2021首届环境与生态系统工程发展论坛:知播专访吴丰昌

在"十四五"蓝图徐徐展开之初,在国家污染防治攻坚战阶段性任务目标圆满完成、生态环境质量持续好转之机,"2021首届环境与生态系统工程发展论坛"于9月3—5日在内蒙古包头市顺利举行。本次论坛由《环境工程》编审委员会策划组织,旨在更好地应对当前生态环境保护的新机遇和新挑战,推动我国生态文明建设行稳致远。本期的"知播·云上星光:科学家访谈"内容围绕吴丰昌院士的主旨报告"环境地球科学学科发展战略初步思考"展开,畅谈论坛主题,寄语期刊发展。访谈由论坛组委会委员、中国人民大学副教授穆云松主持。

黄河流域水环境问题研究现状、挑战与展望

黄河流域生态保护和高质量发展是国家重大发展战略,保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计.近年来,黄河流域水环境质量明显改善,但有限的水资源和脆弱的生态系统使得黄河流域水环境保护仍面临巨大的挑战.科学诊断黄河流域重大水环境问题是新时期治理黄河的前提和关键.本文围绕黄河流域水环境问题诊断这一主题,聚焦黄河流域断面水质改善的核心需求,首先分析黄河流域水环境现状,发现黄河流域整体水质持续向好,但干支流水质改善不同步,流域主要污染指标时空差异显著,中下游和部分支流污染严重;其次梳理国内外相关研究进展和主要挑战,总结断面水质提升所需的核心理论与技术,如水环境承载力评价、污染排放清单构建与水环境模型模拟等方面的应用与发展趋势,发现黄河流域存在气候变化影响下水沙变化大、现有排放清单分辨率不足、水环境模拟缺乏多尺度污染排放-断面水质响应关系研究等问题,难以支撑未来精细化水环境管理.对黄河流域水环境研究的未来发展进行了展望,建议未来在以下几个方面开展进一步研究,包括气候变化下黄河流域水环境承载力研究、黄河流域高分辨率排放清单构建、多尺度污染排放与断面水质响应关系.

氟化物毒性效应与水质基准标准研究进展与展望

氟摄入过低或过高,都会对人体健康产生负面影响,此外,水体中的氟化物含量过高也会对水生生物产生危害。本文综述了氟化物的主要来源与分布,以及氟化物的毒性效应,从保护人体健康和水生生物2个角度分析了国内外氟化物水质基准/标准研究现状,并针对氟化物人体健康效应的双阈值性、氟化物摄入源地区差异性、氟化物水生生物毒性受温度、硬度和氯离子浓度等影响的特征,展望了我国氟化物水质基准研究和标准修订的未来发展方向:(1)深入探讨氟化物保护人体健康的最适区间;(2)将氟化物总摄入量的地区差异性纳入地方性水质标准制定的考虑范畴;(3)加强水质参数(如硬度、温度和氯离子浓度等)修正的氟化物水生生物水质基准研究。

机器学习-多元线性回归预测铜的水生态基准

以铜和我国代表性水生生物作为研究对象,在原有生物配位体模型(BLM)理论框架基础上,通过梯度提升决策树算法筛选和评估环境要素(硬度、pH值和溶解有机碳)的特征重要性,建立多变量耦合的多物种水生毒性预测模型;在此基础上对毒性预测值进行物种敏感度分布(SSD)分析,构建适合我国水环境特征的铜淡水生态基准预测模型.研究发现,基于3门5科水生毒性数据建立的三参数耦合预测模型的预测准确率(RFx,2.0)比BLM模型提升了42%;以Sigmoidal-logistic1模型拟合SSD曲线的效果最佳(0.922<R2<0.991,0.0267<RMSE<0.0767,P>0.05),进而计算出我国流域水环境中铜的短期水生态基准推荐阈值为0.07350~15.38µg/L;基于机器学习的特征重要性分析定量识别了DOC在金属水生态基准制定中的关键作用,也为众多环境影响因素的集约化处理提供直接证据.与以BLM模型为代表的国外技术相比,研究工作在开发适用于中国水环境特征和管理需求的金属“原位”水质基准制定技术方面做了有益尝试,不仅节约了环境监测和管理成本,也体现了水环境管理的区域化和精准化.

典型有机磷酸酯在黄河入海口的分布与生物蓄积特征

以黄河入海口为研究区域,分别在地表水、沉积物、浮游生物以及12种水生生物中检测OPEs含量,结果发现共检出17种OPEs,其中氯代类检出丰度和检出频率最高,是主要的污染物成分,其次是烷基类和芳香类OPEs.同源性分析发现,在地表水与沉积物中氯代类的OPEs污染来源更为广泛.12种水生生物中较高营养级的野生鱼类(如鲢鱼、鲫鱼、梭鱼等)中∑OPEs含量高于低营养级的底栖生物(如日本沼虾等),表明OPEs在水生生物食物链上具有累积性特征,以及物种差异性特征.相比于鳃吸收,肠道摄食是野生鱼类OPEs污染的主要暴露途径.结果显示部分OPEs在黄河入海口的水生食物网中存在一定的生物蓄积和生物放大潜力.风险分析结果表明磷酸三(1,3-二氯异丙基)酯具有潜在的生态风险,需引起广泛关注.

杀菌类物质对肠道核因子κB通路的调控及免疫毒性研究

杀菌类物质因其杀灭细菌、病毒等微生物特性而被广泛使用。多种杀菌类物质的暴露可能引发人类或动物肠道炎症及免疫系统异常,但相关机理性的研究相对较少。外源性化学物质或病原菌是核因子活化B细胞κ轻链增强子(nuclear factor kappalight-chain-enhancer of activated B cells,简称“NF-κB”)信号通路的重要激动剂,通过激活NF-κB信号通路,调节宿主炎症反应与免疫应答。鉴于此,本文重点梳理探讨了杀菌类物质、NF-κB信号通路、肠道微生物三者之间的相互作用以及它们对宿主潜在的健康影响。结果表明:①NF-κB家族是一组重要的转录因子,几乎存在于所有类型的动物细胞中,参与调控炎症反应、免疫应答、细胞增殖和细胞凋亡等许多生物过程。②肠道微生物中本身的细胞壁成分以及分泌的效应蛋白或代谢产物等是NF-κB信号通路的重要激动剂,这表明肠道微生物与宿主免疫系统之间存在密切联系。肠道微生物对NF-κB信号通路的影响提示了杀菌类物质在肠道免疫调节中可能存在的作用机制。③杀菌类物质可以与肠道微生物之间相互作用进而诱导宿主肠道紊乱,也可以直接作为NF-κB信号通路的激动剂,最终导致宿主肠道免疫系统损伤。开发新型免疫调节剂和抗菌药物,制定治疗肠道免疫相关疾病个性化的预防和治疗策略是未来这一领域的研究方向之一。

全氟/多氟烷基化合物淡水生物水质基准研究现状与展望

全氟/多氟烷基化合物(PFASs)是指一个或多个碳链上的氢原子被氟原子部分或完全取代的一类化合物。已有大量研究表明PFASs在水环境中污染严重,并会对水生生物造成发育毒性、神经毒性、生殖毒性、内分泌干扰效应等危害。目前美国、澳大利亚、加拿大、欧盟等国家或地区针对全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)两种传统的PFASs已经发布了淡水生物水质基准,为深入了解PFASs淡水生物水质基准的研究现状以及在基准制定过程中面临的挑战,本研究系统总结了各国家或地区PFOA和PFOS的淡水生物水质基准阈值,对比分析了不同国家或地区在物种选择、数据来源、基准推导方法等方面的差异。结果表明,各国家或地区水质基准阈值存在较大差异,在2~6个数量级之间,究其原因主要是:①不同国家或地区选择的受试物种差异较大,涵盖的分类群不同。②PFASs毒性效应繁多、实验设计缺乏统一标准,导致不同研究结果之间存在较大差异,且各国家或地区对是否采用某一实验毒性数据的标准不同。③使用急慢性比率外推得到的慢性毒性数据具有较高的不确定性。④各国家或地区推导PFASs水质基准的方法不同。研究显示,目前PFASs淡水生物水质基准仍然面临管控物质单一、基础毒性数据不足、生物累积性影响不明、混合效应影响不明、基准推导方法不确定等挑战。为了更好地保护水生态系统,需要通过多学科交叉合作、全球数据共享、毒性预测等方法深入了解PFASs的环境行为、毒性效应、生物累积特征等,以支撑更多PFASs水质基准的科学制定。

论有机氮磷在湖泊水环境中的作用和重要性

长期以来,国内外学者对湖泊中氮磷等营养物质及其循环开展了大量研究,在其污染过程、控制和管理等方面取得了许多重要进展。然而,现有研究主要集中在总氮、总磷和无机氮磷等方面,对有机氮磷的来源、循环及生物和生态学效应的研究相对缺乏。近期研究显示:有机氮磷是湖泊水体和沉积物中的重要组分,可以通过酶解和微生物活动转化成生物可利用性营养盐,在湖泊生态系统中起着十分重要的作用。本文简要分析了有机氮磷已有的研究进展,论述了有机氮磷在湖泊水环境研究中的重要性、研究难点、主要技术突破及存在的科学问题,指出有机氮磷研究将有助于加深目前对水生态系统和富营养化机理的认识,并对水质标准制定、环境质量评价、污染控制和生态修复具有十分重要的价值。研究表明:在各种无机氮磷研究的基础上,开展各种有机氮磷等营养组分的时空分布特征、在主要界面的迁移转化及其生物有效性研究,揭示有机氮磷与湖泊生命过程的耦合关系,完善氮磷循环理论,将是未来该领域的主要研究方向。

中国湖泊水环境基准的研究进展

中国湖泊污染形势严峻、生态健康效应复杂,亟需适合中国区域特点的水环境基准作为加强污染控制、治理和管理的理论依据,但目前我国湖泊水环境基准的系统研究尚未开展.本文从水环境基准的意义、概念、研究历史、现状和发展趋势等几个方面对中国湖泊水环境基准研究进行了剖析回顾和展望:首先阐述了开展区域性水环境基准研究的迫切性和科学意义,揭示了"科学确定基准"的内涵;然后详细回顾了国内外湖泊水环境基准的研究历史、现状及存在的关键问题,提出了湖泊水环境基准的"三性"原则(科学性、基础性和区域性),指出环境暴露、效应识别和风险评估是基准研究的三个关键环节;最后提出中国湖泊水环境基准的研究方向和发展趋势.本文强调:阐明中国水环境的演变规律和特征,需要开展水环境污染过程和生态毒理效应研究;建立具有我国区域特点的湖泊水环境基准理论、技术和方法体系是面向国际科学前沿和解决中国环境管理重大科技需求的重要任务,它既可推动中国毒理学、生物学、生态学及环境与生物地球化学等学科的发展,又可为湖泊流域的环境管理和污染防治提供技术支撑,整体提升我国环境保护科学研究的水平和国际地位.

镉的淡水水生生物水质基准研究

镉是一种有毒重金属,具有高毒性、难降解和易残留等特点,会对水生生物及水生态系统产生有害影响.为有效控制镉给水生生物带来的不利影响,亟需开展镉的水生生物基准研究,为水质标准的制订提供依据.以我国淡水生态系统及其生物区系为保护对象,结合大量国内外文献报道的镉对我国淡水生物区系中代表物种的毒理学数据,运用评价因子法、毒性百分数排序法和物种敏感度分布法等当前国际上广泛使用的基准推导方法,研究我国淡水中镉的基准值及其推导过程.结果表明:评价因子法得出的基准值为单值,其值为0.15μg/L;毒性百分数排序法得出的基准值包括基准最大浓度和基准连续浓度,二者分别为7.30和0.12μg/L;物种敏感度分布法得出的基准值分为短期危险浓度和长期危险浓度,二者分别为32.50和0.46μg/L.比较了3种方法的优缺点,以及与国内外已有研究基准值之间的差异及形成原因,分析了影响镉的水生生物基准的关键因素.

天然有机质及其在地表环境中的重要性

天然有机质是地表各种环境介质中的重要化学组分,分布广泛.越来越多的研究已经表明:它在地表生态系统的物理、化学和生物过程中都起着十分重要的作用;它与生态系统的各个重要环节密切相关,是生态系统中能量与物质循环的重要途径.因此,天然有机质不仅是生物地球化学、生态学和环境科学等研究领域的重要内容之一,而且也是环境污染的评价、预测和治理研究中的基础理论问题,是目前环境质量、毒理学、环境立法和管理研究共同关注的科学问题.本文主要以陆地地表淡水湖泊与河流水环境为例,对天然有机质的来源、化学结构、循环特征,与养分循环的耦合关系,对有毒金属元素和有机污染物迁移转化和毒性影响机理等几个方面的研究进展进行了简要的总结;针对我国水体富营养化和环境污染等重要环境问题,阐述当前应该采取的研究思路和存在的主要科学内容,并对现代有机环境与生物地球化学学科的研究趋势进行了展望.

保护淡水水生生物硝基苯水质基准研究

以硝基苯为研究对象,在分析美国和中国2种类型水生态系统和生物区系特征的基础上,分别筛选两国水生生物物种的毒性数据,运用物种敏感度分布曲线法、毒性百分数排序法和评价因子法分别推导了2个国家保护淡水水生生物水质基准;同时,结合国内外主要水体ρ(硝基苯)分布特征,对地表水体中硝基苯生态风险进行了初步评价.结果表明:由于生物区系不同,同样方法得到的美国水质基准值明显高于中国水质基准值,其中物种敏感度分布曲线法得出的基准值最为合理.用物种敏感度分布曲线法得到中国硝基苯急性基准值为0.572 mg/L,慢性基准值为0.114 mg/L;美国硝基苯急性基准值为7.271 mg/L,慢性基准值为2.031 mg/L.风险表征结果显示,中国主要地表水体中硝基苯不存在潜在的生态风险.

2008~2022年我国湖泊有机质相关指标时空演变

基于2008~2022年中国湖泊长时间序列水质数据,采用Mann—Kendall检验(M-K检验),Pearson相关分析以及主成分分析(PCA)等对有机质及相关营养指标在长时间序列上的变化规律,空间异质性特征及指标之间的相关关系进行研究.结果表明:2008~2022年,全国湖泊溶解氧(DO)浓度以每年0.19mg/L的速度增加(P<0.001),从2008年的7.09mg/L增加至2022年的10.04mg/L,高锰酸盐指数(COD-Mn)浓度从5.86mg/L下降至3.17mg/L,表明我国湖泊水环境质量整体改善.然而,化学需氧量(COD),COD-Mn,生化需氧量(BOD5)等近年来出现波动性变化且有增加趋势.相关性分析结果表明,COD-Mn与总磷(TP),氨氮(NH3-N)以及叶绿素(Chla)均呈现显著正相关性(r>0.50, P<0.05);BOD5与TP呈现显著正相关性(r=0.61, P<0.05);COD与TP(r=0.80,P<0.05)以及Chla(r=0.61,P<0.05)显著正相关,表明TP浓度和叶绿素浓度可能是影响我国湖泊有机质变化的关键因素.在空间尺度上,COD,COD-Mn与BOD5等有机质相关指标为影响全国湖泊水质空间异质性特征的主要因素,且有机质浓度较高的湖泊地理分布较为明显,主要集中于蒙新湖区和云贵高原湖区.

表面活性剂增强黑磷纳米片复合溶液体系分散稳定性研究

黑磷纳米片(black phosphorus nanosheets,BPNSs)因其特有的尺寸厚度和二维结构特点,在光电、化学、生物传感以及农业领域已有广泛的应用.由于其具有较大的比表面积和比表面能,所以黑磷纳米片悬浮在液体中易团聚下沉.基于此,本研究以去离子水为分散介质,选取4种表面活性剂为分散剂,包括一种阳离子型表面活性剂-十六烷基三甲基溴化铵(hexadecyl trimethyl ammonium bromide,CTAB),一种非离子型表面活性剂-喜威77(silwetL-77),两种阴离子型表面活性剂-十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)和鼠李糖脂(rhamnolipid,RL),分别复配出四类表面活性剂-BPNSs溶液体系,通过测定动态光散射(dynamic light scattering,DLS)和UV-Vis光谱考察该体系在不同浓度下对BPNSs分散稳定性的影响.结果表明:①4种表面活性剂在其临界胶束浓度(CMC)附近的范围内均能提高BPNSs悬浮液的分散稳定性,但在高于临界胶束浓度情况下阳离子型和非离子型表面活性剂对BPNSs有附聚效果,这一现象在阴离子型表面活性剂中并未发现.②沉淀3 h和72 h后,阴离子表面活性剂-BPNSs体系具有较高的吸收强度,且SDBS具有更好的保持性.③在NaCl电解质存在的情况下,两种阴离子型表面活性剂可以影响BPNSs的临界聚结浓度(CCC),从而使BPNSs脱聚.研究显示,两种阴离子表面活性剂对BPNSs的分散效果优于阳离子型和非离子型表面活性剂,可为构筑性能稳定的阴离子型表面活性剂-BPNSs分散体系在现实生活中的应用提供参考.

我国铜的淡水生物水质基准研究

铜是生命体必需的一种微量元素,当铜的浓度超过一定范围时,又会对机体产生一定的毒害作用。为了有效控制铜给水生生物带来的不利影响,亟需开展铜的水质基准研究工作。以我国淡水生态系统为保护对象,收集和筛选了淡水水体中的生物物种和相应的毒性数据。用评价因子法、毒性百分数排序法和物种敏感度分布法分别推导了我国铜的淡水生物水质基准。结果表明,用评价因子法得出的铜的基准值为2.00μg·L-1;用毒性百分数排序法得出的铜的基准最大浓度和基准连续浓度分别为9.10和5.63μg·L-1;用物种敏感度分布法得出的保护95%物种的铜的短期危险浓度和长期危险浓度分别为30.00和9.44μg·L-1。3种方法得到的铜的水质基准值存在一定的差异性。通过比较分析,推荐采用物种敏感度分布法作为铜的基准推导的首选方法。研究结果对我国水质基准的制定具有一定的参考价值。

锌对淡水生物的毒性特征与水质基准的研究

锌是生命体必需的一种微量元素,但当锌的浓度超过一定剂量时,又会对生物体产生一定的毒害作用。为了系统研究锌对水生生物的毒性作用,亟需开展锌的水质基准研究工作。本文用物种敏感度分布法对锌的毒性特征开展了深入研究,并按照水质基准常用的几种方法,包括评价因子法、毒性百分数排序法和物种敏感度分布法分别推导了我国锌的保护淡水水生生物的水质基准。结果表明,不同的生物对锌毒性的敏感性存在显著差异,甲壳类的敏感性最强,两栖类的敏感性最弱,敏感性排序为甲壳类>其他类>鱼类>两栖类。最终推荐采用毒性百分数排序法得出的基准值为锌的水质基准值,得出的锌的基准最大浓度和基准连续浓度分别为89.7μg·L-1和34.5μg·L-1。同时,基于物种敏感性不同,得出保护鱼类、甲壳类和其他无脊椎动物的急性生物基准值分别为298.9μg·L-1、67.3μg·L-1和76.9μg·L-1;慢性生物基准值分别为36.9μg·L-1、12.9μg·L-1和14.8μg·L-1。研究结果表明,我国目前锌的水质标准可能在一定程度上存在着对水生生物的"欠保护"问题,本研究结果能够为我国水质基准制订提供一定的数据参考。

定量微生物风险评估中的微生物溯源方法研究进展

由于粪便及其相关的病原微生物污染导致的公共卫生事件不断发生,病原微生物对人体健康的潜在风险日益受到关注。地表水体的病原微生物污染使人们意识到其带来的环境风险,因此明确水环境中病原微生物含量对于控制水媒传染病具有重要意义。微生物定量风险评估(quantitative microbial risk assessment,QMRA)作为目前较为前沿的风险评估建模方法可用于评估暴露于粪便污染地表水及相关病原微生物的健康风险。在水源病原微生物风险评估方面,特别是地表水体病原微生物领域存在数据不足,不确定性较大等缺陷,进展相对落后。微生物溯源(microbial source tracking,MST)标记基因可追溯点源或非点源的粪便污染。与依赖常规粪便指示微生物(FIB)相比,将MST标志物与QMRA结合应用可以量化MST标记基因与病原微生物之间的关系,确定地表水水体中MST标记基因水平对暴露人群的风险基准。通过量化MST标记基因与病原微生物衰变程度可进一步确定水体中MST标记基因的水平,病原微生物的命运和运输建模纳入QMRA模型参数和敏感度分析,有助于分析不同暴露途径的角色塑造。本综述对目前MST-QMRA结合的研究进行了回顾,总结目前研究现状并提出研究展望,为地表水、饮用水病原微生物的基准与标准制定及采取可行的健康干预决策提供有力支撑。

锑的环境生物地球化学循环与效应研究展望

研究表明锑与铅和汞一样,是一个可长距离输送的全球性有毒元素;但锑的研究最近才引起国际社会的关注。与其它金属如汞、铅、镉和砷等相比,国际上锑的研究开展得相对较少。为了揭示锑的全球性污染程度、循环过程及其对生态环境的影响,急需开展深入研究。概述了前人在锑的环境生物地球化学循环和效应方面的研究成果,分析了存在的科学问题,凝练了进一步研究的方向、思路和方法,并指出我国西南地区是开展这一方向研究的理想区域,及在该地区开展深入研究的重要性。

贵州红枫湖纹理沉积物中近代气温记录

本文通过红枫湖纹理沉积物柱芯碳酸盐特征剖面与流域气温资料对比、沉积纹理年代校正以及早期成岩化学过程对碳酸盐沉积记录的改造作用等方面的研究,表明湖泊碳酸盐沉积记录基本不受早期成岩作用的影响,碳酸钙含量和CaO/MgO·Al_2O_3比值可作为湖泊沉积物中具高分辨率、短时间尺度的气温变化的代用指标.

湖泊水体中硫酸盐增高的环境效应研究

通过对高原３个硫酸盐浓度差异的湖泊沉积物水界面硫的形态分布、扩散通量和碎屑有机硫通量等估算，揭示了湖泊水体硫酸盐增加以后的环境效应和自然反馈机制．研究认为：水体向沉积物内部扩散和界面硫酸盐还原作用是高硫酸盐浓度水体硫酸盐的主要清除作用，随硫酸盐浓度的增加，它在水体清除硫酸盐作用的贡献逐渐增大，而低硫酸盐含量湖泊水体生物同化吸收作用是水体硫酸盐的主要清除机制，它在硫酸盐浓度不同的水体没有差异．