金委与斯里兰卡国家科学基金联合研究项目(21861142020)，中国科学院一带一路项目(121311KYSB20190071)，国际科学组织合作研究计划联盟(ANSO-CR-KP-2020-05)，中国科学院中国-斯里兰卡水技术研究与示范联合中心项目，中国科学院中国-斯里兰卡联合教育研究中心，CAS–TWAS 院长奖学金项目、中国政府奖学金项目(CSC No. 2015GXYG44)等项目支持，并培养了2名斯里兰卡博士生Titus Cooray和Madhubhashini Makehelwala。
    　　水污染控制实验室
    　　2020年12月21日
    2020-12-21
  • 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
查看更多