科研进展----中国科学院生态环境研究中心

陈保冬研究组在丛枝菌根缓解植物铬毒害机理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缓解植物铬毒害机理研究方面取得重要进展，相关研究结果在Environmental Science & Technology，Environmental Toxicology and Chemistry, Environmental and Experimental Botany，Journal of Hazardous Materials等国际环境科学期刊上发表。
　　丛枝菌根（arbuscular mycorrhiza, AM）真菌能与绝大多数的陆地高等植物形成共生体系，帮助植物适应养分贫瘠、干旱、重金属污染等各种逆境胁迫。然而，对于AM真菌在植物耐受铬污染胁迫中的作用却鲜有报道，相关机制研究更是匮乏。
　　陈保冬研究组开展了一系列试验对AM真菌在宿主植物适应铬污染中的作用及其机制进行了系统研究。发现菌根共生体系能强化根系对铬的固持作用，减少铬向地上部的分配从而降低铬对植物的毒害。对比不同磷添加水平和接种AM真菌对植物耐铬生长的影响，发现单独添加磷并不能达到菌根对植物所产生的积极效应，丛枝菌根在促进磷吸收的同时增强了根系对铬的固持能力，而根外菌丝在菌根固持铬中起着关键作用。利用AM真菌双重无菌培养体系，结合电镜（TEM-EDS）及质谱（ICP-MS）分析技术研究发现丛枝菌根根外菌丝能够通过主动运输方式吸收铬并转运至菌根根系，但同时将绝大多数铬固持在根外菌丝中。进一步利用光谱表征技术（XAFS）对铬的形态进行了分析，发现AM真菌能够将Cr(VI)还原成Cr(III)，并以磷酸铬类似物的形式固持在菌丝表面，而吸收进去的铬很可能以组氨酸结合态在菌丝中转运。通过SEM-EDS及光谱分析技术（STXM和XAFS）研究发现这些磷酸铬类似物为主的铬化合物主要分布于菌丝表面的类似于胞外聚合物（EPS）的颗粒物中，而在菌根内部铬主要与羧基或组氨酸结合态类似物相结合，并分布于真菌结构（丛枝、根内菌丝等）及植物细胞壁等部位。AM共生结构对Cr的转化与固持作用有效减少了铬向植物细胞的转运，减轻了铬对植物的毒害。
　　这些研究结果揭示了铬污染环境中菌根共生体系对植物的保护效应及其关键机制，同时也阐明了铬在菌根介导的植物-土壤系统中的生物地球化学过程，为应用菌根技术进行污染土壤生态修复提供了理论依据。
　　该系列研究得到了国家自然科学基金及国家科技支撑计划项目的支持。
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2016年5月8日

2016-05-08

周伟奇研究组在城市化与PM2.5污染相关关系方面取得重要进展

　　我国快速的城市化过程在改善人民物质生活水平的同时，也对生态环境造成了严重影响，尤其是以PM2.5为首要污染物的空气污染问题，然而探讨城市化过程与PM2.5污染的相关关系尚无法有效获得长时间序列的PM2.5浓度数据。
　　中国科学院生态环境研究中心城市生态格局与模拟研究组，在稳定气象条件下，捕捉得到的气象能见度与PM2.5浓度之间的显著相关关系，并基于该关系获取了北京市1973年到2013年40多年的PM2.5浓度数据，并探讨了其与城市化指标之间的相关关系。结果发现：稳定气象条件下，北京的PM2.5浓度从1973-2013年呈显著增加趋势，而风速则相对稳定，表明人类活动增强是PM2.5污染加剧的主要因素；同时，进一步发现城市化指标例如人口和机动车数量都和PM2.5浓度显著正相关，并发现PM2.5浓度在2004年以后随着能源消耗和机动车数量的迅速增加而显著上升并快于2004年以前，表明城市化进程对PM2.5污染影响显著。研究呼吁，为实现中国可持续的城市化目标，需要更好的城市化策略以控制空气污染等环境问题。
　　该研究得到了国家自然科学基金等项目的资助，由韩立建博士、周伟奇博士和李伟峰博士完成。研究成果于3月31日发表于Nature出版集团的Scientific Reports。
　　文章链接：http://www.nature.com/articles/srep23604
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2016年4月8日

2016-04-10

刘思金研究组在环境污染物及碳纳米材料的毒性研究方面取得进展

　　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刘思金研究组在非编码RNA—miR-214拮抗砷诱导的细胞凋亡机制研究方面取得重要进展，相关研究成果近日发表于著名自由基研究期刊Free Radical Biology & Medicine (Free Radic Biol Med, 2016, 92:39-49)；同时，在氧化石墨烯（GO）的毒性与生物安全性控制方面取得进展，相关研究成果近日在线发表于美国化学会杂志ACS Nano（ACS Nano, 2016,DOI: 10.1021/acsnano.6b00539）。
　　砷化物是一种对人类健康具有严重危害的环境污染物，但其毒理学效应，特别是红系细胞的毒性机制仍不清楚。该研究团队发现，在红系细胞的氧化应激下（特别是砷化物的刺激下），miR-214的表达水平明显下调。过表达和敲低实验的结果显示miR-214的下调拮抗了砷化物诱导的细胞死亡效应。进一步的分子机制研究发现，砷化物诱发的氧化应激反应导致细胞应激蛋白Nrf2含量显著上升，其入核后结合在miR-214启动子上的水平也显著增加，最终抑制miR-214的转录表达。同时研究发现，细胞应激蛋白ATF4和组蛋白修饰关键分子EZH2是miR-214的直接下游靶基因，砷刺激下miR-214的表达下调促使ATF4和EZH2的蛋白含量升高，并进一步拮抗砷诱导的细胞死亡。本研究对于揭示砷的红系细胞毒性以及miR-214在环境健康研究中的科学价值也具有重要的意义。
　　该研究组也发现GO的表面理化性质显著地影响其生物效应和毒性。在生物介质中，原始态GO的表面会吸附大量的蛋白分子，其中一些具有重要生物功能的蛋白（如免疫球蛋白）介导了GO纳米颗粒与巨噬细胞膜的结合，导致原始态GO纳米颗粒容易被巨噬细胞识别、黏附和吞噬。在分子层面上，证实GO会影响细胞膜结构与功能相关蛋白的水平，最终导致细胞膜结构和功能（如细胞膜通透性、流动性、膜电势和离子通道等）的异常，这也是GO产生细胞毒性的机制之一。同时，通过控制GO的表面理化性质，制备了四种不同表面性质的GO（GO-NH2、GO-PEG、GO-PAM、GO-PAA），并深入研究了这些GO衍生物的体外和体内毒性效应。研究结果证明PEG-和PAA-修饰能在很大程度上降低GO与细胞膜的作用及损伤，并缓解GO引起的体内毒性。这项研究工作对于揭示氧化石墨烯的毒性及环境健康风险具有重要的科学价值。
　　这些研究工作得到了国家973项目、中科院先导专项B和基金委自然科学基金项目的支持。
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氧化石墨烯的生物作用机制及其生物安全性的人工调控
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2016年2月17日

2016-02-17

马梅研究组“智能化超级自动水站”技术通过成果鉴定

　　中科院生态环境研究中心马梅研究组牵头的技术团队在中国科学院项目、863课题和水专项支持下，历时6年研发“基于生物毒性预警触发的智能化超级自动水站”关键技术，建立以生物毒性监测为触发层，集成各类理化参数，通过耦合基于生物毒性的污染物风险预警模型数据库和智能化解析判断软件对多参数信号进行智能解析判断和连续实时大数据挖掘；系统实现“常规指标超标”和“综合生物毒性”的报警，判断水质污染程度、污染类型，自动分析产生毒性的可能原因，实现对不同等级不同类型事件的有效区分和应对，对目标水体进行水质综合判断和预警；单元模块相互兼容，镶嵌多功能数据处理、数据传输模块、决策支持系统和应急案例数据库，通过智能化可实现针对不同水质安全预警需求。技术团队自2014年起在石家庄的滹沱河、棉冶河跨界水源地和黄壁庄水库取水口建设了三座基于生物毒性预警触发的智能化超级自动水站和水环境安全预警监测云数据中心，并投入日常业务化监测预警运用，为石家庄市水源地水质安全保障提供了坚实的技术支撑和平台。
　　“智能化超级自动水站”关键技术于2015年12月19日通过了由河北省成果转化服务中心组织、河北省环境保护厅主持的技术成果鉴定。鉴定委员会认为，该技术取得了若干关键技术突破，实现了技术集成创新，率先在国内实现了水源地生物监测综合预警工程应用，研究成果为我国水源地水质安全保障提供了坚实的技术支撑，为我国水质监测台站规划建设提供技术示范和运用指导，为全国开展生物监测预警提供了良好示范。认为该研究成果达到国际先进水平，具有较高的应用价值。
　　技术团队来自中科院生态环境中心、中科院自动化研究所、中科院上海微系统所、清华大学、北京航空航天大学、军事医学科学研究院、无锡水质环境技术有限公司、中科院物联网研究发展中心等十余家研究院所、高校和企业，是产学研用结合、跨学科、跨领域的合作团队。
　　环境水质学国家重点实验室
　　2016年1月26日

2016-01-29

朱永官研究组在土壤-植物系统砷污染控制方面取得重要进展

　　砷是环境中无处不在的污染物，威胁着世界各地的数以千万计人的身体健康。人体主要通过饮用含砷的水和食用砷污染的食物来摄入砷。对于东南亚以大米为主食的人群，大米食用是人体摄入砷的最主要途径。如何阻控砷进入水稻籽粒是一个控制砷环境健康风险的重点和难点之一。
　　到目前为止，植物根系是如何吸收砷，以及砷在茎叶中的转运和转化机制已经有较多的研究，但是对于砷是如何进入植物种子、并在种子中积累的相关机制却仍不清楚。已有的研究表明韧皮部是植物籽粒中砷积累的主要途径。但由于韧皮部装载机制比较复杂，研究比较困难，目前国内外没有相关研究的报道。中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员领导的团队与德国和美国合作，以模式植物拟南芥为研究对象，证明肌醇通道是植物韧皮部砷装载的主要通道。拟南芥有3个肌醇通道基因，其中AtINT2和AtINT4主要在韧皮部的伴胞细胞膜上表达。当他们将这两个基因分别表达在酵母和蛙卵中，均能显著增加酵母和蛙卵中砷的积累，并显著降低酵母菌对砷的耐性。AtINT2或AtINT4突变能使植物韧皮部和荚果中的砷浓度显著降低，特别是种子中的砷浓度能减少约一半，但对木质部中砷浓度没有显著影响。这些结果清楚地表明肌醇通道能装载砷到韧皮部，是调控拟南芥籽粒中砷积累的关键因子。
　　该研究填补了植物韧皮部中砷转运机制研究的空白。目前，植物籽粒中砷积累过程得到了比较完整的表征：木质部将砷转运的植物维管束组织，肌醇通道将维管束组织中的砷转运到韧皮部，并进一步通过韧皮部的筛管系统转运到种子。如果水稻肌醇通道同样是水稻韧皮部中砷的装载门户，那么肌醇通道可作为培育低砷积累水稻新品种的分子标记，这对于降低大米砷积累、控制全球性大米砷污染而造成的健康风险是一个很大的进步。
　　该研究成果已经发表在Nature Plants上。该研究得到国家自然科学基金项目的支持。
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　　土壤环境科学实验室
2015年12月22日

2015-12-22

祝贵兵研究组在水生态系统厌氧氨氧化氮循环方面取得进展

　　目前人类活动对氮循环的干扰，已远大于其他元素，极大地加速了地球生态环境的变化，引发严重的氮循环失衡、氮污染加剧、温室气体排放增多等不良效应。据估算，全球只有约40-60%的氮是通过反硝化生成氮气回到大气中。在全球变暖、污染加剧的双重胁迫下，是否存在新型的氮循环过程，值得我们探究。厌氧氨氧化反应的发现就是一个明例。厌氧氨氧化是在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮直接氧化为氮气，避免了强效温室气体氧化亚氮的产生，并完成封闭的产氮气循环。
　　中科院生态环境中心祝贵兵研究组在前期发现白洋淀苇地-沟壕系统的水陆交错带存在厌氧氨氧化反应热区之后，提出猜想：两相物质的交界面，特别是缺氧-好氧界面，很可能发生着广泛的厌氧氨氧化反应。
　　首先，祝贵兵研究组与朱永官研究员合作，在微米、厘米的尺度上证明缺氧-好氧界面发生着广泛的厌氧氨氧化反应。采集典型水稻根际和非根际土壤，应用CARD-FISH、qPCR和同位素示踪的方法，证明水稻根际土壤发生显著的厌氧氨氧化反应，产生的氮气量占总生成量的30-40%，而非根际土壤产生的氮气量仅占总氮气生成量的2-3%，证明了在微米、厘米尺度的水稻根际土壤中，发生显著的厌氧氨氧化反应。论文发表于The ISME Journal。
　　在上述小尺度验证之后，祝贵兵研究组扩大研究地点，在全国范围进行大尺度验证，同时也估算厌氧氨氧化反应对我国水生态系统氮循环的贡献。
　　通过对10种来自40个不同地区256个样品进行大规模取样研究发现证实，厌氧氨氧化反应在陆地水生态系统是无处不在的，甚至在一些极端环境下，例如高温（大于75℃）、低温（低于-25℃）、高pH值（大于9）、低pH值（小于4）、富营养化和寡营养盐的不同水体，都发生着厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化反应主要发生在表层沉积物50cm以上区域，并对氮循环起重要作用。相比于河流系统，湖泊发生着更加显著的厌氧氨氧化反应，反应速率是河流中厌氧氨氧化反应速率的数量级倍数，其中湖泊岸边带是整个水生态系统厌氧氨氧化反应的热区。厌氧氨氧化反应在稻田系统的广泛发生，补充了土壤生态系统氮循环理论体系，为我国稻田系统氧化亚氮（N2O）释放量的精确计算提供科学借鉴。在沼泽湿地中厌氧氨氧化反应的广泛发生，将我们对厌氧氨氧化反应发生条件的认识，从传统的高氮低碳环境，拓展到高碳低氮环境，并结合各种湿地和水生态系统的面积，推算由厌氧氨氧化反应产生的氮流失量（2.0TgNyr-1）占总量的11.4%，论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。
　　同时，祝贵兵研究组对与厌氧氨氧化菌共生的功能微生物如氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea, AOA）和反硝化厌氧甲烷氧化菌（nitrite-dependent anaerobic methane oxidization, N-DAMO）也进行了相关研究，论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。
　　以上结果对我国氧化亚氮的通量计算、全球气候变化模型和氮循环通量产生重要影响。以往对氧化亚氮通量的计算，都是基于模型和化肥施加量以及部分样点的实测值，均没有考虑厌氧氨氧化的功效。因此，国家尺度上的氧化亚氮释放通量很可能要小于目前的估算值。　
　　相关论文：
　　1. San’an Nie, Hu Li, Xiaoru Yang, ZhaoJi Zhang, Fuyi Huang, Guibing Zhu*, Yong-Guan Zhu* Nitrogen loss by anaerobic oxidation ammonium in rice rhizosphere. The ISME Journal. 2015. 9, 2059–2067
　　2. Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Leiliu Zhou, Yu Wang, Siyan Zhao, Chao Xia, Weidong Wang, Rong Zhou, Chaoxu Wang, Mike S. M. Jetten, Mariet M. Hefting, Chengqing Yin, Jiuhui Qu. Ubiquitous anaerobic ammonium oxidation in inland waters of China: an overlooked nitrous oxide mitigation process. Scientific Reports. 11/2015; 5:17306. DOI:10.1038/srep17306
　　3. Leiliu Zhou, Shanyun Wang, Yuxuan Zou, Chao Xia, Guibing Zhu*. Species, Abundance and Function of Ammonia-oxidizing Archaea in Inland Waters across China. Scientific Reports.?11/2015; 5:15969. DOI:10.1038/srep15969 ·
　　4. Guibing Zhu*, Leiliu Zhou, Yu Wang, Shanyun Wang, Jianhua Guo, Xi-En Long, Xingbin Sun, Bo Jiang, Qiaoyun Hou, Mike S M Jetten, Chengqing Yin. Biogeographical distribution of denitrifying anaerobic methane oxidizing bacteria in Chinese wetland ecosystems. Environmental Microbiology Reports. 2014. DOI: 10.1111/1758-2229.12214.
　　5. Guibing Zhu* ·?Chao Xia?·?Shanyun Wang?·?Leiliu Zhou?·?Lu Liu?·Siyan Zhao?·Occurrence, activity and contribution of anammox in some freshwater extreme environments. Environmental Microbiology Reports. 2015. 7(6), 961–969
　　环境水质学国家重点实验室
　　2015年12月1日

2015-12-01

傅伯杰研究组揭示了黄河泥沙减少的归因

　　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生态水文研究方面取得重要进展，揭示了黄河泥沙减少的归因。这一研究成果近期在线发表在国际著名刊物Nature Geoscience。
　　九曲黄河万里沙，黄河曾经是世界上输沙量最大的河流，其中90%以上的泥沙来源于中游的黄土高原。近年来黄河输沙量剧烈减少，黄河潼关站上世纪70年代每年的输沙量近16亿吨，目前剧减为3亿吨左右，这既受径流和含沙量的共同影响，更是人类活动和气候变化综合作用的结果。研究组发展了泥沙归因诊断分析方法，率定各因素的贡献及其作用。利用黄土高原过去60年的降水、径流和泥沙观测数据，研究发现58%的输沙量减少是由产流能力降低引起的，其次是由产沙能力（30%）和降水（12%）的贡献。坝库、梯田等工程措施是1970年代至1990年代黄土高原产沙减少的主要原因，占54%。 2000年以来，随着退耕还林还草工程的实施，植被措施成为了土壤保持的主要贡献者，占57%。因此，坡面和沟道的生物和工程等多种措施共同作用把黄河输沙量控制到了人类活动影响之前的程度。但随着坝库等工程措施拦沙能力的逐渐下降，在黄土高原维持一个可持续的植被生态系统对有效保持土壤和控制黄河输沙量反弹具有更加重要的作用。同时，剧烈的水沙减少对黄河三角洲也产生了显著影响，黄河水沙管理需要从黄土高原小流域综合治理转向全流域整体协调。这一研究成果对黄河流域治理策略的制定具有重要意义。
　　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。论文链接：
　　http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2602.html

黄河流域主要台站含沙量变化图
　　城市与区域生态国家重点实验室
　　2015年12月1日

2015-12-01

邓晔研究组等在二氧化碳升高对土壤微生物的影响研究上取得进展

　　中国科学院生态环境研究中心中科院环境生物技术重点实验室邓晔研究组与美国俄克拉荷马大学环境基因组研究所等多家单位合作，在全球变化过程中CO2升高对大尺度范围土壤微生物地理学分布特征的影响做出了初步的评估，其研究结果近期发表在生态学权威杂志Global Change Biology上（全文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.13098/full）。
　　大量的研究都表明，空气中CO2的升高对土壤中微生物群落的组成、功能、互作网络等都产生了一系列的影响，但由于实验站点和生境的不同，得到的结果也相差很大。并且这些发现都局限在某一个CO2升高的实验站点，对于大范围跨区域的影响缺乏综合的评价。邓晔研究员与贺志理研究员、周集中教授等合作，针对美洲六个不同区域不同生境CO2升高的模拟站点（Free air CO2 enrichment, FACE）使用高通量基因芯片GeoChip开展了土壤微生物的宏基因组研究。其结果表明，微生物群落的β多样性在正常CO2和升高CO2的条件下都呈现出明显的地理区域分布格局，但在升高的CO2条件下下降得更为明显（见下图a），特别是在跨区域的尺度上（见下图b）。这一规律说明CO2的升高加大了微生物群落的空间差异，而土壤异质性的增加可能是造成这一差异的重要因素。
　　该研究得到了中国科学院战略先导专项的支持。

　　正常CO2水平(aCO2)和升高CO2水平(eCO2)下微生物群落间的相似性(Sorenson similarity)与它们地理距离(Geo distance (km))间的关系
　　中科院环境生物技术重点实验室
　　2015年10月30日

2015-10-30

贺纪正研究组应邀发表微生物调控土壤氧化亚氮排放的综述文章

　　氧化亚氮（N2O）是具有强大温室效应潜能的气体。陆地生态系统是N2O人为排放的最大来源，约占全球N2O释放总量的65%。大量研究表明，土壤微生物在氮素生物地球化学循环过程中起核心作用，但人们对N2O排放的微生物学机理和途径的认识还不够系统和完善。当前用于预测N2O排放的很多生物地球化学模型仅仅考虑了土壤环境因子、气候因子和土地利用方式等，并没有将参与氮循环的功能微生物作为一个重要参数引入模型。最近，应国际著名微生物学杂志FEMS Microbiology Reviews编辑邀请，生态环境研究中心贺纪正研究组结合多年来在土壤氮素循环微生物过程研究方面的成果，系统总结了陆地生态系统中参与N2O气体形成的关键微生物类群（图1），影响土壤N2O排放通量的主要环境因子，识别N2O微生物形成途径的技术和方法，并提出了一个从基因水平到生态系统模型水平上研究陆地系统N2O排放的方法框架模型（图2）。该综述发表于最近出版的FEMS Microbiology Reviews上（Microbial regulation of terrestrial nitrous oxide formation: understanding the biological pathways for prediction of emission rates. 39: 729-749）。该成果为系统认识陆地系统中N2O产生的机理、预测和调控提供了技术途径和重要参考，对推动生物地球化学模型的优化具有重要指导意义。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）“土壤-微生物系统功能及其调控”和国家自然科学基金的资助。
　　论文链接：http://femsre.oxfordjournals.org/content/39/5/729.

图1. 参与土壤氧化亚氮（N2O）形成和氮循环的主要微生物及其氮转化途径

图2. 从基因水平到生态系统水平来研究和预测土壤N2O气体排放的方法框架
　　土壤环境科学实验室
　　2015年10月13日

2015-10-13

刘思金研究组在氧化石墨烯诱发炎性反应的机制方面取得重要进展

　　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刘思金研究组在氧化石墨烯（GO）诱发巨噬细胞活化与促炎性反应的分子机制研究方面取得重要进展，相关研究成果近日在线发表于美国化学会杂志ACS Nano（ACS Nano, 2015,DOI:10.1021/acsnano.5b04751）。
　　GO以其优良的理化特性和生物相容性，在生物医药与环境等领域具有广泛的应用前景。目前，对于GO自身理化特性（如尺寸）是如何影响其生物效应与生物相容性等并不十分清楚。该研究团队发现：不同尺寸GO在激活巨噬细胞和诱发局部与系统性炎症反应方面存在很大差异：与小尺寸的GO相比，大尺寸的GO更易活化巨噬细胞并促发炎症反应。一系列的细胞与分子生物学研究表明：相比较于尺寸较小的GO，大尺寸GO更倾向结合于巨噬细胞的细胞膜表面，与膜的相互作用更强。进一步的机制研究揭示，不同大小的GO在不同程度上激活位于细胞膜表面的Toll样受体（TLR分子），并差异活化其介导的下游NF-κB促炎反应通路。同时发现，大尺寸的GO显著刺激巨噬细胞向M1亚型极化，从而放大炎性级联反应。本研究对于揭示GO的潜在免疫毒性、调控其组织与细胞相容性等方面有重要意义，同时对于设计GO的生物医药与环境应用等方面也具有一定的指导价值。
　　该研究得到了国家纳米973项目和国家基金委项目的支持。

氧化石墨烯活化巨噬细胞、诱发机体炎症反应具有尺寸相关性
　　环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2015年9月23日

2015-09-23