中国河口沉积物抗生素及抗性基因地理格局和驱动机制

河口是抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的重要汇集区域,但对于河口环境中ARGs的地理格局和主要驱动因素了解不足.为此,本研究通过高通量定量聚合酶链反应(high-throughput quantitative polymerase chain reaction,HT-qPCR)技术研究了中国16个典型河口在干湿季节的ARGs赋存特征,并结合统计分析揭示了多种因素对ARGs的影响.结果表明,干季ARGs丰度高于湿季,且ARGs丰度随纬度升高呈增加趋势.人类活动、可移动基因元件、肠道微生物、抗生素浓度、理化性质和气候变量对ARGs的赋存有显著影响.其中,气候变量和人类活动对ARGs影响最显著.影响ARGs的最重要气候变量是温度,温度升高使得ARGs丰度降低.研究证实,人类活动和气候因素共同驱动了河口ARGs的丰度变化,可为未来气候变化和社会经济发展背景下ARGs的控制政策提供依据.

地理模拟优化系统(GeoSOS)及其在地理国情分析中的应用

第一次全国地理国情普查工作已基本完成,需要对所获取的地理国情监测数据进行空间统计分析,以得到地理国情的时空分布模式、演变规律及发展趋势,形成地理国情信息和知识。地理国情监测生成的基础数据源,可用于土地资源集约利用、城乡及城市群协调发展、生态环境保护等问题的空间智能决策分析,但目前有效的模拟分析工具还比较缺乏。笔者提出的地理模拟优化系统(GeoSOS)理论框架,耦合了地理过程模拟预测和空间优化,为上述研究提供了有利的理论支持和实用工具。为进一步方便与GIS进行无缝的链接,本文提出了基于ArcGIS插件的GeoSOS以方便进行高效的地理模拟分析。并以快速城市化地区的城市扩张与生态保护研究为例,通过在地理国情信息分析中的应用,得到了一些重要的发现。模拟结果显示,按照现在的发展趋势,广东省优化开发区域在2020年其土地开发强度将超出规定的约束指标,并发现各区域均存在大量城乡建设用地占用生态保护压力等级高和较高地块的现象,而基于土地开发强度和生态保护双重约束的城镇化扩张能够在满足约束指标的同时获得更紧凑的景观格局。表明GeoSOS及其ArcGIS插件可以成为地理国情信息分析的有利工具,并给出了今后需解决的问题和发展方向。

地理模拟优化系统(Geo SOS)在城市群开发边界识别中的应用

城镇化是一种复杂的地理时空演变过程,如何利用地理过程机制分析未来城市增长情景是实施科学空间规划的基础。针对复杂地理过程分析,我们在国际上较早提出了地理模拟优化系统( Geographical Simulation andOptimization Systems,GeoSOS)理论并构建了相应的技术解决方案。目前,统筹谋划城市、农业和生态三类空间并协调好城市开发边界与永久基本农田和生态保护红线的空间关系,是自然资源监管的核心工作内容之一。城市群作为今后我国城镇化推进过程中一种高级空间组织形式,研究和探索城市群开发边界的识别更是一项重要的规划科学命题。本文以长株潭城市群为例,阐述了GeoSOS 理论及其模型方法在城市群开发边界识别中的应用效果。研究表明,GeoSOS 是认知地理过程机制的有效理论和工具,可以为城市群开发边界识别提供重要的技术实现途径。然而针对复杂人地关系调控,今后GeoSOS 还需进一步改善,发展多尺度协同与多主题融合的精细化模型。

上海农田土壤中六溴环十二烷的赋存特征及健康风险评估

通过方差分析和风险商值(hazard quotient,HQ)法探究了上海34份农田土壤中六溴环十二烷(hexabromocyclododecane,HBCD)的空间分布特征和潜在健康风险.结果表明,所有样品中均检出了3种同系物(α-、β-和γ-HBCD),总HBCD浓度(∑HBCDs)范围为0.30~25.41 ng/g,算术均值为1.78 ng/g.各采样区∑HBCDs呈现明显的空间分异特征,其中,宝山区和嘉定区∑HBCDs的平均浓度显著高于其他行政区(p<0.05),推断HBCDs主要受工业源和道路源排放的共同影响.上海农田土壤中3种非对映异构体α-、β-和γ-HBCD占∑HBCDs的比例范围分别为2.90%~73.36%、5.23%~63.78%和6.95%~85.46%.91.2%的采样点处γ-HBCD占比低于商业产品中的比例,表明这些异构体之间存在相互转化.不同年龄人群∑HBCDs总的日暴露剂量变化范围为3.17×10^(–4)~1.57×10^(–1) ng/(kg·d),其中,婴儿暴露量最高,不同年龄人群经口摄入的日暴露剂量大于皮肤接触摄入.HQ结果表明,当前浓度水平下所有人群总摄入量基本无风险.

上海市二噁英的时空分布特征与呼吸暴露风险

针对上海这一特大城市,构建了Weather Research and Forecasting-Community Multiscale Air Quality(WRF-CMAQ)耦合模型以分析二噁英(polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans,PCDD/Fs)的大气传输过程和呼吸暴露风险.结果表明:模型模拟的PCDD/Fs浓度中有69.88%的模拟值为观测值的0.5~2倍,精度良好.2019年上海大气在冬季的PCDD/Fs污染水平最高,其次是在秋季和春季,最低是在夏季,质量浓度分别为847.08、629.53、588.38和406.96 fg/m^(3),毒性当量TEQ浓度分别为59.29、44.46、40.80和28.08 fg I-TEQ/m^(3).大气PCDD/Fs污染严重的地方为杨浦区、虹口区、黄浦区、静安区、宝山区、金山区、松江区.上海居民对PCDD/Fs的呼吸暴露量表现为幼儿>老年人>成年人的趋势,分别为10.67、8.86和8.47 fg I-TEQ/(kg·d),暴露风险均在可接受水平内.此外,本地排放源对污染的贡献远大于外地排放源,这说明上海大气中的PCDD/Fs污染主要是由本地的工业生产过程和燃烧活动造成的.

基于全二维气相色谱−飞行时间质谱技术对上海农田土壤中有机污染物的高通量筛查

为探究路边农田土壤中未知有机物赋存情况,利用全二维气相色谱−飞行时间质谱技术对上海不同道路等级路边农田土壤(n=8)中的有机物进行了非靶向定性筛查.通过空白过滤和谱库匹配(相似度大于700),在所有样品中均检出了1000多个质谱峰,其中,与谱库保留指数偏差在±2%以内的物质数有275~341种.所有采样点共同检出的有机物有66种,信噪比较高的前10种物质主要是多环芳烃类、邻苯二甲酸酯类、苯酚类、噻吩类和四氯乙烷类.费雪比值(Fisher ratio,FR)法分析揭示出具有明显道路等级差异的化合物有29种(FR为22.6~60.3),而这些化合物主要来自化工产品、生物医药和个人护理品等产品,推断其差异主要受控于邻近区域工业活动、污水灌溉和居民生活源排放的影响.元素组成分析表明,在所有采样点中有机物组成主要以CHO和CH为主,峰面积占比分别为39.9%~59.1%和30.2%~45.8%.对人为源有机物进一步地分类分析,发现烷烃、多环芳烃和邻苯二甲酸酯类是上海路边农田土壤中含量较高的3类污染物,表明汽油柴油燃烧、轮胎磨损、润滑油挥发泄漏等交通源排放对路边农田土质的影响不容忽视.总的来说,全二维技术能够准确地定性筛查出农田土壤中大量未关注的有机污染物,为今后污染管控和治理提供了科学依据.

中国沿海地区热带气旋危险性分析

基于1980—2016年的西北太平洋热带气旋尺度资料,采用2种方法分析了热带气旋灾害的危险性。第一种方法根据热带气旋的风圈半径,用GIS生成了每个气旋的影响范围,对于登陆中国沿海的227个热带气旋,用叠加法得到了其影响范围与频次。第二种方法侧重热带气旋引发的风暴潮灾害,用潮位模型估算了热带气旋登陆时的潮位数据,提出了H3指标,该指标用潮位、风速和中心气压3个因子计算潮位点的风暴潮危险性,并根据H3指标得到了海岸线的危险性综合指标。分析结果表明,福建、广东两省受热带气旋的影响最为严重。37 a间,福建省有80%的面积(约9.8万km^(2))受热带气旋影响的频次超过20次;广东省则有70%的面积(约12.6万km2)受热带气旋影响的频次超过20次。受风暴潮危害大的海岸线主要位于广东、广西、福建、浙江四省,危险性指标在30以上的有广东的湛江市、茂名市、江门市、阳江市和珠海市;广西的北海市、防城港市和钦州市;福建的福州市以及浙江的台州市和温州市。

典型场地土壤剖面中抗生素及其抗性基因的分布特征

场地土壤中存在多种环境污染物,严重威胁城市土壤和地下水安全.而深层土壤中的新型污染物研究较少,例如抗生素和抗生素抗性基因(ARGs),需要及时监测和治理.本研究选取河北邯郸明芳钢铁场地为研究区域,采集了3根4 m的土壤柱.采用超高效液相色谱-串联质谱仪检测了其中四大类(磺胺类、氟喹诺酮类、大环内酯类、四环素类)共17种抗生素的含量,运用宏基因组测序技术研究了不同深度土壤中ARGs的种类、相对丰度和贡献物种.研究结果表明,总抗生素污染浓度范围在2593.2~4279.5 ng/g之间,其中磺胺类抗生素(SAs)为166.1~1103.8 ng/g,氟喹诺酮类抗生素(FQs)为993.3~1330.4 ng/g,大环内酯类抗生素(MLs)为4.0~104.8 ng/g,四环素类抗生素(TCs)为1269.5~2077.6 ng/g,与其他区域土壤中抗生素浓度相比,污染处于中度水平.土壤剖面中,SAs在浅层土壤(0—150 cm)中占比高于深层土壤(150—400 cm).MLs在深层土壤(350—400 cm)中有较多的累积.TCs和FQs的占比在各土壤层中均较高,是检测到的主要抗生素类别.四大类抗生素对应的ARGs丰度均随土壤深度增加而减少,其中大环内酯类ARGs相对丰度最大,检出频率为0.92×10^(5)~1.44×10^(5).物种贡献度统计结果表明,放线菌门(Actinobacteria)对四大类抗生素抗性基因的丰度均具有最大的贡献.综上,本研究揭示了抗生素在场地土壤中的分布迁移特征,而ARGs在深层土壤中的污染不容忽视,可能会污染地下水,增加抗生素耐药菌的传播.

长江口及其近岸海域抗生素的时空分异特征与生态风险评估

海洋作为河流抗生素的最终归宿,其在河流到海洋迁移过程的机制和变化规律尚未得到系统研究.2023年分别于丰水期和枯水期,在长江口及其近岸海域采集表层水样,采用固相萃取技术和超高效液相色谱-串联质谱法,对水样中5类20种抗生素的含量进行测定,分析其含量水平、时空分异以及潜在的生态风险.研究结果显示,20种抗生素检出浓度范围为ND(not detected)~63.32 ng·L^(–1),自长江口近口段(平均108 ng·L^(–1))—河口段(平均50 ng·L^(–1))—口外海滨段(平均40 ng·L^(–1))—近岸海域(平均29 ng·L^(–1))呈现出从内陆到海洋的递减趋势.5类抗生素的含量水平由高到低依次为氯霉素类>大环内酯类>磺胺类>喹诺酮类>四环素类,抗生素检出种类及含量具有明显的季节差异性,枯水期大环内酯类抗生素含量显著高于丰水期,而丰水期四环素类含量显著高于枯水期.研究区水体主要受到磺胺甲恶唑、环丙沙星、金霉素、红霉素、氯霉素、氧氟沙星等抗生素的潜在威胁,其生态风险不容忽视.

城市群新污染物多介质归趋、风险及模拟研究进展

城市间的高度融合,使城市群成为全球经济发展的重要载体之一.然而,城市群快速的经济发展和产业结构演变所推动的新技术、新材料和新产品的应用,以及高强度的人类活动,导致新污染物环境排放和累积的问题日益严重.新污染物(contaminants of emerging concern,CECs)的复杂性、多样性及其在表层环境中的迁移、转化、累积与生态风险,使得其成为当前表层环境过程研究中的核心科学问题.本文系统阐述了城市群CECs多介质时空分异特征与迁移机制,归纳总结了城市群CECs源排放与贡献的国内外研究进展,综述了城市群CECs多介质归趋模型及生态健康风险评估方法,探讨了当前城市群CECs污染研究中存在的不足,并展望了今后研究中需要重点解决的科学问题.

云南白水台泉水地球化学特征及其气候环境指示意义

为研究岩溶地下水的水文地球化学演化特征,对云南白水台地区雨水和泉水中氢氧稳定同位素(δD、δ^(18)O)组成和微量元素含量进行了为期近5年(2018年1月至2022年10月)以月为频率的连续监测。结果表明:(1)白水台雨水中δD、δ^(18)O具有明显的季节性变化特征,均表现为雨季偏轻,旱季偏重,主要受到水汽来源与蒸发条件的影响;(2)白水台泉水受当地大气降水补给,其δD、δ^(18)O经历了石灰岩基层中不同通道、裂隙网络中的新、老水混合导致的同位素调蓄平滑作用以及与深部来源CO_(2)的氧同位素交换作用,修正性继承了雨水中δD、δ^(18)O的部分特征;(3)泉水中Ca、Mg、Sr、Ba、Si等元素主要来源于喀斯特水体侵蚀下围岩的溶解,其含量变化可能指示了降水量的变化;而Fe、Al、Mn等元素主要来源于大气降水对上覆土壤的淋滤作用,其浓度变化可能反映了降水强度的变化。

复杂环境基质中全氟化合物检测方法的优化及应用

利用固相萃取联合超高效液相色谱串联质谱仪技术优化了全氟化合物(perfluoroalkyl substances,PFASs)仪器检测方法和复杂环境样品前处理方法,得到了一套环境多介质中41种全氟化合物的同步提取及检测方法.在仪器优化方面,通过单个标准品手动调谐确定了目标物最优化的离子对质荷比和质谱参数,确定了2 mmol/L乙酸铵溶液和甲醇组合作为最优色谱流动相.在样品萃取和净化方面,发现固体样品在30℃水浴下超声萃取10 min比加速溶剂萃取的回收率更高且用时更短;使用平行定量浓缩仪进行氮吹浓缩目标物平均回收率高达104.3%,且比传统水浴氮吹仪节省约50%的时间;分别使用2 mmol/L乙酸铵溶液(pH=3)和1 mL 0.5%氨水甲醇溶液进行固相萃取柱淋洗和洗脱时,样品平均回收率可达108.2%和105.5%.利用优化后的方法对实际样品(土壤、沉积物和水体)进行检测,方法检出限为0.01~0.34 ng,基质加标回收率为67.9%~174.9%,平行样相对标准偏差为0.03%~28.10%.总体来讲,优化后的样品前处理方法比以往方法更省时省溶剂,且灵敏度和回收率都较好,为环境样品的大批量检测提供了技术依据.

多功能区道路灰尘中有机磷酸酯分布累积特征

分析了20余种有机磷酸酯(organophosphate esters,OPEs)同系物在杭州市城镇、耕地和林地道路灰尘中的浓度水平及空间分布特征.其中,磷酸三(1-氯-2-丙基)酯是丰度最高的单体,多种OPEs在不同功能区样品中的残留量呈现出显著区域性差异,且峰值多检测于人口密度较大和距离主干道较近的地区,印证了人为活动和交通排放是驱动其空间分布的重要因素.基于所获道路灰尘浓度数据,估算了当地人群经灰尘咽入和皮肤吸收而引发的OPEs暴露速率,推演结果表明所涉健康风险较低.

长江口有机磷酸酯环境多介质传输分配行为

揭示了有机磷酸酯(organophosphate esters,OPEs)在长江口表层水、底部水和沉积物中的多介质赋存特征、空间分布与垂向传输规律以及典型水环境相间分配行为,并探讨了关键影响因素及环境意义.OPEs已广泛分布于长江口环境中,水样中峰值主要分布在人类活动强度高的区域,同时,河口水文特征也提升了入海口样本中的OPEs含量.基于风险商推断出的中、高生态风险主要由磷酸三(2-乙基己基)酯和双酚A双二苯基磷酸酯导致.每年经长江口径流和泥沙向东海汇入的OPEs总量分别约为150 t和290 kg,已与诸多主流污染物的通量相当甚至更高.结果展现了OPEs在我国城市河口环境中的高残留量以及对于生态系统的潜在风险.

合肥市土壤中卤代阻燃剂的赋存特征及风险评估

在合肥市不同区域采集了31个土壤样品,利用气相色谱−质谱仪测定土壤中卤代阻燃剂的含量,并对其组成特征、空间分布、来源进行解析.研究结果显示,合肥市表层土壤中总的多溴联苯醚(polybrominated diphenyl ethers,Σ_(23)PBDEs)、替代型溴代阻燃剂(alternative brominated flame retardants,Σ_(22)ABFRs)和得克隆及其类似物(dechloranes,Σ_(11)DECs)浓度均值分别为(6.490±13.221)、(26.375±101.928)和(0.815±0.760)ng/g.十溴二苯乙烷(DBDPE)是替代型溴代阻燃剂中最主要的同系物,占比高达84.4%.空间分布上,卤代阻燃剂浓度的高值多位于城市开发区、高新区等制造业集中地.源解析表明,其主要来源为商业多溴联苯醚,其次来源于阻燃剂的生产、运输及其环境降解过程.基于危险指数法估算的非致癌风险评价结果表明,研究区内目标物的非致癌风险指数均小于1,在可接受范围内,无非致癌风险.

理解寒区气候变化及陆气交互作用:简述张廷军教授的学术贡献

张廷军教授曾任气候与冰冻圈计划(CliC)科学指导委员会委员、政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次和第五次评估报告第一工作组报告执笔人(lead author),曾在中国气象局成都高原气象研究所等单位任/兼职,也曾担任《Advances in Climate Change Research》编委。早在20世纪80年代,张廷军教授赴美求学,师从著名冻土学家、阿拉斯加大学费尔班克斯分校(University of Alaska Fairbanks,UAF)多年冻土实验室(GIPL)创始人Tom E.Osterkamp教授。从硕士阶段就开始在阿拉斯加北极地区开展相关研究,气候变化一直是他关注的重要问题。

北京冬季重污染过程大气细颗粒物化学组成特征及来源分析

为研究北京冬季重污染过程细颗粒物(PM_(2.5))的化学组成特征和来源贡献,利用大流量颗粒物采样器于2014年1月8日—19日对PM_(2.5)样品进行了为期12 d的采集,每4 h更换1次滤膜.采集的样品分别利用GC-MS、IC、ICP-MS、EC/OC仪测定了其中的有机组分、水溶性离子、金属元素和EC、OC等成分.结果表明,北京冬季PM_(2.5)维持在较高的水平,清洁天和霾天PM_(2.5)的平均浓度分别为86.0μg·m^(-3)和200.4μg·m^(-3),其中水溶性离子和有机物是主要组成,随着污染的发生,水溶性离子的占比由清洁天的35.6%快速上升至霾天的52%,而有机物的占比由清洁天的34.0%下降至霾天的17.4%.在所测定的有机组成中,糖类和一元脂肪酸是浓度最高的组成,其次为正构烷烃和多环芳烃,二元脂肪酸浓度最低,除二元脂肪酸外,其他检测的有机物均为霾天高于清洁天,表明霾天有更多的一次有机物的排放,根据PMF受体模型分析结果表明,霾天中二次来源是北京冬季PM_(2.5)的主要来源.

长江流域降水中氢氧同位素特征及水汽来源

利用全球降水同位素观测网(GNIP)所提供的数据,研究了位于长江流域的南京、武汉、成都、昆明4个站点大气降水δ^(18)O及其相关要素的时空分布特征。对长江流域4站点大气降水中的δ^(18)O与气温、降水量、在不同时间尺度下的相关关系进行了分析与研究,提出长江流域的大气降水线方程并与全球及我国大气降水线相比较。结果表明,4站点δ^(18)O与δD年平均值波动较小,而多年月平均值波动较大,其中昆明波动最大。季节尺度下,长江流域大气降水中δ^(18)O在干季具有显著的温度效应,在湿季具有降水量效应;年尺度下,长江流域具有降水量效应。与全球大气降水线相比,长江流域大气降水线的斜率与截距都要偏小,尤其是截距偏低很多。利用HYSPLIT模型对南京与昆明站点1991年夏季水汽路径进行聚类分析,其分析结果与大气降水线及氘盈余分析结果一致,即站点存在不同水汽来源。

长江三角洲第一硬质黏土层粒度多元统计分析及沉积环境判别

长江三角洲第一硬质黏土层成因是长期争论的问题。对上海市青浦区第一硬质黏土层全样粒度多元统计分析,并与南京周家山下蜀黄土、长江悬浮颗粒物对比,探索长江三角洲第一硬质黏土层成因。第一硬质黏土层机械颗粒组成均一,频率曲线呈正偏态、中等或尖锐峰形的双峰分布,频率累积曲线呈"S"型分布,具有风成沉积特性。粒度特征分析为沉积环境判别提供沉积学证据时,综合运用多元统计分析可以使分析结果更准确。聚类分析将硬黏土与典型风成沉积物下蜀黄土粒度分布归为一类,长江悬浮颗粒物单独为一类,表明硬黏土与下蜀黄土成因一致。下蜀黄土与长江悬浮颗粒物粒度参数判别函数,将绝大部分硬黏土样品判定为风成沉积。粒级—标准偏差曲线结合现代风场,显示硬黏土粒度特征存在高空西风和低空西北季风两个主控因子。表明长江三角洲第一硬质黏土层是由西风和西北季风控制的风成成因堆积物。

城市化对土壤微生物群落结构的影响

随着城镇化的推进,中原农业区大量的农业用地转变为城市用地,受城市化过程中人为活动的强烈影响,与城市化有关的土壤质量问题日益突出。而土壤质量与土壤微生物密切相关,后者对环境变化比较敏感,它能够较早地指示生态系统功能的变化,并反映出土壤的质量和健康状况。因此,研究土地利用方式的变化对土壤微生物的影响是评价土壤环境质量的重要指标。以"中部崛起"六省中城镇化率增长最快的地区之———河南省商丘市为例,采用以空间梯度代替时间顺序的方法,以城市建成区、城市外围的郊区及农田为研究对象,分别测定不同城市化水平下土壤微生物的数量和组成,研究土壤由农业用地转变为城市用地过程中,土壤微生物群落结构的变化。以城市中心为起点,分别在东、南、西、北四个方向上取样,在同一方向上沿城区—郊区—农田梯度上进行取样。采用平板涂抹计数法测定土壤中细菌、真菌、放线菌的数量。结果表明,农田、郊区和城市土壤微生物总数分别为14.68×106 cfu·g-1、8.19×106 cfu·g-1和10.99×106 cfu·g-1,即城市化使土壤中微生物总数量减少;同时,土壤微生物的组成和比例结构也发生变化,其中,城市建成区土壤中细菌和真菌所占微生物总数的比例高于郊区和农村,而放线菌在农村占的比例高于城市建成区和郊区。城市建成区不同用地类型下土壤微生物总数的变化趋势为公园>校园>居住区>道路,其中,细菌占微生物总数的比例在公园土壤中最大,而放线菌和真菌则相反,二者占微生物总数的比例在道路土壤中最大,在公园土壤中比例最小。土壤微生物数量和组成的这些变化反映出土地由农业用地转变为城市用地过程中,土壤质量和健康状况及生态系统功能的变化,可以为评价土壤环境质量及土壤管理提供参考依据。