科研进展----中国科学院生态环境研究中心

农村环境研究站无人机大气立体监测系统建设完成

　　近年来，随着我国大气污染问题日益凸显，大气污染科学监控迫切需要全方位精细化监测，其中立体化监测地位越发重要。针对我国大气污染的高复合性特点，中国科学院生态环境研究中心痕量气体大气化学研究组联合南京信息工程大学、首控制造技术有限公司、先河环保科技股份有限公司以及斤技科技（北京）有限公司等高校和企业，攻克低功耗大流量颗粒物采样技术以及多通道真空气体采样技术等关键技术，结合无人机技术、无线遥控技术、机载遥感技术、传感器监测技术等相关技术，成功研制了一套无人机大气立体监测系统。该立体监测系统不仅具有常规无人机监测设备所具有的传感器监测能力（包括常规气象参数和常规大气污染物），还可实现大气颗粒态、气态以及液态等样品的立体化定点采样，同时还可实时监测大气光化学辐射通量和对地遥感监测，为大气污染全方位立体化诊断提供重要的技术支持。
　　该无人机大气立体监测系统，于12月中旬在河北望都县中国科学院生态环境研究中心农村环境研究站开展了系统实验。在静风重污染天气条件以及大风晴朗天气条件下，分别开展昼夜系统实验。机载监测仪器和采样设备的各项工作指标均达到设定要求，成功绘制大气污染物浓度与温湿度垂直廓线，圆满完成大气颗粒物样品的梯度采集。该立体监测系统的建设完成将为农村大气面源污染的深入研究提供重要工具，也为区域大气氧化性、大气光化学过程及二次颗粒物形成等深入研究提供重要的基础数据。
　　大气环境科学实验室
　　2017年12月18日

2017-12-18

陈利顶研究组在中国梯田减水减沙效应评价方面取得重要进展

　　梯田是山地和丘陵区广泛分布的一种古老的农业生态系统，它的出现与地理环境、社会经济和农业技术密切相关，这种耕作方式尤其适应了中国山地多、平原少、人口众多且分布不均的特点，在中国农耕史上具有重要意义。
　　为了系统评估中国梯田水土保持效应的普适性规律，为梯田的合理规划和科学管理提供指导依据，中科院生态环境中心陈利顶研究组收集了全国已发表的梯田与对应坡地的593组径流和636组泥沙观测数据。以标准化均数差为效应值，基于随机效应模型和加权meta分析等定量方法，发现：（1）全国梯田的平均减流和减沙效应分别为48.9% 和53%，且不同地区之间差异不显著；（2）土地利用方式显著影响梯田的减流减沙能力，农业梯田适宜修建于平缓坡地上，陡坡梯田上则应以森林和经济林为主，裸地梯田在不同坡度上始终表现出最低的水土保持能力；（3）5°以下的缓坡地上，梯田修建以水平梯田和坡式梯田为主；25°以上的陡坡地则应以水平沟和鱼鳞坑为主，中等坡度的坡地则应根据各地的自然和社会经济条件修建适宜于当地的台阶式梯田。此外，梯田的修建结构除与坡度有关外，还应综合考虑当地的土壤类型，植被特征，气候条件和修建技术；（4）26°~35°时兴修梯田后的水土保持效应值最高，其次是11°~15°，这种现象可能与重力侵蚀程度和梯田利用方式有关。研究结果对于优化坡改梯工程措施、进而实现旱区水土流失防控和荒漠化综合治理有重要参考价值。
　　该项研究近期发表于地学领域的著名刊物Earth-Science Reviews上（IF=7.051）。本研究得到国家自然科学基金项目、重点研发计划课题和中科院青促会项目的共同资助。论文的第一作者为博士生陈蝶，通讯作者为卫伟副研究员。

用于meta分析的文献数据筛选流程和核心案例区分布图
　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2017.08.007
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年11月29日

2017-11-29

欧阳志云研究组在大熊猫栖息地研究方面取得重要进展

　　大熊猫是我国国宝，也是世界生物多样性保护的旗舰物种。2016年国际自然保护联盟（IUCN）将大熊猫的受威胁等级由濒危下调为易危后，如何继续加强大熊猫保护，得到全社会的广泛关注。中国科学院生态环境研究中心欧阳志云研究员及团队长期从事大熊猫栖息地研究，在本研究中通过卫星遥感影像数据和地面调查向结合的方式，分析了1976年、1988年、2001年和2013年近40年全国大熊猫栖息地的演变特征，从栖息地的角度分析大熊猫保护取得的成效和所面临的问题，探讨了大熊猫受威胁等级调整后如何继续加强大熊猫保护的措施与建议。研究成果发表在2017年9月25日出版的《自然—生态与进化》上。徐卫华副研究员为论文第一作者。
　　研究发现，从2001年以来，随着自然保护区建设、我国天然林保护工程、退耕还林工程和重点生态功能区建设等生态保护与恢复工程的实施，大熊猫栖息地得到明显恢复，与2001年比较，大熊猫栖息地面积增加，质量在提高。但从过去近40年的时间尺度来看，由于历史上长时间的森林采伐，近年来公路交通等基础设施建设的快速发展，以及地震、泥石流等自然灾害的影响，目前大熊猫栖息地的面积比1976年及1988年的面积要小，并且更加破碎。由于公路建设等人类活动的影响，2013年被隔离的大熊猫栖息地单元数是1976年的3倍，意味着大熊猫种群间的交流阻碍有较大的增加。
　　目前我国已建立大熊猫自然保护区67个，大熊猫种群及栖息地在自然保护区内的比例较高，但总体而言仍然面临较大威胁。目前野外大熊猫被隔离为30多个种群，其中18个种群的个体数低于10只。由于旅游开发和基础设施建设不断加强，再加上气候变化等因素的可能影响，部分被隔离的大熊猫小种群局部灭绝风险很大。为了确保野生大熊猫的长期生存，仍需继续加强自然保护区网络建设和廊道建设，增强栖息地的连通性。另外，要从整个生态系统完整性的角度进行综合考虑，将大熊猫种群保护与生态系统水源涵养等服务功能保护相结合，并与现行开展的生态保护红线、国家公园体系建设充分衔接，提高大熊猫分布地区生态保护的综合效益。
　　本研究发现，国际自然保护联盟（IUCN）以种群为主要依据确定野生动植物受威胁状态的方法需要重新审视。由于栖息地是野生动物长期生存的基础，其受威胁等级的调整应该兼顾种群和栖息地的状况与变化。
　　该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持。
　　文章链接
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年9月26日

2017-09-26

曲广波等在二维黑磷生物相容性调控方面取得新突破

　　近日，中科院生态环境研究中心曲广波和中科院深圳先进技术研究院喻学锋团队合作在二维黑磷领域取得新突破，发现通过化学修饰的方法极大地降低了黑磷诱发的炎性反应，相关工作以Chemical modification improves biocompatibility of black phosphorus nanosheets为题在线发表于Angew.Chemi.Int.Edi.,(DOI:10.1002/ange.201706228)。
　　作为一种新型二维材料，黑磷近年来在光电器件、催化和生物医学等领域的巨大应用潜力引起了广泛关注，其应用所带来的潜在环境健康效应未知。如何提高黑磷的稳定性和生物相容性也成为将黑磷推向实际应用的关键。
　　为评估黑磷潜在的健康效应，研究团队通过哺乳动物巨噬细胞模型和小鼠动物模型对黑磷纳米片的潜在生物效应进行了研究，系统的评价了未经修饰的黑磷纳米片（Bare BPs）的体内毒性。结果表明，Bare BPs诱发骨髓嗜中性粒细胞迅速迁移至至外周循环系统，并伴随着一系列炎性因子的升高。脾脏和肺脏作为作为外源病原体和颗粒物等累积的重要器官，也表现出显著的炎性细胞浸润。在此基础上，研究团队在本项目工作中发展了一种利用钛配体修饰缓解Bare BPs所产生的一系列炎性行为。采用钛的苯磺酸酯配体作为修饰分子，利用钛原子的空轨道和苯磺酸酯的强吸电子效应，与黑磷纳米片的孤对电子对进行配位，对黑磷进行表面修饰。这种修饰后的黑磷（TiL4@BPs）未表现出述Bare BPs所诱发的一系列效应，在提高了黑磷稳定性的同时，显著的降低了黑磷的毒性。
　　本项目得到了基金委优青项目和中科院前沿科学研究重点计划等资助。
　　原文链接　　

表面修饰前后黑磷的炎性反应示意图
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年9月13日

2017-09-13

傅伯杰研究组应邀在《地球与行星科学年度评论》发表综述文章

　　由于傅伯杰研究组长期在黄土高原土地覆盖与地表过程方面高水平和系统性的研究工作，国际著名期刊Annual Review of Earth and Planetary Sciences（地球与行星科学年度评论）邀请他们撰写的综述文章“Hydrogeomorphic-Ecosystem Responses to Natural and Anthropogenic Changes in the Loess Plateau of China”于日前发表。
　　黄土高原是世界上黄土沉积最厚和分布最广的区域，也是水土流失最严重的地区之一。近年来由于退耕还林还草等生态恢复和水土保持措施的实施，区域生态系统结构和功能发生显著变化，在控制土壤侵蚀和减少黄河泥沙等方面取得突出进展，但同时也带来了径流减少和人工植被退化等新的生态环境问题。文章系统介绍了黄土物质特性和第四纪沉积特征、区域地貌结构、气候、土壤和植被特征。全面分析了近年来区域气候变化趋势与人类活动影响，包括土地利用/覆被变化以及坝库和梯田等工程措施。综合评述了土地覆被变化、水土保持工程和气候变化对水沙动态、土壤保持和生态系统的影响及生态水文效应，指出了区域生态系统可持续性的途径。
　　该研究得到了国家自然科学基金重大项目和中国科学院国际合作项目的共同资助。
　　原文链接

黄土高原气候特征、土壤侵蚀和水沙变化过程
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年9月11日

2017-09-11

费凡研究组等在体细胞重编程分子机制研究取得突破

　　近日，中国科学院生态环境研究中心与美国西奈山伊坎医学院的科学家们开展合作研究，在体细胞重编程的分子机制研究方面取得突破，发现转录因子Nac1参与调控体细胞重编程。这项研究发表在Stem Cell Reports上。
　　多能性干细胞能够转化为体内的任何一种类型的细胞，典型的多能性干细胞包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。胚胎干细胞分离自哺乳动物胚胎早期的内细胞团，诱导多能干细胞是通过细胞核重编程，将已终末分化的、仅具有单一潜能的体细胞转变为可多向分化的、具有多能分化特性的细胞。诱导多能干细胞与胚胎干细胞具有类似的特性，可分化为三胚层，亦可产生原始生殖细胞（PGCs）。因此，诱导多能干细胞具有替代胚胎干细胞的能力，不仅可避免医学上使用胚胎干细胞存在的伦理问题，还可为细胞治疗、自体医疗、药物筛选以及毒理学研究提供有利帮助。
　　Nac1表达的蛋白最初发现于大鼠脑的伏核中，多种癌症细胞中也存在高表达。在胚胎干细胞中，Nac1与多种干细胞因子具有相互作用，特别是和多能性相关的Nanog，以及和已被诺贝尔奖得主Yamanaka证实的重编程因子Oct4、Sox2均具有相互作用，但这些因子间的相互作用过程及机制尚未阐明。
　　中国科学院生态环境研究中心Faiola研究员与美国科学家合作，证实转录因子Nac1通过调节粘附因子E-cadherin的表达，进而影响体细胞重编程过程。Nac1下调E-cadherin的阻抑基因Zeb1，直接作用于基因位点抑制转录，并间接通过影响miR200家族从而调控Zeb1的mRNA水平。
　　论文链接
　　

Nac1调节Zeb1和E-cadherin介导的重编程。（A）：Nac1表达情况下体细胞重编程示意图；（B）：Nac1缺失情况下体细胞重编程示意图。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2017年8月4日

2017-08-05

战爱斌研究组在水体污染驱动浮游群落空间分布格局形成机制研究方面取得重要进展

　　日益频繁的人类活动带来大量污染物排放，导致河流水生生物多样性锐减，河流生态系统功能严重受损。因此，开展水质污染对河流生态系统影响的过程及机理研究，认识人类干扰胁迫下河流生态系统的演化过程、演化方向及其生态学机制，是目前水生态和水环境等多个研究领域的热点问题，也是污染河流生态修复必须回答的关键科学问题。其中，明确解析污染物影响河流生物群落空间格局形成的过程及机理是回答上述众多关键科学问题的基础，尤其针对水生态系统功能维系具有关键作用的浮游生物群落。
　　基于生态位理论的环境选择作用和基于中性理论的扩散作用是决定河流浮游生物群落多样性空间分布的两个重要作用因子，但二者在污染河流中对浮游生物群落空间分布格局影响的生态学机制尚不明晰。鉴于此，战爱斌研究组分别在流域和单条河流两个不同地理尺度上，深入研究了污染河流中浮游动物群落的空间分布格局及其驱动机制。
　　在流域尺度和单条河流尺度分别以海河流域和潮白河为研究对象，对河流代表性样点的浮游动物群落及水质参数进行系统分析。两个地理尺度的研究均表明与水体污染相关的环境因子是影响群落空间分布格局形成的关键因子。研究在流域尺度上证实了“环境选择作用”假说，但在单条河流尺度上否定了“扩散作用”假说，修正了前人关于“小尺度上扩散作用是影响群落空间格局形成的主要作用力”的结论，提出“在污染河流中，水体污染形成的环境梯度是决定浮游生物群落空间格局形成的主要驱动力（即小尺度环境选择作用假说）”。
　　以上研究得到了国家基金委项目和中国科学院生态环境研究中心“一三五”项目的资助。
　　论文一链接（流域尺度上的相关结果）
　　论文二链接（单条河流尺度上的相关结果）

在流域尺度上，影响浮游动物群落的关键驱动因子识别（I）；环境选择作用与扩散作用相对重要性分析（II）

在单条河流地理尺度上，在河流不同区段显著不同的环境条件（I）及浮游动物组成（II）；导致浮游动物群落空间分布格局的关键驱动因子识别（III）；环境选择作用与扩散作用相对重要性分析（IV）
　　中国科学院环境生物技术重点实验室
　　2017年7月11日

2017-07-11

吕永龙主编的《中国环境百科全书- 环境管理学》正式出版

　　2011年，《中国环境百科全书 –环境管理学》被国家环境保护部政策法规司、中国环境科学出版集团列入重点出版计划，邀请发展中国家科学院（TWAS）院士、中国科学院生态环境研究中心吕永龙研究员担任主编。经过近6年的编纂工作，几易其稿，由吕永龙主编、中科院生态环境研究中心副研究员贺桂珍博士担任副主编的《中国环境百科全书 –环境管理学》正式出版（中国环境科学出版社，2017）。来自中国科学院生态环境研究中心、中国科学院大学、中国人民大学、中国石油大学、南开大学、山西大学、浙江工商大学、中国科学院地理科学与资源研究所、国家环保部华南环境科学研究所、国家环保部环境规划院、国家环保部环境工程评估中心等单位的一批活跃在环境科学、生态学和环境管理学领域的中青年学者参与了编撰工作。
　　《中国环境百科全书-环境管理学》拟全面反映当今环境管理学的前沿和公众关注的热点问题，充分利用管理科学、环境经济学、政策科学等社会科学的理论范式和分析方法，广泛吸收自然地理、环境科学、系统科学、信息科学、计算模拟等自然科学理论和野外观察实验方法，将科学与政策有机结合，提供科学的环境调控与管理工具，提供有针对性的环境问题的系统解决方案。它不仅可作为环境管理部门的重要参考书，也可作为环境工程师、资源规划师、景观建筑师、生态学家、环境经济学工作者的工具书，更希望将环境管理学知识普及到广大公众。
　　至此，吕永龙研究员率领的研究团队经过20多年的探索性工作，在推进我国环境生态管理学的学科发展方面，取得了系统性的成果。1996年，在联合国教科文组织（UNESCO）、欧洲环境控制研究中心等支持下，将欧盟环境科学与工程专业《环境管理》三卷本研究生教材：《环境管理：生态系统方法》、《环境管理：部门分析方法》、《环境管理：可持续发展手段》（中国环境科学出版社出版）翻译引入我国，填补了当时国内缺乏相关专业研究生教材的空白。2009年，根据环境科学、生态学、管理科学等领域的国际发展动态，将环境系统分析方法、生态系统管理和环境技术创新理论相融合，主编了公共管理专业研究生教材《现代环境管理学》（中国人民大学出版社），已被中国科学院大学、中国人民大学等著名高校相关专业研究生广泛使用。
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2017年7月9日

2017-07-09

杜宇国研究组与刘思金研究组在转化毒理研究方面取得进展

　　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杜宇国研究组与刘思金研究组在转化毒理方面取得新进展，相关研究成果近日发表于Advanced Science (An important function of Petrosiol E in inducing the differentiation of neuronal progenitors and in protecting them against oxidative stress, DOI: 10.1002/advs.201700089)。
　　重金属等多种污染物诱发神经损伤，可进一步导致神经退行性疾病。对于神经退行性疾病的治疗，目前缺乏有效低毒的药物，面临巨大挑战。杜宇国研究组实现了人工全合成新型化合物Petrosiol E；在此基础上，刘思金研究组进一步发现，Petrosiol E能有效促进神经元前体细胞向神经元细胞分化，并促进胚胎干细胞向神经外胚层分化；Petrosiol E能够有效抵抗砷等污染物诱发的神经元前体细胞损伤，在砷暴露下仍表现出促神经元分化的效应；机制研究揭示Petrosiol E主要通过Erk和Akt信号通路促进了Nrf2驱动的促神经元分化与抗氧化应激效应。该研究工作在寻找对抗污染物诱发的神经毒性的治疗药物方面有转化价值。
　　该研究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

Petrosiol E诱导神经元前体细胞分化和对抗氧化应激损伤的作用机制示意图。
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
　　2017年7月6日

2017-07-06

陈卫平研究组在农作物镉污染研究方面取得新进展

　　农作物镉（Cd）污染是当前国内外关注的主要问题之一，定量化各环境因子对农作物Cd累积的影响程度对区域Cd污染风险调控至关重要。目前实验室规模的影响因子解析和调控手段难以指导实际应用。
　　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卫平研究组从“土壤-土壤溶液-作物吸收”概念出发，通过对湖南攸县蔬菜和水稻Cd富集水平的长期观测，揭示了Cd固液分配系数（Kd）和农作物Cd富集因子（PUF）变化特征及其主要影响因子，并结合大田实验和模型模拟进行验证和风险评估。研究发现改善土壤酸化和恢复土壤微量元素平衡可显著降低区域农作物Cd超标概率。该研究为我国农作物Cd污染现状改善和风险管理提供了科学方法和理论依据。
　　该研究得到了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项目的支持。研究结果发表在美国化学学会ACS旗下重要期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry.
原文链接。

2017-06-30