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
  • PNAS刊发专文评述我中心环境生物过程与技术研究组在全球小型水体温室气体排放方面的研究成果
    近日，《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表题为“Small but mighty: The outsized role of small water bodies in the global carbon cycle”的Commentary文章，专题评述我中心环境生物过程与技术研究组在PNAS发表的研究论文“Human amplification of climate-induced greenhouse gas emissions from global small water bodies”。PNAS官方说明指出，Commentary旨在聚焦“特别值得关注”的研究文章；PNAS作为全球最具影响力的综合性科学期刊之一，其针对该成果专门刊发评述，体现了该研究在全球碳循环、内陆水体温室气体排放及气候治理领域的重要学术影响。该评述文章由国际知名生态与气候变化研究学者Marcia N. Macedo撰写。Macedo博士现任Woodwell Climate Research Center资深科学家、水科学研究计划主任，并长期在哥伦比亚大学和巴西亚马逊环境研究所等国际科研平台开展相关研究，研究方向涵盖土地利用和气候变化如何影响陆地-水体连接、水文过程及区域气候反馈。PNAS邀请相关领域有重要影响力的学者撰写Commentary，表明该研究不仅提供了小型水体排放估算的新结果，也引发了关于土地利用变化、水文生态过程和全球碳循环关系的进一步学术讨论。评述高度肯定了研究在小型水体温室气体排放全球评估中的原创贡献。文章指出，小湖泊、池塘和小型蓄水体在全球碳循环中的作用长期被低估，而本研究通过整合实地观测、全球湖泊数据库和机器学习方法，建立了小型水体温室气体排放的全球估算框架，回应了长期以来小型水体难以被准确识别、排放通量观测不足、甲烷气泡释放等关键路径易被遗漏的科学难题，填补了小型水体全球温室气体估算的重要空白。评述认为，该研究不仅拓展了小型水体排放估算的技术路径，更突破了传统基于面积外推的排放估算范式，将小型水体重新定位为陆源输入、水文过程、温度变化和浅水物理过程交汇的“景观连接热点”，重塑了小型水体在全球碳循环中的科学定位。原研究基于470组温室气体通量野外观测数据、339组甲烷气泡释放观测数据以及全球328万个小型水体信息，定量揭示了人类活动对气候变暖驱动温室气体排放的放大效应。研究发现，小型水体虽然仅占全球内陆水体面积约6%，却贡献了约15%的内陆水体二氧化碳排放和28%的甲烷排放；农业营养盐输入和城镇化等人类活动显著增强甲烷释放，使小型水体从气候变化的被动响应者转变为变暖排放反馈的主动放大器。这一发现突破了过去将小型水体视为零散、边缘、低贡献对象的传统认知局限，揭示了其在全球碳循环中的“小面积、高贡献、强反馈”特征。。评述特别强调，显式刻画甲烷气泡排放（ebullition）是该研究“最有价值的方法进展之一”。甲烷气泡释放具有强突发性和高度空间异质性，传统基于水体面积或水体表层浓度的外推方法容易低估这一关键排放通道。研究将甲烷气泡排放纳入全球尺度建模和排放清单构建，突破了以往内陆水体温室气体评估中长期存在的重要不确定性，为改进全球碳预算和国家温室气体清单提供了新的科学依据，也推动小型水体温室气体排放研究从经验估算走向机制约束和高分辨率识别。评述还进一步指出，该研究的重要价值不仅在于揭示气候风险，更在于提出了可管理、可干预的减排方向。人工小型水体，如农塘、排水沟、灌溉水库、养殖池塘和小型蓄水体，往往处于高肥料输入、强水文改造和高有机质负荷的人类活动景观中，是人类土地利用与水体温室气体生成之间的直接界面。与此同时，这类水体的选址、深度、水力停留时间、营养盐输入、沉积物扰动和周边管理方式均受人为决策影响，因此也为长期降低甲烷排放提供了明确的管理切入点。此次PNAS Commentary的发表，表明该研究不仅作为原创论文受到同行认可，也进一步被国际权威期刊置于全球碳循环、气候反馈和水体治理的前沿讨论之中。评述以“连接地图、机制与管理”为核心视角，强调未来需要把全球水体制图、野外通量观测、过程机制解析和管理减排实践更紧密结合起来。该观点与研究提出的“人类活动放大小型水体气候效应”高度呼应，也进一步凸显了该研究开创小型水体温室气体排放“全球识别-机制解析-管理减排”一体化研究范式的重要意义。该成果为认识小型水体在全球碳循环中的“微小面积-巨大效应”提供了新的科学证据，也为农业面源污染控制、城镇雨洪管理、人工水体生态设计和温室气体减排协同治理提供了重要启示。随着PNAS专题评述的发表，该研究有望进一步推动国际学界和管理部门重新审视小型水体在全球气候变化反馈中的作用，并为我国小微水体减污降碳协同治理提供重要科学支撑。评述文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2614198123原研究文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2537678123环境生物技术实验室2026年7月8日
    2026-07-08
  • 葛源研究组重构钴酰胺合成微生物的分子进化时间线
    中国科学院生态环境研究中心葛源研究组联合中国农业科学院和美国密歇根州立大学，在钴酰胺生物合成基因及其生产者的进化史研究方面取得重要进展，相关成果近期发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。钴酰胺是动物和大多数微生物不可或缺的辅酶因子，参与核酸合成、氨基酸代谢等生命过程。然而，这类辅酶因子仅能由少数原核生物合成，并通过分享机制供给其他生物。钴酰胺合成微生物可通过钴酰胺供给，调控生物互作和群落功能的发挥，深刻影响地球生命演化过程。葛源课题组早期研究表明，在全球尺度上，钴酰胺合成微生物是群落中的“关键少数”，其丰度呈纬度梯度分布模式，与微生物群落多样性、网络复杂性、以及微生物氮、磷、硫循环基因的丰度显著正相关（https://doi.org/10.1093/ismejo/wrae009; https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02181）。然而，在地球生命演化过程中，钴酰胺合成基因和生产者的进化史究竟如何？在何时起源、又如何响应地球环境变化？目前仍缺乏明确的进化时间线。该研究整合贝叶斯分子钟分析和生物系统发育重建，构建了钴酰胺生物合成基因及其生产者的进化时间线。研究发现，钴酰胺四吡咯前体与咕啉环的部分合成途径的出现，早于完整的钴酰胺生产者，表明在钴酰胺完整合成者出现之前就已存在类钴酰胺化合物；与地球历史上氧化还原状态变化一致，厌氧钴酰胺生产者先出现（Pelobacter，约24.6亿年前），而好氧生产者的出现则晚于大氧化事件（Kribbella，约17.8亿年前；图1）。该研究揭示了钴酰胺生物合成基因和生产者的进化历史序列，为理解钴酰胺在地球生命系统演化过程中的生态与进化作用提供了一个时间框架，表明钴酰胺这一关键辅酶因子的生物合成演化与地球地质变迁存在深层的耦合关系。图1 钴酰胺生物合成基因及生产者的进化历程上述研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目资助。王继琛研究员为论文第一作者，艾超研究员、James M. Tiedje院士和葛源研究员为论文共同通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2610446123土壤环境科学与技术实验室区域与城市生态安全全国重点实验室2026年7月8日
    2026-07-08
  • 谭志强团队在纳塑料影响大豆共生固氮研究方面取得新进展
    环境化学与环境毒理全国重点实验室谭志强团队在纳塑料（NPs）污染对大豆根瘤菌共生固氮影响机制研究方面取得新进展。相关研究成果以“Nanoplastics Pollution Threatens Sustainable Nitrogen Fixation in Agroecosystems by Disrupting Legume-Rhizobium Symbiosis”为题，发表于ACS Nano上。近年来，NPs污染对农业生态系统功能的潜在威胁日益引发关注。已有研究表明，NPs可影响植物生长及土壤微生物群落结构，然而NPs能否进入大豆根瘤组织并进一步影响豆科植物-根瘤菌共生固氮过程，尤其是不同粒径NPs复合暴露下的效应，仍缺乏系统性认识。针对上述科学问题，该团队以大豆（Glycine max）和根瘤菌共生体系为研究对象，选择20 nm和200 nm两种典型粒径的聚苯乙烯（PS）NPs，分别构建单一与复合暴露体系，系统解析了不同粒径PS NPs对根瘤菌及共生固氮系统的影响机制。研究发现，两种粒径的PS NPs均能被根瘤菌细胞和大豆根瘤有效吸收，并在根瘤菌内呈现明显的协同摄取现象，其中20 nm 小粒径PS NPs对共生固氮表现出更强的毒性效应。在100 mg/kg暴露浓度下，20 nm PS NPs单一暴露导致根瘤数量减少26.0%，根瘤鲜重下降50.4%，固氮酶活性降低51.3%。即便将其与200 nm PS NPs复合暴露，固氮酶活性仍下降28.6%，表明小尺寸NPs的毒性效应在复合暴露中有所缓解，但固氮功能的损伤难以完全恢复。进一步研究表明，20 nm PS NPs处理使根瘤中豆血红蛋白含量降低64.9%，关键辅因子钼元素减少26.5%，固氮关键组分合成和营养供应受到严重限制。同时，根瘤菌侵染效率下降，结瘤和固氮相关基因表达被显著抑制，植物生物量和养分积累也同步降低，植物-微生物互惠共生关系受损，最终影响生物固氮能力与农业生态系统氮循环功能。该研究构建了“NPs累积–根瘤菌侵染受阻–根瘤发育受损–共生固氮衰退”的多尺度作用框架，系统揭示了不同粒径PS NPs对豆科植物–根瘤菌共生固氮的粒径效应及其分子机制，为农业生态系统中纳塑料污染风险评估提供了重要理论依据。中国农业大学联合培养博士生王全龙为论文第一作者，中国科学院生态环境研究中心谭志强研究员、中国农业大学芮玉奎教授、美国麻省大学邢宝山教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项及环境化学与环境毒理全国重点实验室提升原始创新能力平台项目等的支持。论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c03667环境化学与环境毒理全国重点实验室2026年7月7日
    2026-07-07
  • 傅伯杰院士团队研究成果入选联合国科学支持实现可持续发展目标典型案例
    2026年6月29日，国际科学理事会（ISC）与世界工程组织联合会（WFEO）联合发布了提交给2026年联合国可持续发展高级别政治论坛的立场文件报告（Position Paper）《潜移默化的变革：迈向2030关键跨越中的科学与工程》（The quiet work of transformation: science and engineering in the decisive leap to 2030）。该报告以2026年初ISC和WFEO面向全球公开征集的案例研究为基础，围绕《2023年全球可持续发展报告》提出的人类福祉和能力、可持续和公正的经济、粮食系统和健康营养、普遍可及的能源脱碳、城市和城乡发展以及全球环境六大关键转型切入点，筛选出不同国家和地区、不同领域和不同尺度的6个典型案例（Case studies）和11个实践简报（Practice snapshots），重点展示了科学与工程如何支撑政策制定和投资决策，推动科研成果转化应用，提升治理能力，并促进实践经验在不同地区的推广与复制。文件旨在为联合国成员国及全球可持续发展领域提供科学依据和实践参考，助力各国在2030年议程最后关键阶段加快推进可持续发展目标的综合实施。由中国科学院生态环境研究中心傅伯杰院士团队完成的案例“黄土高原生态修复实现生态恢复与减贫协同（Ecological restoration on the Loess Plateau links ecosystem recovery with poverty reduction）”入选了立场文件报告全球环境转型领域的典型案例，展示了科学研究如何支撑大规模生态修复工程与协同减贫，实现生态环境保护与社会经济发展的双赢，为全球生态脆弱地区推进可持续发展提供了中国经验。黄土高原是中国人口、资源、环境矛盾最集中的区域之一，长期面临水土流失、土地退化和农村贫困等多重挑战。针对这些问题，依托长期野外观测、样带调查、遥感监测、生态系统模型模拟等科学研究，系统阐明了土地利用格局对土壤水分、养分和土壤侵蚀过程的影响，揭示了植被恢复中的碳水权衡关系，确定了区域植被恢复的水分承载力阈值，提出了不同区域土地利用优化配置方案，为退耕还林还草工程的规划设计和持续优化提供了科学依据。工程实施过程中，科研机构、地方政府和当地居民协同合作，将科学规划与地方经验相结合，形成了一系列因地制宜的生态修复模式。退耕还林还草工程实施以来取得了显著成效。2000年至2020年，黄土高原植被覆盖率由31.6%提高至67.0%，生态系统固碳量显著增加，水土流失得到有效控制，年均减少土壤侵蚀1.08亿吨。同时，农民人均纯收入由2000年的1916元提高至2020年的14400元，收入差距不断缩小，居民生计逐步由传统农业向多元化方向发展，实现了生态恢复与乡村振兴协同推进。黄土高原生态修复实践表明，大规模生态恢复只有建立在长期科学研究和持续监测基础上，统筹土地利用结构、生态系统过程和居民生计需求，才能实现生态保护与社会经济发展的协调统一。该案例充分体现了科学研究在支撑国家重大生态工程中的关键作用，为实现SDG 1（无贫穷）、SDG 13（气候行动）和SDG 15（陆地生物）等多个可持续发展目标提供了重要实践。报告链接：The quiet work of transformation: science and engineering in the decisive leap to 2030 - International Science Council区域与城市生态安全全国重点实验室2026年7月1日<!--!doctype-->
    2026-07-01
  • 中心魏源送团队在环境耐药性演替机制与控制策略研究方面取得重要进展
    近日，中国科学院生态环境研究中心水污染控制实验室魏源送团队与浙江大学、法国INRAE、德国TROPOS、广西农业科学院等单位合作，在微生物学与环境科学领域旗舰期刊《iMeta》（IF：44.4）在线发表题为“Antiviral defense systems drive persistence of antimicrobial-resistant bacteria but limit the transfer of antimicrobial resistance genes in anaerobic digestion”的研究论文。该研究系统揭示了噬菌体-宿主互作在塑造环境耐药性（AMR）中的重要作用，并创新性地提出噬菌体免疫系统（ADS）在耐药菌（ARB）长期赋存与耐药基因（ARGs）传播中的“双刃剑”效应 。AMR已成为全球面临的重大“全健康（One Health）”危机。传统观点普遍认为，噬菌体主要通过转导作用（Transduction）作为ARGs水平转移的载体。然而，在噬菌体裂解压力下，细菌如何演化出防御机制，以及这些机制如何最终决定ARGs的归趋尚存争议。针对这一科学难题，研究团队以猪粪厌氧消化反应器为对象，整合了短读长/长读长多组学以及高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术，系统重构了复杂环境中的噬菌体-宿主互作网络，成功捕获了超过6100次活跃的噬菌体侵染事件。结果表明，不仅噬菌体介导的“裂解作用”（1524次事件）显著高于“转导作用”（45次事件），而且携带ARGs的噬菌体极少，且噬菌体携带的ARGs未表现出转录活性。这一发现挑战了“噬菌体是ARGs传播载体”的传统认知，证实了噬菌体主要扮演抑制ARB增殖角色。图1. 噬菌体-宿主互作与噬菌体免疫在环境AMR演替中的“双刃剑”效应机制图研究进一步揭示了高强度裂解压力引发的噬菌体免疫所带来的生态学后果。为了在噬菌体的猛烈攻击下存活，ARB大量演化并高表达噬菌体免疫系统（如CRISPR-Cas和 R-M系统）。然而，这种免疫防御机制具有显著的生态学“双刃剑”效应：一方面，ADS有效保护了ARB免受噬菌体裂解，促使其在环境中长期赋存（Persistence）；另一方面，由于ADS构筑的泛免疫屏障，它们在降解噬菌体DNA的同时，也对包含质粒在内的外来移动遗传元件（MGEs）进行切割，从而限制了ARGs的水平转移。研究团队通过构建抗噬菌体的模型菌株进行体外接合转移实验，证实了ADS的产生对ARGs水平转移的抑制作用。基于此机制，团队提出通过人工干预（如热应激或噬菌体悬液回流）加剧噬菌体-宿主互作的新型AMR阻断策略，为环境AMR的“One Health”治理提供了具有转化前景的理论与工程干预路径。生态环境中心张俊亚研究员为该论文的第一作者，魏源送研究员与德国Hans Hermann Richnow博士为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（42477403）、国家科技基础资源调查专项（2025FY100705）、广西自然科学基金及德国亚历山大·冯·洪堡基金会等项目的资助。论文链接：iMetahttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/imt2.70145水污染控制实验室2026年6月30日<!--!doctype-->
    2026-06-30
  • 安伟团队在左删失数据处理方法研究中取得新进展
    工业废水无害化与资源化国家工程研究中心安伟研究员团队在左删失数据处理方法研究中取得新进展。该研究针对一个哲学、数学和检测交叉问题，简单讲，看不到的东西是否存在，如何判断其完全不存在的概率。在环境领域，样本为N的总体中大量存在低于检出限而无法检测到污染的样本，存在几种情况：被污染无法被检出，未被污染，以及二者都存在。此类问题属于数学生存分析中典型的零膨胀左删失问题。该研究从纯数学推导出发，针对未被污染污染部分的存在概率给出了一般性公式，并在环境领域中进行验证。相关研究成果以“A general zero-inflated left-censored testing approach with a single detection limit for environmental exposure”（DOI: 10.1007/s00477-026-03265-4）为题，发表于Stochastic Environmental Research and Risk Assessment（国际JCR统计与概率类一区）。本研究构建了一个具有单一检测限的通用零膨胀左删失混合概率分布模型，并推导出了零暴露比例的显式解。该方法可以提高环境污染风险量化的精度，并可作为环境管理中零膨胀左删失数据参数估计的有价值工具。论文第一作者为博士生李华，通讯作者为安伟研究员。该研究得到了博士后科学基金会、国家自然科学基金等项目的支持。论文链接：https://doi.org/10.1007/s00477-026-03265-4工业废水无害化与资源化国家工程研究中心2026年6月12日<!--!doctype-->
    2026-06-12
  • 环境生物过程与技术研究组在全球小型水体温室气体排放研究方面取得重要进展
    近日，中国科学院生态环境研究中心环境生物过程与技术研究组联合生态系统评估与保护研究组，与北京大学、中国科学技术大学、巴基斯坦真纳大学等相关团队合作，在小型水体温室气体排放研究方面取得重要进展。该研究首次系统阐明了人类活动对气候驱动的小型水体温室气体排放的放大效应及其微观机制，相关研究成果以“Human amplification of climate-induced greenhouse gas emissions from global small water bodies”为题，在线发表于Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）。在全球碳循环中，由于技术监测不足，小型水体的贡献长期被系统性低估。全球温室气体排放估算以往主要聚焦于大型湖泊与河流，忽视了数以百万计的小型水体。传统估算方法是基于面积较大的水体的数据外推，然而小型水体因具有较高的周长面积比、较浅的水深以及较大面积的缺氧沉积区，其单位面积排放速率显著高于大型水体，已经成为内陆水体碳循环中的排放热点，但由于环境数据分辨率不高，无法捕捉施肥、养殖等局部人类活动压力，导致全球小型水体排放评估存在很大的不确定性。针对这一科学问题，研究团队整合了470个野外小型水体（<1 km2）的观测数据，用于训练机器学习模型，并将该模型扩展至包含328万个小型水体的全球数据库，成功量化了人类活动的放大效应。研究发现，虽然小型水体仅占全球内陆水域表面积的6%，却贡献了15%的二氧化碳排放和28%的甲烷排放，其单位面积甲烷排放通量比大型水体高出148%。其中，此前被全球评估忽略的甲烷沸腾排放，占总甲烷排放的56%。这种放大效应主要由农业养分负荷和土地利用强度驱动。农业集水区小型水体的甲烷通量比森林系统高5倍，化肥施用量与甲烷沸腾排放通量呈显著正相关。偏最小二乘路径模型证实，土地利用强度通过营养盐富集，间接驱动二氧化碳排放，而施肥对甲烷排放既有直接效应，也能通过营养盐富集，间接促进甲烷排放。未来预测显示，在化石燃料驱动的情景（SSP5-8.5）下，到2100年二氧化碳和甲烷排放将分别增加30%和14%；而在可持续发展路径（SSP1-2.6）下，通过减少养分负荷，可将增幅控制在12%和4%以内。这些发现表明，小型水体的排放兼具气候敏感性与社会经济可调控性，将水生生态系统管理纳入土地与气候综合政策框架已显得尤为重要。中国科学院生态环境研究中心庄绪亮研究员为论文第一和通讯作者，欧阳志云研究员和姜参参副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和京津冀区域综合环境治理国家科技重大专项的支持。图 气候与人为因素对小型水体温室气体排放的影响    论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2537678123环境生物技术实验室2026年6月9日
    2026-06-09
  • 气候变化正在加速耐药基因传播——中外联合研究在《柳叶刀·星球健康》发表
    近日，中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员、周振超副研究员联合国科大杭州高等研究院乐敏研究员团队及多国合作者，在国际权威期刊《柳叶刀·星球健康》（The Lancet Planetary Health）在线发表最新研究成果。该研究整合1940—2023年间来自139个国家或地区的488,232株沙门氏菌基因组数据，系统评估气候变化与耐药基因传播之间的关系。研究发现，全球沙门氏菌耐药基因丰度在过去几十年中显著上升，并可能在未来进一步加剧全球抗生素耐药风险。该成果从“星球健康”视角揭示了气候变化、生态环境变化和公共卫生风险之间的深层联系，为全球耐药治理提供了新的科学证据。抗生素耐药性是21世纪全球公共卫生面临的重大挑战之一。长期以来，抗生素使用及其带来的选择压力被认为是耐药性产生和扩散的主要驱动因素。然而，随着全球气候变化加剧，温度升高、降水格局改变以及极端天气事件频发，病原菌的生存、传播和基因交换过程也在发生深刻变化。沙门氏菌是一类重要的人畜共患病原菌，可通过食物链、动物和环境等多种途径传播，并具有较强的耐药基因获取能力。因此，阐明气候变化是否会推动沙门氏菌耐药基因扩散，对于构建“同一健康”框架下的耐药风险预警体系具有重要意义。为回答这一问题，研究团队构建了覆盖全球、跨越80余年的沙门氏菌基因组和气候—社会经济综合数据集，并结合多元回归模型、Tobit模型、广义加性模型和反事实情景分析等方法，系统量化温度、降水、抗生素使用、城市化、卫生设施、饮用水服务、农业用地、杀虫剂使用、环境污染和经济水平等因素对耐药基因丰度的影响。研究结果显示，全球沙门氏菌平均耐药基因丰度较2010年前增加了38%，其中东亚和太平洋地区、拉丁美洲和加勒比地区的增幅高于全球平均水平，提示耐药基因扩张具有明显的区域差异。值得关注的是，研究发现温度和降水与沙门氏菌耐药基因丰度之间并非简单线性关系，而是呈现显著的非线性响应。换言之，气候变化对耐药基因传播的影响可能具有阈值效应和区域差异：升温可影响细菌生长、应激响应和基因水平转移过程；异常降水、洪涝和干旱等气候事件则可能通过改变水环境、卫生基础设施和病原菌迁移路径，促进耐药细菌和耐药基因在环境、人群和动物之间扩散。进一步基于共享社会经济路径和温室气体排放情景，对未来至2100年的沙门氏菌耐药基因变化趋势进行了预测。结果显示，在高排放情景下，全球变暖将进一步推动沙门氏菌耐药基因累积；而如果实现低排放目标，并同步加强抗生素药物管理，到2100年沙门氏菌耐药基因丰度可较高排放情景降低约24%。表明气候治理与抗生素药物合理使用并非彼此独立的政策议题，而应被纳入“同一健康”框架下协同推进。该研究从全球尺度提供了气候变化关联病原菌耐药基因扩散的定量证据，拓展了人们对抗生素耐药性驱动因素的认识。以往耐药防控主要关注抗生素使用、医疗行为和养殖管理等因素，而该研究提示，气候变化本身也可能成为影响耐药风险演变的重要环境驱动力。研究强调，未来抗生素耐药治理需要将气候变化因素纳入全球监测、风险评估和政策干预体系，通过“气候减缓—抗生素药物管理—同一健康监测”协同路径，降低气候变化背景下耐药性持续上升带来的公共卫生风险。本文通讯作者为中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员、周振超副研究员和国科大杭州高等研究院乐敏研究员。周振超副研究员和滕霖副研究员为共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和北京市生态环境科技项目等支持。图 多种气候—政策情景下2025年至2100年ARG丰度预测（A）所有情景类型下全球沙门氏菌ARG丰度变化。实线表示主要非线性模型；虚线表示截断情景（“T”），即温度和降水被限制在历史观测范围内；点划线表示基于广义加性模型的非参数气候响应情景（“G”）。（B–G）不同情景下各区域截至2100年的耐药基因丰度变化。（H）不同情景下，2100年耐药基因丰度相较于历史观测数据的区域差异。ARG = 抗生素耐药基因；AS = 抗生素药物管理；SSP = 共享社会经济路径。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.lanplh.2026.101445土壤环境科学与技术实验室2026年5月27日<!--!doctype-->
    2026-05-27
  • 经典论文解读：利用鸟枪法破译马尾藻海环境基因组
    向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。解读人：肖可青 林嘉铭作者：J. Craig Venter, Karin Remington, John F. Heidelberg, Aaron L. Halpern, Doug Rusch, Jonathan A. Eisen, Dongying Wu, Ian Paulsen, Karen E. Nelson, William Nelson, Derrick E. Fouts, Samuel Levy, Anthony H. Knap, Michael W. Lomas, Ken Nealson, Owen White, Jeremy Peterson, Jeff Hoffman, Rachel Parsons, Holly Baden-Tillson, Cynthia Pfannkoch, Yu-Hui Rogers, Hamilton O. Smith文章标题：Environmental Genome Shotgun Sequencing of the Sargasso Sea文献来源：Science被引次数：3,083次（Web of Science）；5,653次（Google Scholar）1.研究内容微生物是驱动生物地球化学循环的核心，但绝大多数微生物“不可培养”的特性严重制约我们解析其生态功能。传统非培养研究依赖基于rRNA基因的PCR扩增技术探究微生物组成。然而，该技术对保守区通用引物的依赖性及引物偏好性，无法真实反映复杂环境样本中微生物群落结构与物种多样性。为突破这一技术局限，本研究通过使用全基因组鸟枪法（WGS）测序技术，揭示海水中微生物群落组成，深度挖掘未知物种与功能基因分布。2.研究思路及核心发现研究思路本研究以百慕大海岸附近马尾藻海为研究区域，使用孔径为0.1–3.0 µm的过滤器富集环境微生物。通过全基因组技术，构建插入片段长度为2–6 kb的质粒基因组文库。在序列组装过程中，为避免组装器（Celera Assembler）将覆盖深度远高于平均水平的序列误判为重复序列并予以屏蔽，识别深度覆盖非冗余重叠群（contigs）。对低丰度序列，完整保留未组装的配对末端读段及单片段（singletons），以确保稀有物种信息不丢失。为应对样品复杂度高难题，研究团队将序列与非冗余氨基酸（nraa）数据库中的细菌蛋白进行比对，反向确定编码框。通过分析边界密码子，确定开放阅读框范围，进而精确识别起始与终止密码子。该方法在超过700 MB的数据集中成功鉴定出1,214,207个基因，其数量级远超当时所有已知蛋白质数据库。图1 2003年2月22日马尾藻海BATS站点附近海域表层叶绿素分布及采样点位。绿色色阶指示叶绿素浓度较高的区域，即高马尾藻细胞密度站位。核心发现：1.测序结果揭示了藻类种群变异连续性与未知性图2将环境微生物基因组与标准原绿球藻MED4基因组进行比对，结果表明超过85%的MED4基因组可与环境基因组序列匹配。内圈异色区域揭示大规模基因组重排事件；黑色区域标注表示环境样本中特有外源病毒基因簇插入。MED4发生高度功能分化，编码表面多糖合成的基因簇在环境样本中完全缺失，表明原绿球藻并非离散的单一菌株，而是高度多样化的种群连续体。图3系统发育树展示马尾藻海样品中视紫红质（rhodopsin）类基因进化关系。蓝色为已知培养物种，黄色为其他环境来源的未培养微生物，红色为本研究在马尾藻海中新发现的未培养序列。结果表明，未培养序列在进化上远离已知培养物种，大量密集的红色分支显著扩展了现有的系统发育树。该结果证明，基于视紫红质的非叶绿素光能利用系统在海洋浮游细菌群落中广泛存在，并呈现丰富的遗传多样性。2.比对证实了鸟枪法能够深度还原表层海水古菌谱系图4马尾藻海环境基因组与已知深海古菌克隆组4B7全序列比对结果。对角线轨迹表明，环境基因组与参考克隆组在基因序列上具有高度一致性。表明深海古菌谱系与海洋表层微生物共享，全基因组鸟枪法能有效解析表层海水古菌谱系组成。3.鸟枪法较传统PCR扩增法更能准确还原微生物种群丰度图5利用16S rRNA、RecA、EF-Tu等6种系统发育标记方法比较马尾藻海微生物群落结构。各标记物均显示变形菌门为优势类群，基于16S rRNA测序结果与单拷贝蛋白质编码基因估算生物量相对丰度偏差较大。鸟枪法避免了PCR引物偏好性导致的系统误差，能够准确反映群落中各谱系相对丰度，显著优于传统rRNA基因扩增方法。创新突破点：1.首次将高通量全基因组鸟枪法 (WGS) 成功应用于复杂环境样本本研究直接对马尾藻海混合环境DNA样品进行全基因组鸟枪法测序，突破传统方法依赖PCR扩增16SrRNA基因导致的偏差，摆脱对微生物纯培养的依赖，规避PCR引物扩增盲区。2.解决了对环境样本中高丰度物种序列的组装误判问题单一基因组分析中，独特区域的组装覆盖深度应近似服从泊松分布。传统组装算法在处理丰度差异巨大的混合环境样本时，易将相对丰度最高的基因序列误判为重复序列并予以屏蔽。为此，研究团队将预期覆盖深度调整为23×，识别出一组大型、深度覆盖且非冗余的重叠群（contigs）。3.引入蛋白质组学标记物定量化群落结构传统生态学研究常以rRNA基因估算物种丰富度，但不同原核生物间rRNA基因拷贝数差异显著，易导致群落比例估算出现偏差。相比之下，全基因组测序可同步获取大量rRNA序列及单拷贝蛋白编码基因，后者可作为系统发育标记物，从而准确评估群落多样性。4.奠定了现代基因组学与新一代高通量测序的发展基石本研究确立了“环境DNA提取—高通量测序—序列组装—分箱挖掘”研究范式，奠定现代微生物生态学中全基因组等核心生物信息学分析体系基础，预测了参与氮磷循环等元素循环新的微生物类群，其中氨氧化古菌隔年便被分离证实，开创了氮循环研究的新领域。基因组测序策略发展概述：1971年：引物延伸测序法由杰出华人科学家吴瑞提出使用，通过人工合成引物杂交DNA模板，引导DNA聚合酶定向合成新链，使用同位素标记法测量新链碱基种类与数量 (Wu and Taylor 1971)，该方法重塑了现代生物科学发展进程。1977年：Sanger双脱氧链终止法与引物步移法（primer walking）由F. Sanger提出使用，该时期测序采用逐段测序法，其成本高、通量低，仅覆盖病毒、质粒或单基因片段(Sanger et al. 1977)，但为宏基因组技术出现奠定基础。1995年：克隆法与鸟枪法由Venter团队提出使用。克隆法通过构建物理图谱辅助拼接，鸟枪法则直接随机打断后计算组装, 实现全基因组序列随机测序-计算组装，首次获得了较完整测序结果 (Fleischmann et al. 1995)。2005年：二代测序法（NGS）由M. Margulies提出使用。该方法引入边合成边测序与微阵列并行技术，具有高通量测序特点 (Margulies et al. 2005)。全基因组测序成本大幅下降，推动宏基因组学、群体遗传学及临床检测的广泛应用。但短读长固有局限导致复杂重复区域存在组装缺陷。2009年：三代测序，包括由J. Eid提出使用PacBio单分子实时测序 (Eid et al. 2009)，由J. Clarke提出使用Oxford Nanopore纳米孔测序法 (Clarke et al. 2009)，能够实现长读长测序目标，可直接跨越重复区与结构变异区域，充分填补着丝粒、端粒等测序盲区。主要作者信息：J. 克雷格·文特尔（1946-2026），鸟枪法之父，宏基因组测序技术奠基人，J. 克雷格·文特尔研究所（JCVI）创始人、董事会主席兼首席执行官。他是基因组学和合成生物学领域的先驱，其职业生涯充满了颠覆性与争议性，因此也被称为“科学狂人”。曾力排众议采用全基因组鸟枪法（WGS）与计算机算法，加速国际人类基因组计划完成，为现代医学奠定基础。同时开展全球海洋考察，利用测序技术建立全球海洋微生物基因组数据库，极大的推动了海洋微生物生态学发展。带领团队创造了全球首个由全人工合成DNA驱动的人造生命（JCVI-syn1.0），培育出仅含473个基因的最小合成细胞，带领人类实现了从读取到编写生命的历史性跨越。参考文献：Clarke, J., H.-C. Wu, L. Jayasinghe, A. Patel, S. Reid, and H. Bayley. 2009. Continuous base identification for single-molecule nanopore DNA sequencing. Nature Nanotechnology 4:265-270.Eid, J., A. Fehr, J. Gray, K. Luong, J. Lyle, G. Otto, P. Peluso, D. Rank, P. Baybayan, B. Bettman, A. Bibillo, K. Bjornson, B. Chaudhuri, F. Christians, R. Cicero, S. Clark, R. Dalal, A. deWinter, J. Dixon, M. Foquet, A. Gaertner, P. Hardenbol, C. Heiner, K. Hester, D. Holden, G. Kearns, X. Kong, R. Kuse, Y. Lacroix, S. Lin, P. Lundquist, C. Ma, P. Marks, M. Maxham, D. Murphy, I. Park, T. Pham, M. Phillips, J. Roy, R. Sebra, G. Shen, J. Sorenson, A. Tomaney, K. Travers, M. Trulson, J. Vieceli, J. Wegener, D. Wu, A. Yang, D. Zaccarin, P. Zhao, F. Zhong, J. Korlach, and S. Turner. 2009. Real-Time DNA Sequencing from Single Polymerase Molecules. Science 323:133-138.Fleischmann, R. D., M. D. Adams, O. White, R. A. Clayton, E. F. Kirkness, A. R. Kerlavage, C. J. Bult, J.-F. Tomb, B. A. Dougherty, J. M. Merrick, K. McKenney, G. Sutton, W. FitzHugh, C. Fields, J. D. Gocayne, J. Scott, R. Shirley, L.-l. Liu, A. Glodek, J. M. Kelley, J. F. Weidman, C. A. Phillips, T. Spriggs, E. Hedblom, M. D. Cotton, T. R. Utterback, M. C. Hanna, D. T. Nguyen, D. M. Saudek, R. C. Brandon, L. D. Fine, J. L. Fritchman, J. L. Fuhrmann, N. S. M. Geoghagen, C. L. Gnehm, L. A. McDonald, K. V. Small, C. M. Fraser, H. O. Smith, and J. C. Venter. 1995. Whole-Genome Random Sequencing and Assembly of Haemophilus influenzae Rd. Science 269:496-512.Margulies, M., M. Egholm, W. E. Altman, S. Attiya, J. S. Bader, L. A. Bemben, J. Berka, M. S. Braverman, Y.-J. Chen, Z. Chen, S. B. Dewell, L. Du, J. M. Fierro, X. V. Gomes, B. C. Godwin, W. He, S. Helgesen, C. H. Ho, G. P. Irzyk, S. C. Jando, M. L. I. Alenquer, T. P. Jarvie, K. B. Jirage, J.-B. Kim, J. R. Knight, J. R. Lanza, J. H. Leamon, S. M. Lefkowitz, M. Lei, J. Li, K. L. Lohman, H. Lu, V. B. Makhijani, K. E. McDade, M. P. McKenna, E. W. Myers, E. Nickerson, J. R. Nobile, R. Plant, B. P. Puc, M. T. Ronan, G. T. Roth, G. J. Sarkis, J. F. Simons, J. W. Simpson, M. Srinivasan, K. R. Tartaro, A. Tomasz, K. A. Vogt, G. A. Volkmer, S. H. Wang, Y. Wang, M. P. Weiner, P. Yu, R. F. Begley, and J. M. Rothberg. 2005. Genome sequencing in microfabricated high-density picolitre reactors. Nature 437:376-380.Sanger, F., S. Nicklen, and A. R. Coulson. 1977. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proceedings of the National Academy of Sciences 74:5463-5467.Wu, R., and E. Taylor. 1971. Nucleotide sequence analysis of DNA: II. Complete nucleotide sequence of the cohesive ends of bacteriophage λ DNA. Journal of Molecular Biology 57:491-511.原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.1093857<!--!doctype-->
    2026-05-22
  • 邓晔团队在厌氧微生物代谢机制和功能系统发育组装方面取得系列进展
    邓晔研究员团队联合来自中国、美国、荷兰、加拿大等国的研究团队，针对我国7座城市的厌氧消化设施开展了长期连续采样，围绕微生物代谢机制及产甲烷功能的系统发育组装取得系列进展。成果分别以“Microbial synthesis structures organic compound composition in anaerobic digestion”(DOI:10.1093/ismejo/wrag036）和“Phylogenetic assembly of methanogenesis regulates methane yield in food-waste anaerobic digestion”(DOI: 10.1093/ismejo/wrag083)为题发表于国际微生物生态协会会刊The ISME Journal。在使用FT-ICR MS高分辨质谱检测的有机质分子多样性的研究中，基于团队前期开发的分子转化识别框架TOMENA（Yang et al., 2025, Water Research），研究团队识别了厌氧消化器中的潜在分子转化形式，并分别评估了分子合成与分解过程同系统操作条件、甲烷产率及物料化学特征之间的关联。研究将分子量区间184-391 Da确定为核心代谢物分布区间，该区间内的分子在长时间和大空间范围均持续被检出，且与微生物物种的丰度强关联。此外，全国的厌氧消化系统中，由小分子合成较大分子的过程是微生物进一步塑造代谢物组成的驱动力之一，并最终关系到甲烷的总产量（DOI: 10.1093/ismejo/wrag036）。图1 厌氧消化系统分子转化的识别以及对分解和合成过程的解耦在针对宏基因组测序分析的研究中，基于团队前期开发的REMIRGE算法（Wang et al., 2023, Microbiome），聚焦了产甲烷相关功能基因的地理学分布特征。研究发现，与气候和进料相关的环境和物质条件会持续影响厌氧消化系统中的产甲烷功能分布。相较于物种水平的系统发育，产甲烷相关功能基因的序列变体（gene sequence clusters）在系统发育结构与甲烷产量的变化关联更为紧密。在高效产甲烷系统中，生态过滤更倾向于保留一组高效的功能谱系，尽管这可能以降低功能冗余为代价。功能性状的基因水平系统发育特征有望成为衡量工程微生物组功能效率与潜在稳健性的关键指标（DOI: 10.1093/ismejo/wrag083）。图2 厌氧消化系统功能基因的系统发育特征同产甲烷效率的关联中心博士生杨兴盛、赵博分别是两篇论文的第一作者，邓晔研究员是两篇论文的通讯作者。该系列工作得到了国家重点研发和自然科学基金等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag036https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag083环境生物技术实验室2026年4月21日
    2026-04-21
查看更多