科普|2018重点热点前沿解读之生态与环境科学

      生态与环境科学的Top10热点前沿主要分布在生态科学与环境科学两个子领域：

      生态学子领域的研究前沿主要是关于生物多样性研究及其监测的“环境DNA 宏条形码技术监测生物多样性”和“用于物种多样性研究的系统发育方法”，关于生态系统相互作用和功能的“外来物种入侵的影响与管控”和“森林外生菌根真菌在森林土壤碳循环中的作用”，以及关于生态环境监测的“土壤水分和陆地蒸散的遥感监测”等前沿。

      环境科学子领域的研究前沿主要是关于污染物的消除与控制技术，包括“氧化石墨烯清除水体放射性核素”、“利用过渡金属与纳米技术催化活化过硫酸盐降解水中污染物”、“电子废弃物中的金属回收技术”，用于海水脱盐的“电容去离子技术脱除水中盐分”，以及新型污染物“抗生素抗性基因的来源与环境归趋”等前沿。

      Top10热点

  

      1.重点热点前沿——“利用过渡金属与纳米技术催化活化过硫酸盐降解水中污染物”

       过硫酸盐高级氧化技术是一种具有良好发展前景的新型水体污染物处理技术。过硫酸盐溶于水会生成过硫酸根离子，在光、超声、微波、过渡金属、碱等作用下能活化生成强氧化性的硫酸根自由基，使难降解的目标污染物部分或完全矿化。相对于传统的高级氧化法而言，过硫酸盐具有更稳定、产生的自由基半衰期更长、选择性更好的优点。在处理废水中难降解的有机污染物时见效快、周期短、无二次污染，主要应用于水体修复和废水处理。

       目前，过硫酸根离子活化剂的研究热点主要是零价铁、过渡金属离子等金属基催化剂和氧化石墨烯等非金属基催化剂。利用这类活化剂无需外加热源和光源，反应条件温和，能耗较低，操作简单，经济且高效。同时，利用纳米技术的纳米催化剂因其表面积大、表面催化活性强等优点也被广泛用于提高污染物的反应和降解速度。纳米技术与新型过硫酸根离子活化技术相结合，能有效提高水体污染物处理效率、降低能耗、易于回收、操作简便，优于传统水体污染物处理技术。

       统计分析核心论文产出的国家/ 地区和机构，50 篇核心论文中大部分来自中国，有37 篇，占论文总数的74%：

      2.重点热点前沿——“抗生素抗性基因的来源与环境归趋”

      近年来，随着医疗保健药品和个人护理用品的频繁使用以及养殖业中抗生素的长期滥用，大量具有耐药性的细菌出现。相关的抗生素抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）在环境中快速出现和扩散，极大地影响了抗生素的治疗效果，严重威胁人类健康。据统计，全球每年大约有70 万人死于耐药性细菌感染。与传统的化学污染物不同，抗生素抗性基因由于其固有的生物学特性，如可在不同细菌间转移和传播甚至自我扩增，可表现出独特的环境行为，在环境中持久残留、传播和扩散，给环境和人类健康带来巨大的危害。2004 年，MichalRysz 和Pedro J. J. Alvarez 建议将抗生素抗性基因本身作为环境污染物，2006 年，Amy Pruden等明确提出将抗生素抗性基因作为一种新型环境污染物，此后抗生素抗性基因导致的生态环境问题引起各国学者的高度关注。

      热点前沿“抗生素抗性基因的来源与环境归趋”的核心论文主要围绕特定地区或特定污染物，如养殖场、畜禽粪便、污水处理厂污泥等的抗生素抗性基因的丰度、分布和环境传播，及抗生素抗性与微生物群落的相互作用开展了研究。其中中国科学院朱永官研究员2013 年在PNAS 上发表的“中国养猪场中抗生素抗性基因的多样性与丰度”被引频次最高，达440 次，主要分析了养猪场抗生素基因的丰度，提出抗生素及金属滥用是抗性基因的主要来源。

      统计分析核心论文产出的国家和机构，17 篇核心论文基本来自中国和美国，中美两国各有9 篇核心论文产出，分别占论文总数的52.9%：

      3.重点新兴前沿解读——“微生物燃料电池技术用于废水处理”

      英国植物学家Michael C. Potter 于1910 年首次发现细菌的培养液能够产生电流，并成功制造出了世界第一个微生物燃料电池（MFC）。近几十年来，环境污染和能源问题日益凸显。由于MFC 可将贮存于有机废弃物的化学能直接转化为电能，逐渐引起了环境领域研究人员的关注。1991 年开始出现使用微生物燃料电池处理生活污水的范例，然而，直到最近几年用MFC 处理生活污水得到的电池功率才有所增强。

      微生物燃料电池是以微生物为主体，在阳极将有机污染物氧化，并将电子捕获，通过电极将其传递至阴极，进而产生电流，最终实现化学能直接转化为电能的装置。MFC 技术可实现在处理废水的同时回收废水中的能量，同时具有高于传统厌氧生物处理技术的降解效率，是集废水资源化、污泥减量化、水质无害化为一体的新型废水处理技术，具有广阔的应用前景。近年来，基于MFC 的新技术不断得到开发，结构、材料、接种物等不断优化，输出电能的功率密度大幅增长，MFC 应用于越来越多的各类型废水、有机物或污染物的处理和降解，已成为废弃物资源化利用的前沿方向之一。

      该新兴研究前沿的主要内容包括以铁基催化剂为主的用于增强MFC 氧化还原反应的催化剂制备和性能、在处理尿液的同时提供电力的MFC 应用技术等。

 

 

报告与数据来源：

中科院科技战略咨询研究院、文献情报中心、科睿唯安