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刘思金研究组在金属代谢异常与毒性的研究中取得进展
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员课题组与山东大学闫兵教授及美国加州大学洛杉矶分校Tomas Ganz教授等合作，最近在金属代谢异常与毒性的研究中取得多项进展，相关研究成果发表于Haematologica（Liu and Liu, et al. 2019,doi:10.3324/haematol.2018.209874），Advanced Science （Song, et al. 2018;5:1800866），American Journal of Hematology（Guo, et al. 2019;94:184-8）和Journal of Trace Elements in Medicine and Biology（Li, et al. 2019;52:232-8）。
铁是生命活动必需的微量元素。环境和遗传因素单独或相互作用可以导致铁代谢紊乱，引发贫血和铁负荷等多种疾病。血色素沉着病和地中海贫血是典型的铁负荷疾病。目前针对这些铁负荷疾病主要采用去铁、输血和脾切除等治疗手段，但这些治疗手段有诸多局限性，严重影响了治疗效果，迫切需要寻找新的药物。铁调素（Hepcidin）作为机体内调节铁代谢的最主要激素，其主要的生物学功能是通过与其受体（Ferroportin）结合来实现，升高Hepcidin表达水平被认为是有效改善铁负荷的潜在治疗靶点。本课题组通过国内外合作寻找Hepcidin的激活剂，通过筛选210个噻唑烷酮类化合物的文库，发现了3个有效刺激Hepcidin表达的激活剂。通过Hepcidin缺失小鼠模型，明确了3个化合物的作用靶点为肝脏的Hepcidin表达。以血色素沉着病（Hfe-/-）小鼠为模型，证实了这些化合物能够显著降低小鼠肝脏的铁负荷。同时，以地中海贫血（Hbbth3/+）小鼠为模型，证实这些化合物既能够降低组织的铁负荷，也能够改善了小鼠的贫血。机制研究证实，这些化合物主要通过抑制TMPRSS6和P-ERK来刺激Hepcidin表达（图1）。相关成果在线发表于Haematologica。
图1.噻唑烷酮类化合物增加Hepcidin表达来阻止铁负荷与改善贫血
目前对于铁负荷状态下肝脏不同区域铁沉积的特征和程度知之甚少。该课题组发现，肝脏中铁呈现不均匀分布，在肝门静脉和肝动脉入口附近区域具有较高的铁含量；而在靠近肝脏远端的边缘区域铁含量显著降低（图2）。铁积累较多的区域对体内铁水平的变化更加敏感。机制研究发现，肝脏各个区域铁分布的差异主要由Hepcidin-Ferroportin轴所决定。研究成果发表于Advanced Science。
图2.肝脏中铁的累积分布呈现显著的区域差异
另外，该课题组发现了正常与异常妊娠条件下Hepcidin的变化规律。也证实了一种新的铁螯合剂—去铁胺-咖啡因二聚体（DFCAF）具有更高的去铁效果。与单独的去铁胺（DFO）相比，DFCAF的细胞渗透性更强，更高效的螯合胞内铁，从而抑制肿瘤细胞的生长和运动/侵袭。更重要的是，DFCAF能够显著清除肿瘤干细胞（CSC），减少CD44+/high/CD24-/low和ALDH+/high的细胞亚群。这些研究成果对于揭示正常与疾病状态下的铁代谢机制提供了新的认识。研究成果分别发表于American Journal of Hematology和Journal of Trace Elements in Medicine and Biology。
以上研究工作得到了中科院先导专项B和国家基金委项目的支持。
论文链接1：http://www.haematologica.org/content/early/2019/02/15/haematol.2018.209874
论文链接2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201800866
论文链接3：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ajh.25341
论文链接4：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30732888
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2019年2月22日
2019-02-22
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傅伯杰团队在地球关键带研究方面取得系列重要进展
地球关键带 (Critical zone)研究是美国国家研究理事会在2001年提出的21世纪地球系统科学前沿方向，孕育着重大发展机遇。据最初的界定，地球关键带就是地球近地表的异质性环境，包括陆地表层、河流湖泊、海岸带及近海海域等，是人类生息和活动的主要空间，因其在功能上很关键，所以称其为“地球关键带”。然而，截至目前，关键带研究发展的最显著特征，是在全球范围内初步建立了观测台站网络体系，基于台站观测形成了大量关于局地关键带结构、过程、演化和模拟等方面的研究成果，在垂直方向上限于植被冠层到地下水含水层的层次，水平方向主要限于100km2以下的观测研究范围。所以，既往的研究对关键带功能和区域以上大尺度空间异质性等问题缺乏足够的重视，尚不能很好地服务于关键带可持续发展与管理的社会需求。
傅伯杰团队瞄准这一学科发展的薄弱环节进行了系统探索。面向关键带可持续性的科技需求，提出：1）要拓展关键带的边界和研究维度；2）关键带的生态环境服务应该作为核心科学议题纳入研究体系；3）加强与管理决策相关的时间尺度下的深度耦合研究，包括结构-过程-功能-服务的耦合及多学科的交叉与集成； 4）将景观多功能性的研究和关键带研究相结合。而区域关键带空间异质性和类型学的研究可以作为推进上述研究的重要途径。进而，他们以我国黄土高原地区为例，构建了区域关键带类型划分的指标体系和方法框架，将全区划分出了8类关键带系统，这种系统划分对于关键带空间格局的认识、不同关键带之间相互作用及优化关键带观测网络布局具有重要意义。上述研究成果得到了国家自然科学基金委员会中英关键带重大国际合作项目的支持（资助号：41571130083），相关论文发表在Environmental Science & Technology和National Science Review上。系列文章链接如下。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.7b02677
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy003/4794955
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy147/5210106
2019-01-17
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“一万年不久”—祝贵兵研究组在厌氧氨氧化菌的复苏方面取得进展
“一万年太久，只争朝夕”，一万年对于人类社会非常久远，而对于微生物则不然。
厌氧氨氧化细菌栖息在缺氧的海洋中，它们对全球氮循环有重要贡献。目前已探明，海洋系统中厌氧氨氧化反应对氮的流失贡献量占30-50%，但是在陆地生态系统中厌氧氨氧化反应是否也发挥重要作用，尚不明确。祝贵兵研究员团队此前的研究已经表明，在我国陆地水生态系统中，发生着长期被忽略却又无处不在的厌氧氨氧化过程。但在陆地其他生态系统中，包括森林、草地和荒漠等均没有检测到广泛分布的厌氧氨氧化过程。课题组在北澧河农田生态系统的研究中发现，垂向的旱地土壤，在含水率较高的深度可以检测到厌氧氨氧化反应的发生。因此，我们推测陆地生态系统也广泛存在厌氧氨氧化菌，而水是诱导厌氧氨氧化发生的关键因素。该成果发表于《Environmental Microbiology》。
水是地球生命所必需的，也是微生物能量和代谢的重要介质。休眠是在不利环境下维持低代谢活性的状态。许多微生物在缺水之后会转变为代谢不活跃状态，一旦环境条件变得有利就会恢复。中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究员团队从干旱环境（0-63米）中选择了非常古老的土壤，不加任何其他底物，只在加水培养的条件下，恢复了旱地生态系统中休眠了一万年以上的厌氧氨氧化细菌的活性。同位素示踪分析表明，水诱导硝酸盐还原，生成足够的亚硝酸盐作为底物用于激活厌氧氨氧化菌的能量。随后，硝酸盐异化还原过程 (DNRA)为厌氧氨氧化菌提供了底物铵。从而生成的铵和亚硝酸盐可以反应生成氮气。高通量测序和网络分析表明，Brocadia是厌氧氨氧化菌的优势菌种。Jettenia种属连接其他群落菌群。
这项研究工作的重要意义在于，只用加水的培养方法，成功复苏了休眠了长达一万年以上的旱地土壤中的厌氧氨氧化菌。由此推测，在全球气候变化的影响下，降水增加，土壤水分增加可复活干旱土壤中休眠的厌氧氨氧化菌，从而影响全球氮和碳循环。该成果发表于国际微生物生态学的权威杂志《The ISME Journal》。
图1 在土壤和风化层深度6-9米（I），18-21米（II），45-48米（III），51-54米（IV），水诱导的Anammox细菌丰度（灰色柱），活性（星状图例），群落组成（饼图）和基质浓度（黑色或红色线），左侧为土壤/风化层演替。“ND”表示厌氧氨氧化物丰度低于检测限（<103拷贝g-1），并且对于厌氧氨氧化速率没有正15N同位素示踪。 数据点代表一式三份实验（平均值±SD）
a.
b.
图2 厌氧氨氧化菌细菌群落和内部相关机制概述。a在土壤和风化层深度为6-9米（I），18-21米（II），45-48米（III），51-54米（IV）厌氧氨氧化检测到后的群落组成。b anammox细菌群网络分析图，平均聚类系数（avgCC）为0.639。节点的颜色和形状用于系统发育类群，其大小与节点连通性成比例。蓝色表示正相互作用，灰色表示负相互作用。
a.
b.
c.
图3 细菌和古菌群落的概述以及与厌氧氨氧化细菌的相关机制。厌氧氨氧化后样品中a 总细菌和丰度最大的门Proteobacteria和b 总古生菌组成的月变化。c土壤/风化土样品在孵化期间厌氧氨氧化细菌，古菌和细菌类群的外相关网络，平均聚类系数（avgCC）为0.704。节点的颜色和形状用于系统发育类群，其大小与节点连通性成比例。 蓝色表示正相互作用，灰色表示负相互作用。
图4 灭菌培养基水培养下土壤/风化土样品中N循环微生物活性和群落的时间变化。
文章列表：
1. Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Cheng Wang, Liguang Zhou, Siyan Zhao, Yixiao Li, Fangbai Li, Mike S. M. Jetten, Yonglong Lu, Lorenz Schwark*. Resuscitation of anammox bacteria after >10,000 years of dormancy. The ISME Journal. https://doi.org/10.1038/s41396-018-0316-5
2. Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Yixiao Li, Linjie Zhuang, Siyan Zhao, Cheng Wang, Marcel M.M. Kuypers, Mike S.M. Jetten, Yongguan Zhu*. Microbial pathways for nitrogen loss in an upland soil. Environmental Microbiology. 2018. 20(5): 1723-1738.
中国科学院饮用水科学与技术重点实验室
2018年12月5日
2018-12-05
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我国学者在氮氧化物选择性催化还原研究领域取得重要进展
在国家自然科学基金重点项目（项目编号：21637005）等资助下，贺泓院士团队（中国科学院生态环境研究中心、城市环境研究所）在氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得重要进展。研究成果以“Polymeric vanadyl species determine thelow-temperature activity of V-based catalystsfor the SCR of NOx with NH3”（聚合态钒氧物种决定了钒基催化剂氨选择性催化还原氮氧化物的低温活性）为题，于2018年11月30日在Science Advances（《科学进展》）上在线发表。论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau4637
氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，参与形成酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列大气复合污染，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于电厂等固定源和机动车等移动源的燃烧排放。NH3-SCR是去除固定源和移动源NOx的主流技术，应用最为广泛的催化剂体系是钒基催化剂。但是，由于SCR反应的复杂性，目前对于钒基NH3-SCR的微观反应机理的认识仍不完全清楚。另一方面，由于高钒负载量催化剂具有催化SO2转化为SO3的副反应、钒氧化物具有生物毒性等问题，因此开发低钒负载量、且具有优异低温活性的新型钒基催化剂是目前SCR技术应用的迫切需求。
贺泓院士团队借助量子化学计算方法从原子水平阐明了钒基SCR催化剂去除NOx的微观基元反应全过程（图1），明确了聚合态下钒物种间的耦合作用缩短了活性位再生的反应路径，并显著降低决速步能垒。理论和实验均证明低聚态钒氧物种的催化活性明显高于单体钒氧物种，是低温SCR去除NOx的活性位。在理论指导下，研究团队在实验上成功通过控制催化剂表面硫含量设计合成出了低聚态氧化钒活性中心结构，实现了在低钒负载量（1 wt%）下低温SCR活性的显著提升（图2）。该研究成果已经成功应用于重型柴油车尾气净化的低钒高活性SCR催化剂开发和量产。
图1 NH3-SCR催化循环路径：（A）单体钒氧物种表面；（B）低聚态钒氧物种表面。
图2 催化活性和催化剂结构表征：（A）硫含量对V2O5/TiO2催化剂SCR去除NOx催化活性的影响；（B）硫调控对催化剂钒氧物种结构的影响。
中国科学院生态环境研究中心
2018年12月3日
2018-12-03
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贺泓研究团队在氮氧化物选择性催化还原研究领域取得重要进展
氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，参与形成酸雨、光化学烟雾、灰霾等一系列大气复合污染，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于电厂等固定源和机动车等移动源的燃烧排放。NH3-SCR是去除固定源和移动源NOx的主流技术，应用最为广泛的催化剂体系是钒基催化剂。但是，由于SCR反应的复杂性，目前对于钒基NH3-SCR的微观反应机理的认识仍不完全清楚。另一方面，由于高的钒负载量催化剂具有催化SO2转化为SO3的副反应、钒氧化物具有生物毒性等问题，因此开发低钒负载量、且具有优异低温活性的新型钒基催化剂是目前SCR技术应用的迫切需求。
贺泓研究团队在氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）研究方面取得重要进展，研究成果近期发表于综合性学术刊物Science Advances（Science子刊）上。该研究借助量子化学计算方法从原子水平阐明了钒基SCR催化剂去除NOx的微观基元反应全过程（图1），明确了聚合态下钒物种间的耦合作用缩短了活性位再生的反应路径，并显著降低决速步能垒。理论和实验均证明低聚态钒氧物种的催化活性明显高于单体钒氧物种，是低温SCR去除NOx的活性位。在理论指导下，研究团队在实验上成功通过控制催化剂表面硫含量设计合成出了低聚态氧化钒活性中心结构，实现了在低钒负载量（1 wt.%）下低温SCR活性的显著提升（图2）。该研究成果已经成功应用于重型柴油车尾气净化的低钒高活性SCR催化剂开发和量产。
该项研究得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的支持。
论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau4637
图1 NH3-SCR催化循环路径：（A）单体钒氧物种表面；（B）低聚态钒氧物种表面。
图2 催化活性和催化剂结构表征：（A）硫含量对V2O5/TiO2催化剂SCR去除NOx催化活性的影响；（B）硫调控对催化剂钒氧物种结构的影响。
大气污染控制中心
2018年12月3日
2018-12-03
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陈保冬研究组在丛枝菌根真菌生物地理学研究方面取得重要进展
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陈保冬研究组近期在丛枝菌根真菌生物地理学研究方面取得重要进展，相关研究结果发表在Journal of Ecology（DOI: 10.1111/1365-2745.13060）和Environmental Microbiology Reports（DOI:10.1111/1758-2229.12485）等国际学术期刊发表。
丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）真菌是自然生态系统中广泛分布的土壤真菌，能够与绝大多数陆地植物形成互惠共生体，帮助植物适应多种逆境胁迫，影响植物的种间关系和植物群落的物种多样性，对维系生态系统结构和功能的稳定性具有重要意义。AM真菌的地理分布格局及影响因素是目前微生物地理学研究的前沿和热点。
陈保冬研究组为揭示全国典型生态系统AM真菌群落组成结构及其关键驱动因子，综合考虑了森林、灌丛、草地和荒漠四种生态类型，根据植被气候带按两条样线选取具有代表性样点，其中南北样线主要代表纬度（温度）变化，以不同森林生态系统为主；东西样线位于我国北方，主要代表经度（水分）变化，自东向西由草原向荒漠生态系统过渡。研究发现木本植物森林生态系统中AM真菌α和β多样性的纬度分异很大程度上取决于生态系统类型，且不同生态系统之间AM真菌群落的差异远大于同一生态系统类型中不同样点之间的差异。在草地和荒漠生态系统中，AM真菌群落组成的分异与植物群落组成密切相关，地理距离能够较大程度上解释AM真菌群落组成变化，是AM真菌系统发育格局的首要预测因子，表明AM真菌空间分布格局可能与扩散限制作用相关。
这项工作是针对我国不同生态系统中AM真菌群落较为系统的研究之一，揭示了AM真菌在不同生境中的多样性及其生态分布规律，丰富和完善了AMF真菌生物地理学理论。
该系列研究得到了全国生态环境十年变化遥感调查与评估专项、国家自然科学基金及国家重点研发计划的支持。
城市与区域生态国家重点实验室
2018年9月20日
2018-09-20
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室发表综述论文讨论纳米材料的环境健康风险与纳米产业的可持续发展
随着纳米技术的迅速发展和纳米材料的大量应用, 纳米材料将不可避免地进入到环境中，从而通过多种暴露途径对人类健康产生很大风险（如图1所示）。因此，研究纳米材料的环境健康安全性（EHS）对于促进纳米技术及相关产业的可持续发展至关重要。近日，刘思金、吕永龙研究员与南开大学陈威教授等合作，针对纳米产业可持续发展中的环境暴露、环境健康风险和实验室的风险管控上升为产业规模的风险管理问题发表综述论文，相关综述在线发表于Nano Today (Liu, et al.2018, DOI: 10.1016/j.nantod.2018.09.002)和Environmental Science: Nano (Zhang, et al. 2018, DOI: 10.1039/C8EN00688A)。
图1. 纳米材料的环境暴露与人群暴露风险示意图
论文作者针对纳米材料环境健康风险研究中存在的关键问题和面对的挑战，特别是纳米材料环境转化对纳米材料毒性和机制的影响进行了讨论。目前，尽管关于纳米材料的EHS研究已经取得了较大进展, 但是仍然存在许多亟待解决的问题和挑战：1）多数研究没有关注纳米材料在实际环境中的转化和暴露剂量对其生物效应和毒性的影响。因此，在对纳米材料进行环境暴露和健康风险评估时，需要综合考虑其在现实环境中的转变、剂量以及与污染物的相互作用（如图2所示）。2）国际上还没有形成被广泛接受的针对纳米材料EHS的评估框架，而用于评估传统化学药品毒性的检测方法并不适用于纳米材料，因此，需要发展针对纳米材料EHS评估的新方法或者替代测试策略；例如，现有用于纳米材料表征的分析方法具有局限性, 需要在原有基础上进行改进和创新，更好地识别、分离和表征复杂环境介质中的纳米材料；再比如，目前用于表征纳米毒理学的计算模型仍然存在着障碍和局限性，在识别纳米颗粒的组成和结构与其生物活性之间的关系上，欠缺用于多元分析、计算模拟和预测研究的模型，以指导人工纳米材料的安全设计；同时也需要考虑纳米材料进入环境介质和人体的实际情况，更好地选择合适的暴露模型以及确定选择性生物标志物，包括表观遗传替代物（如DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNAs和长时间非编码RNA）3）截至目前，纳米技术的发展缺乏对其在产业发展层面的风险管理；亟需在技术改进、政策制定、用户实践、基础设施和产业结构等方面采取一系列措施，促进实验室衍生的风险法规、标准和协议有效地转化到纳米产业发展的实际应用。如图3所示，作者进一步总结和更新了纳米材料环境健康风险评估的框架图。相关综述于近日在线发表于国际知名期刊Nano Today。
图2. 纳米材料的环境过程对其理化性质、赋存状态及生物效应的影响示意图
纳米材料进入环境介质后，在多种环境因素的作用下会发生物理、化学和生物转化，从而使其物理化学性质发生显著改变，这些变化最终会影响纳米材料的毒性（如图2所示）。因此，深入理解纳米材料环境转化相关的毒性效应对于预测纳米材料EHS至关重要。以高环境暴露风险的金属纳米材料为例，讨论了纳米材料的环境转化对生物体毒性的影响和可能机制。具体内容包括以下几个方面：1）金属纳米材料的环境转化可以发生在空气、土壤和水体等环境介质中。2）金属纳米材料与环境因子的作用可以改变其对环境中生物体和细胞的毒性效应，包括增强或减弱金属纳米材料的抗菌活性；改变金属纳米材料在陆地植物中的分布和蓄积情况；改变金属纳米材料对藻类、水生无脊椎动物、水生脊椎动物生存率、生长速率和胚胎发育的毒性。3）作用机制方面，环境转化引起的尺寸和表面化学性质的改变、离子释放率的改变，以及这些变化导致的生物有效性的改变是导致转化态金属纳米材料的毒性显著不同其原始态纳米材料的主要机制。同时，影响金属纳米材料与生物大分子（如蛋白分子）的作用以及对环境污染物的吸附作用也是环境转化改变金属纳米材料毒性效应的重要机制。上述一系列变化会进一步影响细胞对转化态金属纳米材料的识别、吸收、信号传递和反应，最终导致其毒性显著不同于原始态金属纳米材料。相关综述于近日在线发表于国际期刊Environmental Science: Nano (2018, DOI: 10.1039/C8EN00688A)。本论文的第一作者是博士研究生张洁。
图3. 纳米材料环境健康风险评估的框架图
该研究得到了中科院先导专项B、科技部973项目、国家自然科学基金委的支持。
文章链接1：https://doi.org/10.1016/j.nantod.2018.09.002
文章链接2：http://dx.doi.org/10.1039/C8EN00688A
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2018年9月19日
2018-09-19
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刘思金研究组在纳米材料的环境健康风险研究方面取得新进展
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在纳米材料的环境健康风险评价与毒理机制方面取得新进展，相关研究成果近期陆续发表于ACS Nano (Xu, et al. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04906), ACS Applied Materials & Interfaces (Bai, et al. 2018, 10: 20368-20376), ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang, et al. 2018, 6: 10374-10384; b) Wang and Liu, 2018, 6:4164-4173), Nanoscale (Wu, et al. 2018, 10: 14637-14650), NPG Asia Materials (Qi and Liu, et al. 2018, 10: 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi, et al, 2018, 2: 222-232)。
纳米材料的环境健康风险与生物效应主要决定于材料自身的物理化学性质。如何系统全面的揭示纳米材料理化特性决定的环境健康风险，一直都是环境健康研究领域的前沿科学问题与挑战。为了回答这个科学问题，该课题组与德国汉堡大学Wolfgang J. Parak教授课题组开展了深入的合作研究，以金纳米颗粒（gold nanoparticles, AuNPs）作为研究模型，历经4年多的共同努力，在分子、细胞与动物水平上，考察了21种具备不同理化性质AuNPs的细胞毒性、与生物分子相互作用、蛋白冠形成、细胞吞噬和体内组织分布等生物作用行为的异同（图1）。基于大量的实验数据，创新性地运用统计学方法（hierarchical cluster analysis）寻找理化性质的决定机制和构效关系机制，发现众多的物理化学性质与环境条件等因素综合在一起决定了AuNPs的生物行为与效应，其中水合粒径与表面电荷的影响更显著（图1）。此发现为纳米材料的健康风险评估和毒性预测等相关研究提供重要的数据支持。相关成果发表于ACS Nano。同时，与合作伙伴一起利用计算模型揭示了纳米颗粒物与生物分子的相互作用机制，相关成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces。
图1. 21种具备多维度物理化学性质AuNPs生物行为与效应异同的聚类分析
目前，关于金属纳米材料（MNPs）的安全性评价仍存在诸多问题和挑战，如多数研究集中于MNPs所导致的某个单一毒性通路，而没有系统的考虑多种毒性通路的交互作用；而且多数研究采用高剂量暴露，不能有效的反映实际环境暴露条件下MNPs的健康风险。为此，本研究选择了多种MNPs（包括稀土纳米材料、纳米银、铁氧化物纳米材料、纳米氧化锌和纳米二氧化钛等），采用低剂量暴露，从多个角度系统的评价了MNPs对巨噬细胞的不良结局：细胞活力降低和死亡、氧化应激损伤、炎症反应、细胞膜/细胞骨架损伤和吞噬能力降低等，发现了不同MNPs诱发细胞不良结局和相关毒性通路的异同，并进行了系统的总结和归纳，如图2所示。相关研究成果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基础上，该课题组进一步发现了量子点等MNPs诱发胚胎发育毒性的分子作用机制，相关研究成果发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。
图2. 金属纳米材料诱发巨噬细胞不良结局和相关毒性通路差异的示意图
作为极具应用前景的碳纳米材料，石墨烯类纳米材料在环境、生物医学和能源等领域得到越来越多的开发和应用。目前对于石墨烯类纳米材料的环境健康风险已展开了很多研究，但是对于此材料在环境介质和生物介质中的转化过程及此转化过程对其生物效应的影响了解甚少。为了揭示这个科学问题，该课题组系统的探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在环境介质和体内肺生物介质中的转化过程和毒性变化。该研究发现在环境介质中还原剂的作用下GO发生显著的还原并转化为还原态氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO与RGO具有不同的含氧官能团并表现出显著不同的赋存形态，最终导致对巨噬细胞产生显著差异的毒性效应（图3）。相关成果发表于Nanoscale。该课题组也揭示了GO在肺内生物介质中的转化过程与毒性及相关功能变化，研究成果发表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。
图3. 氧化石墨烯环境生物转化决定的毒性效应变化机制示意图
以上研究工作得到了973项目、中科院先导专项B和国家基金委项目的支持。
相关论文链接：
论文1: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b04906
论文2: http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/nr/c8nr02798f
论文3: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b01744
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2018年9月14日
2018-09-14
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俞文正课题组的研究成果受到美国科普网站Science Trends的报道
8月31日，美国知名科普网站Science Trends以“Complement Of Coagulation Mechanisms And Whether It Is Suitable To Use Coagulants In Lakes For Removing Phosphate”报道了生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室/中科院饮用水重点实验室分离净化与资源回收课题组的相关研究工作，该工作近日发表于Water Research期刊。
Science Trends网站作为国际知名科普网站，主要针对科学前沿论文进行报道，为各国科学家分享最新研究成果提供了重要平台。Science Trends以长摘要的形式报道分离净化与资源回收课题组的研究成果，说明该文对水处理领域中混凝机理的研究达到了一定的深度，充分肯定了该研究在混凝机理方面所做出的突出贡献。混凝机理的研究虽经过近百年的发展，但混凝过程中网捕卷扫的机理并未完全阐述清楚。
该研究主要从以下2个方面进行阐释，首先确认了混凝过程中混凝剂会先形成纳米颗粒，之后吸附水中的混凝剂-有机物络合物，形成稍大的纳米颗粒，并逐渐凝聚形成絮体，补充了混凝机理中有关网捕卷扫作用的认识。另外，这些纳米颗粒会逐渐从沉淀的絮体（沉积物）中脱离，游离到水中，从而造成水体的二次污染，这为传统的方式（投加混凝剂）去除水体中的磷及其他污染物提供了新的认识。
网站报道链接： https://sciencetrends.com/complement-of-coagulation-mechanisms-and-whether-it-is-suitable-to-use-coagulants-in-lakes-for-removing-phosphate/
期刊链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135418305232
2018-09-04
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生态环境中心提出污水资源化的亲自然范式与数据驱动新方法
中国科学院生态环境研究中心在污水处理领域取得重要进展，提出了污水处理协同资源回收与末端利用的亲自然型范式，并开发了数据驱动的系统设计、过程模拟与前瞻评估一体化的研究新方法。这一成果发表在8月1日的Science Advances（《科学·进展》）上。
满足人类繁荣发展且维系生态系统健康是21世纪的全球性难题。未来人口与经济的迅猛发展必将给城市污水处理系统带来巨大挑战。面对水安全、复合污染、能源与资源危机等一系列问题，发展可持续的污水处理新模式受到了广泛关注。联合国2030年可持续发展目标，已明确将污水资源化纳入水与卫生设施发展纲要。为此，如何实现污水处理由污染物去除转变为能源与资源的深度回收与循环利用，是环境工程领域亟待解决的重要课题。
生态环境中心刘俊新研究组王旭副研究员领衔的由中国、英国、美国以及荷兰科学家组成的国际团队发展出了污水处理协同资源回收基础设施新范式REPURE（REuse the Pollutants from Used-water as REsource，图1）。该新范式取得如下突破：（1）以污水中有机碳为调控媒介，重构了生物合成与分解代谢过程中的物质流动和能量循环模式，同步实现了污染控制、资源回用与节能低碳等多元目标；（2）采用可持续科学替代以处理效能为核心的工艺研发理论；（3）利用土壤生态系统协同转化污水处理的衍生污染物，提高污染物的资源转化和利用效率。
在此基础上，研究团队深入挖掘并整合了水质特征、系统效能、物质迁移、能量分布以及环境影响等多层数据流（图2），开发了数据驱动的污水处理系统设计与模拟分析的可视化方法学。相比传统方法，数据驱动的新方法有利于全面认知耦合体系的内联性与复杂性，同时具备高效、省时与低成本等优点，为污水资源化新体系从概念发展到工艺设计与优化提供了一体式的科学方法。
近年来，研究团队围绕水系统与全球变化问题开展了一系列深入的创新工作，这是该团队继2015年在PNAS（《美国科学院院刊》）发表相关研究文章后取得的又一重要进展。2017年，团队中主要研究人员王旭副研究员凭借“大数据驱动污水资源管理新模式”成果，荣获 MIT Technology Review Innovators Under 35 China Award（《麻省理工科技评论》35位35岁以下科技创新中国青年奖）。
上述研究得到了英国皇家学会牛顿国际学者基金、国家自然科学基金、北京市科技新星、北京市委组织部青年拔尖人才、中国科学院青年创新促进会等资助。
图1
REPURE范式图示：污水有机物在碳源捕获系统（CRS）中得到富集后进入碳基转化系统（CCS）制备以乙酸为主的短链脂肪酸；转化后的碳源一部分进入污水处理系统（PTS）供以生物脱氮除磷。PTS系统制备的再生水用于土地浇灌，而PTS和CCS系统产生的生物污泥则进入资源回收系统（HRS）进行资源转化。大部分有机质在此转化为甲烷（CH4），其余则供以合成聚合物（PHA）。污水氮元素大部分在PTS系统中转化为氧化亚氮（N2O）并与CH4进行共燃烧产能，磷元素则以鸟粪石（Struvite）形式进行缓释肥制备。剩余污泥经焚烧发电后进行营养元素的土地利用。土壤生态系统将协同转化生物分解代谢产物二氧化碳，并促进营养元素的末端利用。
图2 基于概率模拟的多层数据流图示：（A）水质特征与系统效能，（B）物质迁移规律，（C）能量分布模式（能量收支）和（D）生命周期环境影响数据。
论文信息：
1.Xu Wang*, Glen Daigger, Duu-Jong Lee, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Jiuhui Qu, Gang Liu, David Butler (2018). Evolving wastewater infrastructure paradigm to enhance harmony with nature. Science Advances, 4: eaaq0210.
2.Xu Wang*, Perry McCarty, Junxin Liu, Nan-Qi Ren, Duu-Jong Lee, Han-Qing Yu, Yi Qian, Jiuhui Qu (2015). Probabilistic evaluation of integrating resource recovery into wastewater treatment to improve environmental sustainability. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 112(5): 1630-1635.
论文链接1 (http://advances.sciencemag.org/content/4/8/eaaq0210)
论文链接2 (http://www.pnas.org/content/early/2015/01/14/1410715112)
水污染控制研究组
2018年8月2日
2018-08-01
