Ecological network analysis of an urban energy metabolic system: Model development, and a case study of four Chinese cities

Urban metabolism research faces difficulties defining ecological trophic levels and analyzing relationships among the metabolic system's energy components. Here, we propose a new way to perform such research. By integrating throughflow analysis with ecological network utility analysis, we used network flows to analyze the metabolic system's network structure and the ecological relationships within the system. We developed an ecological network model for the system, and used four Chinese cities as examples of how this approach provides insights into the flows within the system at both high and low levels of detail. Using the weight distribution in the network flow matrix, we determined the structure of the urban energy metabolic system and the trophic levels; using the sign distribution in the network utility matrix, we determined the relationships between each pair of the system's compartments and their degrees of mutualism. The model uses compartments based on 17 sectors (energy exploitation; coal-fired power; heat supply; washed coal; coking; oil refinery; gas generation; coal products; agricultural; industrial; construction; communication, storage, and postal service; wholesale, retail, accommodation, and catering; household; other consuming; recovery; and energy stocks). Analyzing the structure and functioning of the urban energy metabolic system revealed ways to optimize its structure by adjusting the relationships among compartments, thereby demonstrating how ecological network analysis can be used in future urban system research.     

镉胁迫对龙葵幼苗氮代谢及其相关酶活性的影响

采用营养液培养方法,研究了系列镉浓度处理对龙葵（Solanum nigrumL）幼苗氮代谢的影响。结果表明：龙葵根系可溶性蛋白质较叶片受Cd影响更大。龙葵植株叶片和根系NO3--N含量、硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性均随镉浓度提高而先增后降,且随处理时间的延长而逐渐下降。叶片NO3--N含量和NR活性均在25μm镉处理8d后达到峰值,而根系NO3--N则在50μm镉处理8d后最高。叶片NO3--N含量受镉处理影响较根系稍大。然而,龙葵叶片中NH4＋-N含量随镉浓度升高和时间延长逐渐升高,100μm镉处理16d后最高,表明镉胁迫下龙葵叶片铵态氮富集效应明显。龙葵叶片和根系中谷氨酸脱氢酶（GDH）活性随镉处理浓度提高和处理时间延长而逐渐升高,100μm镉处理16d后达到峰值。     

铝胁迫下不同耐铝小麦品种活性氧代谢差异及与小麦耐铝性的关系

逆境条件下植物体内产生并累积活性氧从而破坏植物组织结构与功能,同时植物也可以通过改变活性氧代谢相关酶活性清除活性氧而减轻活性氧伤害以适应环境胁迫。为研究铝胁迫下不同耐铝小麦品种(Triticum aestivum L.)在活性氧代谢上的差异及与小麦耐铝性的关系,本试验选用小麦品种ET8(耐铝型)、ES8(铝敏感型)为试验材料研究了不同耐铝小麦品种活性氧代谢变化上的差异。结果表明,50μmol·L-1铝处理24h,ET8和ES8活性氧含量显著升高,O2·ˉ产生速率增幅分别为10.5%和20.4%,H2O2含量增幅分别为3.3%和7.6%。ET8和ES8超氧化物歧化酶(SOD)活性增幅分别为11.9%和41.6%,过氧化物酶(POD)活性增幅为51.8%和77.8%,抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性增幅为54.4%和29.1%,过氧化氢酶(CAT)活性增幅为32.9%和38.4%,谷胱甘肽还原酶(GR)活性增幅为83.1%和85.5%。虽然抗氧化酶活性增加后会清除一部分活性氧,但活性氧的累积仍然造成了膜脂的过氧化,ET8和ES8丙二醛(MDA)含量分别增加18.2%和50.0%,质膜透性也随着MDA含量的升高而增加,增幅分别为1.25倍和1.36倍。综上所述,不同耐铝品种间活性氧代谢的差异是小麦品种耐铝性差异显著的原因之一。     

油田土壤微生物群落碳代谢与理化因子关系研究

基于对我国主要油田区的土壤理化性质等场地信息调查,应用Biolog和统计学方法分析理化因子与土壤微生物群落碳代谢特性的关系,揭示了不同区域油田土壤理化因子对微生物群落代谢的综合影响作用.结果表明:油田区土壤理化特性呈现地理性分布特性;总氮、总磷、速效磷、有效态铜、锌等环境因子与微生物群落的多样性正相关;可溶盐含量、pH值、总氮、总有机碳等对样点间微生物群落碳代谢的差异性贡献最大.对各油田碳代谢影响因子比较表明,不同区域的油田区土壤中影响微生物群落代谢特性的主要因子各不相同,同一理化因子在不同油田区对微生物群落碳代谢的影响程度不同.这种代谢特性与理化因子关系的区域性差异可能是土壤物化性质地理性分布以及微生物群落结构区域性差异共同作用的结果.     

亚硝酸盐和氨对日本沼虾肝胰腺代谢的影响

通过气质联用仪和液质联用仪的非靶向检测,结合主成分分析(PCA)和正交偏最小二乘法-判别分析(OPLS-DA)等方法,对日本沼虾肝胰腺进行代谢物分析,以研究在非致死剂量的亚硝酸盐或氨胁迫下,日本沼虾肝胰腺新陈代谢的变化。经亚硝酸盐(0.5 mg·L~(-1),以N计)胁迫2 d后,鉴定到具有显著差异的代谢化合物46个,涉及氨基酸代谢、脂肪酸代谢和甘油磷脂代谢等; p H=9.0时,氨(1.0 mg·L~(-1),以N计,即非离子氨氮为0.378 mg·L~(-1))胁迫后,鉴定出显著差异性代谢化合物52个,涉及三羧酸循环、氨基酸代谢和甘油磷脂等代谢通路。选择p H=9.0氨(1.0 mg·L~(-1))胁迫组对日本沼虾肝胰腺中的三羧酸循环进行定量验证实验,结果显示,日本沼虾肝胰腺中草酰乙酸含量与对照组相比在12 h显著升高,24 h和48 h后则与对照组无显著差异。α-酮戊二酸含量与对照组相比在12 h即有显著增加,24 h含量与对照组相比显著下降,48 h后与对照组相比无明显差异。推测p H=9.0时氨氮(1.0 mg·L~(-1))胁迫12 h即会对三羧酸循环产生影响。     

2,3,7,8-TCDD的短期暴露对HepG2肝癌细胞内小分子代谢产物的影响

为了研究二恶英对细胞的代谢毒性,探究其肝毒性的作用机制,以二恶英中毒性最强的2,3,7,8-四氯代二苯并-对-二恶英(TCDD)为代表污染物,以HepG2肝癌细胞为受试对象,采用四甲基偶氮唑蓝(MTT)法和高效液相色谱/串联质谱法考察了TC-DD的24h暴露对HepG2细胞的增殖活性以及细胞的葡萄糖、氨基酸、尿素和甘油等小分子代谢物的影响。结果显示,短暂的TCDD暴露对HepG2细胞的增殖活性无显著影响。24h的TCDD暴露对细胞的葡萄糖消耗量无显著影响,但当TCDD浓度增至1nmol·L-1时,葡萄糖的消耗量表现出一定的降低趋势。0.01nmol·L-1TCDD就会使细胞脯氨酸和谷氨酸的合成能力下降,且谷氨酸的变化表现出明显的剂量-效应关系;TCDD可刺激细胞对缬氨酸、苏氨酸、酪氨酸、甲硫氨酸以及亮氨酸与异亮氨酸的吸收,并具有明显的浓度依赖性。随着TCDD浓度的增加,甘油和尿素产生量的降低趋势逐渐明显,1nmol·L-1TCDD处理24h后,甘油和尿素的产生量仅为对照组的1%和18%。研究表明,TCDD在短时间内使HepG2细胞内的一系列小分子代谢产物发生了不同程度的改变,且呈现出一定的剂量-效应关系。可见,TCDD可通过干扰HepG2肝癌细胞的代谢过程产生毒性。     

苏云金芽胞杆菌YBT-1520中SigL及其增强子结合蛋白的结构与功能分析

为揭示SigL及其增强子结合蛋白(EBPs)在苏云金芽胞杆菌(Bt)中的调控功能,在全基因组测序的基础上,采用生物信息学方法,对YBT-1520菌株的SigL及其EBPs的结构和功能进行深入分析.结果表明,YBT-1520基因组中存在1个SigL和6个EBPs,而且EBPs在结构上具有丰富的多样性,包含了EBPs的所有可能的结构域组织类型.SigL所调控的基因涉及11个假定的COG代谢途径,其中包括能量代谢、氨基酸代谢、翻译与细胞周期等.根据EBPs在基因组的位置推测,YBT-1520的EBPs参与γ-氨基丁酸代谢途径、精氨酸代谢途径、支链脂肪酸降解途径、多糖分解代谢等代谢途径的调控.本研究将为揭示Bt杀虫晶体蛋白大量表达的调控机制提供新的思路.     

一株非发酵反硝化聚磷菌的筛选及其代谢模式研究

利用活性污泥与生物膜复合系统富集反硝化聚磷菌(DPB)并进行了功能菌的筛选及反硝化聚磷实验,考察了乙酸、PO43--P和NO3--N、PHB和糖原的变化,分析了厌氧和缺氧代谢模式以及PHB在此过程中所起的作用.结果表明,分离到的YB菌株与脱氮副球菌属最相似,是一类非发酵的反硝化聚磷菌.厌氧阶段,YB菌株合成1mg的PHB释放0.11mg的P,作为非发酵菌,合成PHB所需要的能量ATP大部分来自聚磷酸盐的释放.缺氧阶段,YB菌株分解1mg的PHB聚集0.15mg的P,PHB分解产生的ATP多用于聚磷过程;与以前报道的聚磷菌在厌氧和缺氧条件下的代谢模式不同.厌氧阶段聚磷酸盐的释放将影响PHB的合成,进一步影响反硝化聚磷效果,因此认为应重点跟踪△P/△PHB和△NO3--N /△PHB,而不是△P/△COD、△NO3--N /△COD或者△P/△NO3--N.     

城市物质能量代谢相关研究述评——兼论资源代谢的内涵与研究方法

物质能量代谢分析已成为城市生态系统研究的一个重要视角与工具。论文在对当前各种代谢概念与方法进行系统梳理和分析的基础上,借鉴资源科学相关研究的最新成果,重新整合城市代谢相关的研究内容和分析边界,将物质能量代谢概念拓展为资源代谢的概念,试图涵盖物质性资源和非物质性资源、能量性和非能量性资源,并引入资源来解决城市资源代谢的生态统一核算问题,实现资源稀缺性和有用性的有效度量。此外,引入资源流过程分析特别是网络分析的方法,可打破传统代谢研究"灰箱"分析的局限,实现资源流在系统内部流动的代谢路径跟踪,实现城市生态系统结构化与网络化的深度分析,从而完善城市代谢研究的理论与方法体系。     

15N Metabolic test for the determination of phytotoxic effects of chemicals and contaminated environmental samples

A stable isotope¹⁵N-nitrogen test (ESIMA = Ecotoxicological Stable Isotope Metabolic Assay) was developed to assess biological effects and the potential toxicological hazard of chemicals and contaminated environmental samples on plant metabolism. The assay measures the effect of toxicants on the incorporation of a¹⁵N labelled tracer into the total nitrogen fraction (both the nonprotein and protein fraction) of plants. Segments ofPisum arvense epicotyls are used as test substrates because of their high metabolic activity. The plant material is incubated under standardised conditions for two hours; subsequently¹⁵N incorporation is analysed by determining the¹⁵N abundance (¹⁵N atom-%) in the epicotyl segments. The effects of toxicants are evaluated by comparing the¹⁵N incorporation rates of control tissue and epicotyl segments exposed to individual chemicals or complex environmental samples. The specificity and sensitivity of effects as indicated by ESIMA were compared with effects as measured by two established ecotoxicological bioassays, the pollen tube growth test using pollen ofNicotiana sylvestris and the bacterial luminescence inhibition test using pollen ofPhotobacterium phosphoreum. The results of the study clearly indicate the suitability of ESIMA for assessing toxic impacts on plant nitrogen metabolism. Prof. Dr. habil. Hans Faust dedicated to his 70^th birthday.