Vegetation and carbon sequestration and their relation to water resources in an inland river basin of Northwest China

In the Heihe River Basin in the arid inland area of northwest China, the distribution of water resources in vegetation landscape zones controls the ecosystems. The carbon sequestration capacity of vegetation is analyzed in relation to water resources and vegetation growing conditions. During the last 20 years, the vegetation ecosystems have degenerated in the Heihe River Basin. Simulation using the C-FIX model indicates that, at present, the total amount of NPP of vegetation accounts for about 18.16 TgC, and the average value is 106 gC/m(2)/yr over the whole basin. NPP has generally the highest value in the upperstream mountain area, middlestream artificial oases area, downstream river bank area, alluvial fan and the terminal lake depression where vegetation grows relatively well. The lowest value is found in the vast downstream desert and Gobi area. Protection of vegetation ecosystems and enhancement of carbon sequestration require such inland river basins as the Heihe River Basin to be brought under management in a comprehensive way, taking water as a key, to carry out a rational and efficient allocation and utilization of water resources.     

Water Hyacinth in China: A Sustainability Science-Based Management Framework

The invasion of water hyacinth (Eichhornia crassipes) has resulted in enormous ecological and economic consequences worldwide. Although the spread of this weed in Africa, Australia, and North America has been well documented, its invasion in China is yet to be fully documented. Here we report that since its introduction about seven decades ago, water hyacinth has infested many water bodies across almost half of China’s territory, causing a decline of native biodiversity, alteration of ecosystem services, deterioration of aquatic environments, and spread of diseases affecting human health. Water hyacinth infestations have also led to enormous economic losses in China by impeding water flows, paralyzing navigation, and damaging irrigation and hydroelectricity facilities. To effectively control the rampage of water hyacinth in China, we propose a sustainability science-based management framework that explicitly incorporates principles from landscape ecology and Integrated Pest Management. This framework emphasizes multiple-scale long-term monitoring and research, integration among different control techniques, combination of control with utilization, and landscape-level adaptive management. Sustainability science represents a new, transdisciplinary paradigm that integrates scientific research, technological innovation, and socioeconomic development of particular regions. Our proposed management framework is aimed to broaden the currently dominant biological control-centered view in China and to illustrate how sustainability science can be used to guide the research and management of water hyacinth.     

基于生态效益的武汉城市圈土地利用结构优化

满足生态安全的土地利用结构优化是协调社会经济发展与生态环境间矛盾、实现土地持续利用的有效途径。以武汉城市圈为研究区,基于2002～2009年土地利用变更调查汇总数据,引入土壤有机碳储量和土地利用绿当量两个生态指标,评价了城市圈发展不同阶段土地利用结构的生态效益;并通过TOPSIS模型对历年土地利用结构生态合理度进行了评价。在此基础上,以经济效益和生态效益的最大化为目标,构建了2020年多目标优化模型,获得了符合城市圈发展需求的土地利用结构优化方案,呈现“四增三减三稳定”的数量格局,且生态效益指标和生态合理度均呈正向的发展趋势;进而提出了土地资源可持续利用的建议。研究结果对武汉城市圈土地利用总体规划修编、土地利用调控方案的优化以及土地可持续利用具有重要指导意义     

基于“人工智能”驱动的农村生活污水系统治理专栏序言

伴随流域水污染控制与治理工作的深入,农村分散生活污水治理逐渐成为制约流域水环境改善的关键.同时,农村生活污水治理是人居环境提升、美丽乡村建设以及乡村振兴战略实施的集中体现,事关广大农村居民的切身利益.本专栏是国家水专项“分散污水治理课题”团队近年来科研成果的总结,从污水治理的全生命周期角度出发,尝试通过人工智能赋能治理模式决策、“菜单式”工艺组合、设施运维与监管、长效管理等4个方面对研究和实践进行了梳理总结,构建基于人工智能驱动的农村生活污水治理决策支持系统,以期为北运河流域以及其他区域农村生活污水治理提供科技支撑.     

电活性生物膜阳极构建及其对2，4，6-三氯酚同步降解和产电

为实现氯酚（CPs）的高效降解和资源化利用,探究微生物燃料电池（MFC）体系优势功能菌,揭示生物降解路径.接种、驯化长春市南郊污水处理厂的厌氧活性污泥,获得生物膜阳极以构筑MFC-2,4,6-TCP体系,基于扫描电子电镜（SEM）、16S rRNA分析测序方法,考察生物膜阳极微生物的附着情况和优势菌种,基于电化学阻抗（EIS）、循环伏安（CV）和线性扫描伏安（LSV）等电化学分析手段,表征生物阳极的电化学性能和氧化还原能力.结果表明,生物膜阳极微生物种类丰富,其中Geobacter和Acinetobacter分别为MFC-2,4,6-TCP体系产电和降解驯化期的优势功能菌,体系最大输出电压可达0.55 V,最大功率密度为428.65 mW·m-2,对2,4,6-TCP的降解和矿化率可达97.5%和85.4%.随着MFC循环次数的增加,微生物代谢途径多样化,产电菌逐渐演替为协同菌,且优势功能菌对2,4,6-TCP降解的中间产物（环己醇）,其毒性远低于氯酚或苯酚,更利于被微生物利用.该结果可为氯酚废水的实际处理提供新策略和技术参考.     

2021年3月14—16日中国北方地区沙尘暴天气过程诊断及沙尘污染输送分析

2021年3月14—16日发生在北方地区的沙尘暴天气过程被认为是近10年来我国出现的最强过程.本文在对此次沙尘暴过程天气学特征分析的基础上,利用 HYSPLIT 模式和 GDAS 资料,运用潜在源贡献因子分析法（PSCF）和浓度权重轨迹分析法（CWT）,探讨了气候变化背景下沙尘输送源与天气系统的配置关系及本次过程中沙尘污染物PM₁₀质量浓度的潜在源区分布及贡献.结果表明,此次过程由强烈发展的蒙古气旋及冷锋过境,高空槽后冷空气持续补充引起,中高层强斜压性使地面蒙古气旋强烈发展,大风卷扬起的沙尘随上升气流输送到高空,并在偏北大风引导下,影响了我国大范围地区.内蒙古东北部至河套地区的强涡度梯度带、500、700 hPa较高的强冷平流中心与下层的温度平流差异以及交替的上升下沉运动为本次北方地区大范围沙尘暴过程提供了动力、热力及不稳定度条件.本次沙尘天气过程中,影响呼和浩特、北京的沙尘传输通道主要为北偏东路,影响银川的沙尘传输通道为西北路和北路,过程受多沙源传输通道影响.萨彦岭、蒙古国南部戈壁沙漠为本次沙尘天气PM₁₀的主要潜在源区,传输过程中混合内蒙古沙源地沙尘.总体来说,蒙古国南部戈壁沙漠对本次过程PM₁₀质量浓度的贡献最大.     

青岛市港口区域PM2.5污染特征及来源解析研究

港口区域因大气污染物排放量大且污染源复杂,已成为沿海城市大气污染防治的关键区域.为明确青岛港口区域PM_2.5污染特征及主要贡献源类,于2019年在青岛市3个港口区域和1个背景点位采集了不同季节的环境PM_2.5样品,并分析了其化学组分特征;同时,采用正定矩阵因子分析模型（PMF）和潜在源贡献函数（PSCF）分别分析了港口区域PM_2.5的主要贡献源类及各源类潜在的影响区域.结果表明,2019年青岛港口区域ρ（PM_2.5）年均值为64 μg·m^-3,是我国空气质量二级标准的1.8倍,其中,董家口点位最高（74 μg·m^-3）,崂山点位最低（55 μg·m^-3）. NO₃^-、OC和SO₄^2-是PM_2.5的主导组分,其中,NO₃^-含量（13.1%）明显高于其它组分.董家口点位ρ（NO₃^-）、ρ（SO₄^2-）、ρ（OC）和ρ（EC）（分别为13.0、7.09、8.98和2.91 μg·m^-3）明显高于其它点位,燃煤、工业特别是钢铁企业及货车等影响可能较为明显.同时,冬季这些组分浓度也显著高于其它 季节,而夏季Na的浓度（0.96 μg·m^-3）和占比（2.13%）明显较高;春季Si和Al的浓度（1.27和0.45 μg·m^-3）和占比（2.79%和1.00%）明显高于其它季节.PMF源解析结果表明,二次硫酸盐和二次有机碳气溶胶（SOA）混合源（22.4%）及二次硝酸盐（20.1%）是港口区域PM_2.5的主要贡献源类,其次为机动车源（16.7%）和扬尘源（14.6%）,燃煤源的贡献率为13.8%,而海盐和船舶源的贡献为7.2%.从季节变化来看,春季扬尘贡献（32.1%）较高,夏季二次硫酸盐和二次有机碳气溶胶（SOA）混合源（31.6%）、海盐和船舶源（19.2%）贡献较高,而冬季燃煤（16.6%）、机动车（22.8%）、二次硝酸盐（23.9%）、钢铁及相关冶金源（3.2%）和建筑水泥尘（3.6%）贡献较高.河北省中南部及山东省中西部地区是青岛港口各 源类的主要潜在源区,黄海是船舶排放的主要潜在源区.     

生物酶对初沉污泥厌氧发酵产短链脂肪酸的调控研究

旨在通过生物酶调节(碱性蛋白酶、中性蛋白酶和α-淀粉酶)提高初沉污泥的厌氧发酵效率,并通过微生物群落结构解析,SCFAs (short-chain fatty acids,SCFAs)组分分析等揭示其调控机理.结果表明,3种生物酶均可增强初沉污泥水解和产酸作用,碱性蛋白酶调控系统对初沉污泥厌氧发酵的促进效果最为明显,发酵第4d SCFAs的产量和产率分别达到1508mg COD/L和0.174g COD/g VSS.对比控制组,SCFAs的产量和产率分别增加了1129mg COD/L和0.13g COD/g VSS.微生物群落结构分析表明,在碱性蛋白酶调控发酵系统中,Lentimicrobium、Proteiniphilum和Bacteroides等发酵相关菌群的相对丰度得到了改善,Methanosaeta、Methanospirillum等产甲烷古菌的活性受到了抑制.同时,生物酶调控对促进发酵过程乙酸占比也有促进作用.     

基于贝叶斯的苯并(α)芘PBPK模型优化与健康风险评估应用

应用基于生理的药代动力学(PBPK)模型预测苯并(α)芘(BaP)暴露的人体内部剂量,基于贝叶斯的马尔科夫链蒙特卡洛模拟(MCMC)方法对模型参数进行校准和优化,最后运用已优化的模型对BaP内暴露基准值进行推导.研究发现,基于贝叶斯的MCMC方法对模型后验参数校准后,模型精度明显提高,两个数据集验证结果显示残差平方和分别降低了72%和94%.PBPK模型以BaP和子代谢物3-羟基苯并(α)芘(3-OHBaP)的体内动力学过程为结构基础,模拟BaP体内浓度分布大小为脂肪>肾脏>皮肤>缓慢灌注组织>快速灌注组织>静脉血>肝脏;3-OHBaP体内浓度分布大小为肾脏>快速灌注组织>脂肪>肺>静脉血>缓慢灌注组织>肝脏>皮肤.敏感性分析显示,快速灌注组织-血分配系数对模型输出影响最大,灵敏度系数超过了200%;排泄系数影响最小,只有肾小球过滤率K_BR的灵敏度系数超过了1%.以美国国家环境保护局推荐的参考浓度2.0×10^-6mg/m³为外暴露安全基准值,基于PBPK模型推导了职业暴露的BaP生物监测当量(BE),结果显示BE值为0.405pmol/mol肌酐(尿液3-OHBaP平均浓度),为基于人体内暴露剂量水平进行定量健康风险评估奠定了基础.     

基于可疑筛查技术研究有机磷阻燃剂V6转化规律

运用Orbitrap高分辨质谱仪,评估了人体肝微粒体(HLM)代谢V6的转化规律.除5种已被报道过的O-脱烷基、氧化性去磷酸化和氧化脱氯产物外,首次发现了6种新型产物.基于其MS/MS质谱图,该6种代谢产物被鉴定为醛基和羧基产物.其中,5种代谢物生成量随孵育时间呈线性增加趋势,具有累积性.此外,推导的代谢途径表明,脱烷基化和羟基化代谢物进一步转化为次级代谢物,即醛和羧基代谢物.