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基于机器学习方法的土壤典型重金属生物毒性和潜在生态风险预测

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中国环境科学 2024年

作者：李国锋于金秋王宏池海峰林姗娜蔡超中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室中国科学院大学

土壤理化性质会显著影响重金属生物毒性，基于土壤理化性质的重金属生物毒性及潜在生态风险预测是当前的研究热点之一。本研究以土壤典型重金属镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）为研究对象，蚯蚓为土壤模式生物，采用文献法搜... 详细信息

土壤理化性质会显著影响重金属生物毒性，基于土壤理化性质的重金属生物毒性及潜在生态风险预测是当前的研究热点之一。本研究以土壤典型重金属镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）为研究对象，蚯蚓为土壤模式生物，采用文献法搜集已发表论文中重金属对蚯蚓繁殖的半数有效浓度(EC50)与所对应的土壤理化性质数据共113组，分析不同数据间关联性，揭示土壤理化因子对重金属生物毒性的影响规律。利用随机森林（RF）、梯度提升决策树（GBDT）、极限梯度提升（XGBoost）、K近临（KNN）和支持向量机（SVR）五种机器学习算法构建机器学习模型，研选最佳模型并开展我国土壤重金属潜在生态风险阈值预测。结果表明，重金属在不同类型土壤中毒性存在显著差异，重金属对蚯蚓的繁殖毒性强弱趋势表现为Cd>Cu>Pb≈Zn。不同土壤理化性质对重金属生物毒性的影响规律不同，其中土壤pH是影响重金属Pb和Cd的主要因素，对重金属蚯蚓繁殖毒性变化的贡献率分别为57.2%和69.0%；阳离子交换量和有机质含量则分别是重金属Cu和Zn生物毒性的主要影响因子。从模型拟合优度和预测精度对比分析基于土壤理化因子构建的重金属生物毒性机器预测模型的性能，XGBoost模型对Cd、Cu和Zn的生物毒性预测表现较好，而RF模型对Pb的生物毒性预测更准确，训练集和测试集的R2分别达0.939和0.886。利用研选的重金属生物毒性预测模型开展我国34省土壤中重金属生态风险阈值预测，结果发现不同区域土壤潜在生态风险存在明显差异。研究结果可为基于土壤理化性状的重金属生态毒性和潜在生态风险的准确预测与合理评估提供新的策略。

关键词：机器学习土壤重金属理化性质生物毒性生态风险评价

基于高通量定量PCR与高通量测序技术研究城市湿地公园抗生素抗性基因污染特征

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环境科学 2024年第1期45卷 576-583页

作者：黄福义周曙仡聃潘婷周昕原苏建强张娴中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建省流域生态重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 中国科学院华南植物园退化生态系统植被恢复与管理重点实验室广州510650

城市湿地公园是城市湿地保护与利用的重要实践,具有重要的生态系统服务价值.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,在水体环境中普遍存在,是当前环境研究和公众关注热点.基于高通量定量PCR与16S rRNA基因高通量测序技术,深入研究了厦... 详细信息

城市湿地公园是城市湿地保护与利用的重要实践,具有重要的生态系统服务价值.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,在水体环境中普遍存在,是当前环境研究和公众关注热点.基于高通量定量PCR与16S rRNA基因高通量测序技术,深入研究了厦门城市湿地公园水体环境中抗生素抗性基因的种类、丰度水平和分布特征.结合微生物群落特征和水质理化性质,阐释了城市湿地公园抗生素抗性基因污染的影响因子和驱动机制.结果表明,城市湿地公园水体环境总共发现了217种抗生素抗性基因,丰度水平高达6.48×10^(9)copies·L^(-1),抗性基因呈现出丰度较高、种类多样以及普遍共存的特点,城市湿地公园是抗生素抗性基因分布的重要热区和存储库;Marivivens、NS5_marine_group和Planktomarina等9种微生物是41种抗生素抗性基因的潜在携带者,微生物群落结构对城市湿地公园水体环境抗性基因变化的单独解释量达到了51%,因此微生物群落是城市湿地抗生素抗性基因赋存和演化最重要的驱动力.基于研究结果,暗示着城市湿地公园水体环境抗生素抗性基因具有潜在水生态安全及人类健康风险,应该加强城市湿地公园水体环境微生物污染研究与控制.

关键词：高通量城市湿地抗生素抗性基因(ARGs) 水环境新污染物

静电纺聚酰胺6/聚苯乙烯复合纳米纤维膜制备及其空气过滤性能

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纺织学报 2024年第1期45卷 56-64页

作者：陈江萍郭朝阳张琪骏吴仁香钟鹭斌郑煜铭中国科学院城市环境研究所中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心福建厦门361021 中国科学院城市环境研究所中国科学院城市污染物转化重点实验室福建厦门361021 中国科学院大学北京100049 福建省大气臭氧污染防控重点实验室福建厦门361021

针对空气过滤纤维材料的过滤效率、阻力和使用寿命难以平衡的问题,采用多喷头静电纺丝技术,制备了不同直径、形貌纤维及不同纤维沉积顺序的聚酰胺6/聚苯乙烯(PA6/PS)复合纳米纤维膜,测试了复合膜的平均孔径及孔隙率,建立了纤维结构与过... 详细信息

针对空气过滤纤维材料的过滤效率、阻力和使用寿命难以平衡的问题,采用多喷头静电纺丝技术,制备了不同直径、形貌纤维及不同纤维沉积顺序的聚酰胺6/聚苯乙烯(PA6/PS)复合纳米纤维膜,测试了复合膜的平均孔径及孔隙率,建立了纤维结构与过滤效率及阻力的构效关系;结合扫描电镜表征探讨了不同形貌、直径纤维的叠加次序对过滤寿命及细颗粒物沉积行为的影响,系统研究了过滤风速、细颗粒物尺寸对过滤性能的影响。结果表明:在5.33 cm/s的风速下,以多喷头静电纺丝方式制备的PA6/PS复合膜具有更好的抵抗风速变化的能力,在长期使用中阻力增加较缓慢,其具有93.13%的过滤效率,30.67 Pa的过滤阻力和0.0889 Pa-1的品质因子,综合过滤性能优于同等条件下H10等级(过滤效率>90%)的商业玻璃纤维过滤膜。

关键词：聚酰胺6 聚苯乙烯多喷头静电纺丝空气过滤多层复合滤料微纳米纤维串珠结构

抗生素耐药性的微生物调控:原生生物对细菌抗生素耐药性的影响

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科学通报 2024年第6期69卷 746-758页

作者：栗利娟郝秀丽安新丽李汶菁林晨烁朱永官中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 华中农业大学农业微生物国家重点实验室武汉430070 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北京100085

抗生素耐药性在环境中的存在、进化和传播对人类健康构成了全球性的威胁.随着抗生素的使用,我们对人类影响的生态系统中抗生素耐药性的了解正在迅速加深.然而,在人类干扰有限的自然生态系统中,微生物的相互作用作为抗生素耐药性进化的... 详细信息

抗生素耐药性在环境中的存在、进化和传播对人类健康构成了全球性的威胁.随着抗生素的使用,我们对人类影响的生态系统中抗生素耐药性的了解正在迅速加深.然而,在人类干扰有限的自然生态系统中,微生物的相互作用作为抗生素耐药性进化的主要驱动因素在很大程度上仍被忽视.本文首先综述了抗生素耐药性的起源、进化和传播,指出前抗生素时代细菌耐药性进化的主要动力是微生物之间对资源的竞争,而抗生素时代人类活动向环境中施加的高浓度的抗生素则成为细菌耐药性进化的主要动力.然后在个体水平分别梳理了自养型原生生物和吞噬型原生生物在调控细菌耐药性方面的重要作用.并且指出由于方法上的局限性,目前在群落水平的研究相对缓慢,了解原生生物在微生物食物网中的地位和影响原生生物群落分布的因素则有利于我们解析其中的机制.最后对利用原生生物遏制抗生素耐药性带来的危害进行了展望,以期为缓解抗生素耐药性并控制其在环境中的传播提供科学依据.

关键词：抗生素抗性基因原生生物个体水平群落水平微生物相互作用水平基因转移

基于形态学空间格局分析和最小累积阻力模型的城市生态安全格局构建——以厦门市为例

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生态学报 2024年第6期44卷 2284-2294页

作者：李倩瑜唐立娜邱全毅李寿跳徐烨中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 福建农林大学福州350002

城市化进程的快速发展加剧了生态系统的退化。如何扭转生态系统的退化,同时满足人类日益增长的生态系统服务需求,成为当前的一个研究热点。生态安全格局的构建在一定程度上可平衡城市发展与生态环境保护之间的关系,对于保障区域生态安... 详细信息

城市化进程的快速发展加剧了生态系统的退化。如何扭转生态系统的退化,同时满足人类日益增长的生态系统服务需求,成为当前的一个研究热点。生态安全格局的构建在一定程度上可平衡城市发展与生态环境保护之间的关系,对于保障区域生态安全、提升生态系统功能具有重大意义。以厦门市为例,基于“生态源地识别—阻力面构建—生态廊道提取”的基本框架构建陆域生态安全格局。结合生态系统服务重要性评价和形态学空间格局分析识别生态源地,该方法兼顾了生态结构和功能,使得所识别的生态源地更具全面性。选取土地利用类型、高程和坡度构建生态综合阻力面,并用人类居住合成指数修正生态综合阻力面,以减少主观赋值的影响,识别各土地利用类型内部的差异,使生态阻力面的构建更加合理。在此基础上通过最小累积阻力模型提取生态廊道,利用重力模型量化潜在生态廊道的相对重要性,并根据重力模型结果划分重要性等级。研究结果表明,厦门市的生态安全格局由14个生态源地、21条生态廊道、15个生态节点及若干个踏脚石所组成。生态源地主要集中在研究区的西部和北部,以林地和草地为主,面积合计为558.64 km^(2)。生态廊道长约159.40 km,其中,关键生态廊道9条,一般生态廊道12条。生态廊道呈现出东西方向联系较为密切,南北方向联系不足的特点。根据对区域生态安全的贡献度,将生态安全格局划分为3个管控区进行分级管控。将研究结果与厦门市当前的实施计划进行对比分析,虽然结果有所差别,但总体上相对一致,造成差异的主要原因在于两者所采用的研究数据及方法不同。因此,研究认为将生态系统服务重要性评价和形态学空间格局分析、最小累积阻力模型和重力模型结合,可为生态安全格局的构建提供科学依据。

关键词：生态安全格局生态源地生态阻力面生态廊道

新污染物对肠道菌群的影响及其毒性效应研究进展

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环境科学与技术 2024年第5期47卷 160-171页

作者：孙益琼黄清育中国科学院城市环境研究所中国科学院城市环境与健康重点实验室福建厦门361021 中国科学院大学北京100049

新污染物通过与肠道菌群的互作所导致的毒性效应逐渐被人们认识和关注。该文综述了当前备受关注的内分泌干扰物、全氟和多氟烷基化合物、微塑料和抗生素等新污染物对机体肠道菌群的影响及其相关毒性效应,并提出当前研究存在的局限性。... 详细信息

新污染物通过与肠道菌群的互作所导致的毒性效应逐渐被人们认识和关注。该文综述了当前备受关注的内分泌干扰物、全氟和多氟烷基化合物、微塑料和抗生素等新污染物对机体肠道菌群的影响及其相关毒性效应,并提出当前研究存在的局限性。建议未来应开展基于无菌动物模型的粪菌移植实验以厘清肠道菌群和宿主健康的因果关系,并利用多组学研究系统揭示新污染物通过干扰肠道菌群稳态导致毒性效应的机制。此外,从肠道菌群的角度解释新污染物损害机体健康的长期效应、年龄易感性及性别特异性,也值得进一步研究。

关键词：新污染物肠道菌群毒性效应机制

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九龙江流域农业洪涝灾害损失时空变化特征

水生态学杂志 2024年

作者：王莉红方雪娟黄泓杰张印崔胜辉中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室中国科学院大学资源与环境学院厦门市城市代谢重点实验室

分析九龙江流域农业灾害造成的损失特点，可为该地区农业可持续发展提供科学依据，为该流域不同地区的农业保险提供宏观参考依据，为洪涝灾害农业损失脆弱性曲线积累数据基础。通过分析2014―2019年九龙江流域洪涝灾害资料，揭示了九龙... 详细信息

分析九龙江流域农业灾害造成的损失特点，可为该地区农业可持续发展提供科学依据，为该流域不同地区的农业保险提供宏观参考依据，为洪涝灾害农业损失脆弱性曲线积累数据基础。通过分析2014―2019年九龙江流域洪涝灾害资料，揭示了九龙江流域农业灾害损失特点和时空分布特征，探讨了九龙江流域适应性农业管理对策。结果表明：（1）造成农业损失的作物主要是茶叶、蔬菜、水果、食用菌；（2）九龙江流域农业洪涝灾害损失最大的月份是9月、7月、5月、6月，呈现出与降雨量同步的趋势（R=0.714，P=0.009）；（3）九龙江流域农业洪涝损失最大的县域分别是安溪县、同安区、长泰县、华安县、连城县、漳平市，损失空间分布特征整体呈现出流域中游和下游损失多、上游损失少的特征。

关键词：农业洪涝灾害极端降雨时空分析减灾措施

厦门市近岸海域水环境抗生素抗性基因污染分布特征

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环境科学 2024年第7期45卷 3903-3910页

作者：许文锋刘丽华黄福义贺琦张娴福建省厦门环境监测中心站厦门361022 中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建省流域生态重点实验室厦门361021

海岸带及毗连海岛是人类经济社会发展的热点区域,城市化、工业化和农业活动等人类活动对近岸海域水环境生态环境产生了深刻的影响.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,是当前水生态安全研究和公共关注的热点,但是近岸海域水环境ARGs... 详细信息

海岸带及毗连海岛是人类经济社会发展的热点区域,城市化、工业化和农业活动等人类活动对近岸海域水环境生态环境产生了深刻的影响.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,是当前水生态安全研究和公共关注的热点,但是近岸海域水环境ARGs污染研究比较匮乏.基于厦门市近岸海域地理环境特征,采用高通量定量PCR技术,深入研究了近岸海域水环境中抗生素抗性基因的种类丰度水平和分布格局.并结合16S rDNA基因扩增子测序方法,探究了水体环境微生物群落结构与组成,深入阐释了近岸海域抗生素抗性基因的影响因素和赋存变化机制.结果表明,近岸海域水体环境总共检测出187种抗生素抗性基因,丰度水平高达1.29×10^(10) copies·L^(-1),多重耐药类、氨基糖苷类和β内酰胺类是厦门市近岸海域水体环境最主要的3大类抗生素抗性基因,整体上呈现出丰度较高、种类多样以及普遍共存的特点,近岸海域水环境是抗生素抗性基因分布的重要热区和储存库;Nautella、Candidatus、Tenacibaculum、Rubripirellula和Woeseia等22种微生物是相应16种抗生素抗性基因的潜在携带者,可移动遗传元件(MGEs)和微生物群落结构对近岸海域水体环境抗性基因变化的综合解释量达到了93.9%,说明微生物群落及其可移动遗传元件是近岸海域水体抗生素抗性基因赋存和演化最重要的驱动力.以上研究结果说明,厦门市近岸海域水体环境抗生素抗性基因具有潜在的水生态安全及人类健康风险,能够为近岸海域水体环境微生物及ARGs污染控制提供科学支撑.

关键词：抗生素抗性基因(ARGs) 近岸海域水生态微生物海水

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关于设立面向全球科学研究基金的思考与建议

中国科学基金 2024年第1期38卷 193-199页

作者：傅伯杰张军泽姜维吕一河朱永官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北京100085 中国科学院城市环境研究所/中国科学院城市环境与健康重点实验室厦门361021

气候变化、健康危机和粮食安全等问题通常会超越国家间的地理边界,是典型的全球性挑战。随着不同挑战的日益加剧,设立全球科学研究基金已成为推动科技进步、探索创新解决方案和加强伙伴关系的重要手段。在此背景下,“研究设立面向全球... 详细信息

气候变化、健康危机和粮食安全等问题通常会超越国家间的地理边界,是典型的全球性挑战。随着不同挑战的日益加剧,设立全球科学研究基金已成为推动科技进步、探索创新解决方案和加强伙伴关系的重要手段。在此背景下,“研究设立面向全球的科学研究基金”是我国“十四五”时期(2021—2025年)完善科技创新体制的重要举措。为推进这一举措落实,本文在分析主要发达国家(美国、加拿大、英国、德国、日本、澳大利亚)和欧盟针对全球挑战的科研基金资助经验和广泛调研研讨的基础上,从人才项目、研究项目和大科学装置项目三个方面提出了我国未来设立面向全球的科学研究基金的建议,并探讨了相应的遴选、评估和管理机制,以期促进我国科研资助体系的创新发展,逐步提升我国在全球挑战研究中的国际影响力。

关键词：全球挑战全球科研基金资助体系管理机制