有色金属冶炼等行业每年排放数千万立方米的高毒性重金属废水（HMW），此类废水环境潜在危害巨大，对传统污水处理构成严峻挑战。传统重金属废水处理通常采用石灰、苛性碱或硫化物等化学沉淀法，但处理后废水往往难以满足日益严格的排放要求。这一问题促进相关新技术的研究和开发。其中，以纳米零价铁（nZVI）为代表的纳米材料及应用引起了广泛关注。nZVI前期主要用于污染场地修复，但本文重点聚焦于其近期在重金属废水处理和资源回收方面的应用发展。本文展示nZVI在重金属废水处理中的优势，如同时去除多种重金属和类金属（超过30种）、捕获和富集低浓度重金属的能力（去除容量可达500 mg∙g-1 nZVI）以及其独特的水动力学性能带来的操作便利等。所有这些优势都归因于纳米零价铁微小的纳米颗粒尺寸和（或）其独特的铁化学性质。文中还介绍了这一应用的首个工程实践，该实践已处理了数百万立方米的高金属含量废水，并回收了数吨有价值的金属（如铜和金）。因此nZVI 是处理高金属含量废水的强效试剂，nZVI 技术为有毒废物提供了一种生态解决方案。
数字孪生技术可以通过融合实时数据及其反馈来增强建模和仿真的性能。本文阐明了数字孪生的基本要素，涵盖其概念、实体、应用领域和关键技术，提出了数字孪生在污水处理工程领域的变革潜力，重点介绍了数字孪生在污水处理厂和排水管网工程中的具体应用。这些应用包括硬件和软件两个方面。硬件包括污水处理设施、排水管网和传感器；软件包括知识和数据驱动的模型、机理模型、混合孪生、控制方法和物联网。在此基础上，以中国、意大利为例，对数字孪生技术在城市生活污水处理系统中的实际应用案例进行了分析，指出其应用的挑战和前景。本文旨在为污水处理工程领域提供一份数字化
对水源中的污染物进行溯源并明晰天然和人为因素的影响有利于维护生态安全和公共健康。然而目前的分析方法通常费力、耗时或在技术上存在瓶颈。消毒副产物（disinfection byproducts, DBPs）是一类在水消毒过程中由化学消毒剂与DBPs前体物反应生成的次生污染物。考虑到DBPs前体物的来源十分广泛，包括天然源、生活源、工业源和农业源等，且特定消毒条件下不同来源前体物生成的DBPs存在特异性，本研究提出DBPs及其前体物可以用作评估水源受污染程度以及判断污染来源的替代指示物。本文首先介绍了水源中DBPs及其前体物的来源以及不同来源前体物在消毒时生成DBPs的特性，随后综述了多种天然和人为因素对DBPs及其前体物的影响情况。在实际操作中，水源水中初始存在的以及后续消毒生成的DBPs的浓度和种类可以一定程度反映水源受污染情况。此外，将DBPs及其前体物与其他水质参数（如溶解性有机碳、溶解性有机氮、荧光光谱和分子量分布情况）以及特定新污染物（如一些药物及个人护理品）联合考虑可以更全面地了解水污染情况，从而更好地管理水资源并确保人类健康。
智能控制技术是废水处理过程中减少温室气体（GHG）排放和能源消耗的切实手段，机器学习（ML）和多模态技术为智能控制技术提供了一种前景更为广阔的解决方案。在本研究中提出了一种基于多模态策略的机器学习技术，并将其应用于验证污水处理厂（WWTP）的智能曝气控制。研究结果表明：基于八种传统的机器学习算法耦合视觉模型构建的多模态融合模型，可用于污水处理厂的智能曝气控制；使用多模态融合模型大大提高了传统机器学习模型的性能和曝气控制效率，表现出卓越的性能和可解释性。在多模态模型中，将随机森林与视觉模型相结合可实现最高的曝气量预测精度，平均绝对百分比误差为4.4%，决定系数为0.948。实际污水处理厂的应用研究表明：与传统的模糊控制方法相比，多模态融合模型方法可降低19.8%的运行成本。与此同时，本研究还讨论了多模态策略在水务领域的潜在应用，同时为了提高模型的公平性并促进广泛应用，本研究的多模态融合模型可在GitHub上免费获取，旨在消除人工智能技术在污水处理领域的应用障碍，推动人工智能在城市污水处理中的应用。
污水处理厂（WWTPs）是至关重要且能源密集型的城市基础设施。在碳中和的背景下，高能耗和较低的运行性能是污水处理厂面临的主要挑战。然而，目前对于污水处理厂水-能关系分析和相关模型的研究十分有限。本研究以某实际污水处理厂为案例，采用基于云模型的能耗分析（CMECA）方法，通过对污水处理厂进水参数的聚类分析，探索污水处理厂进水与能耗之间的关系。研究利用主成分分析（PCA）和K均值聚类方法对水质和水量数据进行进水条件分类，并根据双边约束条件和黄金分割法确定污水处理厂的能耗标准评价等级以及提取能耗云数字特征（CDCs）。结果发现，随着进水浓度和水量的降低，该污水处理厂的能耗云模型逐渐偏离高斯分布并呈现出分散趋势，平均能源消耗为0.3613 kW∙h∙m-3，跨越四个能耗等级，运维和管理水平欠佳。通过进一步聚类从该进水类别中提取高能效的运行日，并基于紧凑型能耗云模型曲线识别影响能耗稳定分布的运行条件。高能效日的平均充氧能力、内回流比和外回流比分别为0.2924~0.3703 kg O2∙m-3、1.9576~2.4787和0.6603~0.8361，可作为低能效日的运行指导。因此，本研究提供了一种水能关联分析方法以识别运维管理异常的进水情况，并可作为污水处理厂优化运行的经验参考。
在焦化废水（CWW）生物处理系统中，微生物群落在污染物去除和系统稳定性维持方面起关键作用，但目前对其结构和功能的了解仍然不足。本研究在中国某全规模焦化废水处理系统中，对四个连续生物反应池，即缺氧1/好氧1/缺氧2/好氧2（A1/O1/A2/O2）进行了为期五个月的调查，以阐明其运行性能和微生物特征。结果表明，A1/O1/A2/O2在脱氮方面表现出色且稳定。最终生物出水中的总氮[TN; (17.38 ± 6.89) mg·L-1]和氨氮[NH4 +-N; (2.10 ± 1.34) mg·L-1]均符合国家标准。16S核糖体RNA（rRNA）测序和宏基因组测序的综合分析显示，A1和O1的细菌群落和基因功能特征相似，而A2的细菌群落结构与其他生物反应器显著不同（p < 0.05）。结果表明，微生物活性与活性污泥功能密切相关。Nitrospira、Nitrosomonas和SM1A02在初级缺氧-好氧（A1/O1）阶段参与硝化过程，Azoarcus和Thauera在A2中是重要的反硝化菌。A1/O1/A2/O2系统中的氮转化相关酶和基因在脱氮过程中发挥重要作用。催化羟化脱q氢酶（EC 1.7.2.6）基因hao和硝化还原酶（EC 1.9.6.1）基因napA和napB在初级A1/O1和二级A2/O2阶段的硝化和反硝化过程中起重要作用。混合液悬浮固体（MLSS）/总固体（TS）、总氮（TN）去除率（RR）、总有机碳（TOC）去除率和氨氮（NH4 +-N）去除率是影响细菌群落结构和氮转化基因的重要环境因素。Proteobacteria是A1/O1/A2/O2系统中参与氮代谢的主要参与者。本研究在基因水平上提供了对微生物群落及其功能的全面理解，对于全规模焦化废水生物处理过程的高效和稳定运行至关重要。
基于作者提出的欧米伽空间太阳能电站（OMEGA-SSPS）创新设计方案，作者团队研制了世界首个全链路、全系统的OMEGA-SSPS地面演示验证系统。第一，提出了OMEGA 2.0创新设计方案；第二，建立了聚光、光电转换与发射天线的场耦合理论模型及系统优化设计模型；第三，提出了兼顾高波束收集效率（BCE）与圆环阶梯型微波波形的设计理论及方法；第四，提出了聚光镜对日定向与发射天线对接收天线定向的控制策略及方法；第五，提出了高效散热的仿生设计与拓扑优化的理论及方法；第六，探明了提高接收天线接收、整流与合成效率的途径及方法；第七，突破了面向波束指向控制的高精度测量技术；第八，设计并研制了灵巧的机械结构；第九，研制的全链路与全系统的地面验证系统，可实现从实时跟踪太阳、高倍聚光、光电转换、微波转换与发射直至微波接收整流的全过程实验，得到了满意的结果。
传统光学显微镜受限于光学衍射效应，其成像分辨率难以突破阿贝衍射极限，从而在许多纳米尺度应用中受到制约。过去十多年，光学微球纳米成像技术已经被证明是一种经济高效的克服光学衍射极限的解决方案。这种技术能够以实时和无标记的方式达到1/6~1/8倍波长的成像分辨率，这使得它在众多超分辨成像方法中具有独特的竞争力。在本文中，我们总结了微球纳米显微镜的超分辨成像原理以及在提升其成像性能方面的研究进展。这些进展包括：①在系统层面，优化单个微球纳米显微镜的工作环境和辅助成像的硬件设施；②在器件层面，构建微球复合透镜组；③改造微球的基本结构，包括几何形貌和材料组分。最后，我们分析了光学微球纳米成像领域尚未解决的关键挑战，并对其未来发展前景进行了展望。
随着电子器件的不断小型化，与集成电路兼容的微机电系统（MEMS）振荡器受到了越来越多的关注。基于惠更斯发现的同步原理，本文提出了一种新型的MEMS惠更斯钟。利用两个盘式振荡器的互耦合同步，将时钟的短时稳定性提升3.73倍，即Allan方差从同步前的19.3 ppb@1 s 降低到5.17 ppb@1 s。进一步利用MEMS振荡器的温度-频率特性，研发了基于焦耳热效应的温度补偿系统，通过调控谐振器本体的导通电流来补偿时钟的频率漂移，提升振荡器的长期稳定性。调控后的长期稳定性提升了1.6343 × 105倍，达到30.9 ppt@6000 s，且补偿功耗仅为2.85 mW∙°C−1。本文的工作为实现高精度MEMS振荡器提供了一种新思路，也拓展了同步效应在微机电系统中的应用。
在电-气耦合综合能源系统（IEGS）中，负荷的波动不仅会影响电力系统中的电压水平，同样也影响着天然气系统中的气压水平。在电力系统中，静态电压稳定域（SVSR）是分析电力系统整体静态电压稳定性的一种有效途径。然而，在IEGS中，天然气系统的气压可能先于电力系统的电压崩溃，SVSR边界在衡量IEGS的静态稳定性时过于乐观，致使电力系统中的SVSR分析方法不能直接用于IEGS的分析中。为此，本文将SVSR的概念拓展至IEGS中，提出了综合考虑电压-气压的IEGS静态稳定域（IEGS-SSR）。首先，借鉴电力系统的静态电压稳定边界准则，提出了天然气系统的静态气压稳定边界准则。在此基础上，给出了IEGS-SSR的定义，其可表示为在天然气发电机组（NGU）有功功率注入空间下，一组满足多能流（MEF）平衡约束及静态电压与气压稳定约束的运行点的集合。为求解IEGS-SSR的边界，本文提出了连续多能流（CMEF）方法，用以追踪某一个特定NGU有功出力增长方向下，IEGS静态稳定边界点，并提出了可均匀采样NGU有功出力增长方向的多维超平面抽样方法。求取的边界点将进一步通过Delaunay三角剖分法来拟合三维空间中的IEGS-SSR边界。最后，本文通过算例结果验证了所提方法在刻画IEGS-SSR边界的有效性，并为IEGS-SSR的在线监测提供有力支撑。
三维（3D）打印是一种高度自动化的平台，能够以逐层方式沉积材料，按需制造预先确定的3D复杂结构。这是一种针对于制造个性化医疗器械，甚至专用于患者的组织结构的非常有前景的技术。每种类型的3D打印技术都有其独特的优势和局限性，选择合适的3D打印技术在很大程度上取决于其预期用途。在本文中，我们展示并强调了3D打印个性化医疗器械的一些关键工艺（打印参数、构建方向、构建位置和支撑结构）、材料（批次之间的一致性、回收利用、蛋白质吸附、生物相容性和降解性能）和监管考量（无菌性和力学性能）。本文旨在让读者对3D打印的各种关键考量（工艺、材料和监管）有很好的理解，这对于生产制造更好的专用于患者的3D打印医疗器械和组织结构至关重要。
富含矿物质的生物质多孔水热炭在环境应用中的功能导向设计不可避免地受到碳-灰顽固性的影响。然而，调控并解耦原始碳骨架与灰分的方法尚不明确，这限制了水热炭的应用。在此，我们提出了一种利用可调相态熔融碳酸盐打破碳-灰耦合水热炭刚性结构的简便策略。本研究以畜禽粪污和NaHCO3制备活化水热炭，并将NH3作为目标污染物进行案例分析。研究发现，由于高温下的氧化还原效应，炭中的有机组分可致Na2CO3的熔点显著地下降，至800 °C以下。随着热强度的增加，含钠的活性组分有效地打破了碳与灰分的耦合作用，并将大量无机成分转化为可溶解态，从而重新构建了富含分层通道和活性缺陷边缘的水热炭骨架。表面极性和介孔分布共同控制了多循环过程中NH3吸附衰减，五次最大总吸附容量为100.49 mg·g-1。综合光谱表征和理论计算表明，碳表面上NH3分子的引入促进了电子向化学吸附氧的迁移，进而导致吡啶-N的氧化。本研究深入探讨了水热炭的结构与功能相关性，为源自高灰分生物质的水热炭的合理设计提供了新思路。
多发性骨髓瘤（MM）是第二大常见的恶性血液肿瘤。目前，多发性骨髓瘤的治疗策略受到全身毒性大和疗效不佳等阻碍。本研究通过开发一种强效的MM靶向化疗纳米粒子T-PB@M来克服这些局限性，该策略巧妙利用阿伦膦酸盐对骨基质中羟基磷灰石的高亲和力，以及对骨髓瘤细胞膜的同源靶向作用，实现了对肿瘤细胞的精准打击。本研究突出了T-PB@M在体内外的高度骨亲和性。此外，该纳米粒子能够在低pH环境下智能触发药物释放。T-PB@M还能够通过在MM细胞中有效诱导活性氧的产生，激活聚ADP核糖聚合酶1（PARP1）-Caspase-3-B细胞淋巴瘤-2（Bcl2）通路，进而触发细胞凋亡。值得一提的是，T-PB@M能优先靶向作用涉及骨骼的部位，有效避免了全身毒性副作用的发生，显著延长了MM原位小鼠的生存期。因此这种靶标MM的纳米载体为临床上MM的精准治疗提供了一个充满前景且极具潜力的平台。
肝移植（liver transplantation, LT）是终末期肝病患者的标准治疗方法。尽管肝移植技术取得了显著进步，但术后早期移植物功能不全（early allograft dysfunction, EAD）的发生会对受者的预后产生不利影响，加剧了当前器官短缺的现状，仍然是一个严重的临床问题。然而，肝脏组织的细胞异质性阻碍了人们对EAD发生的细胞特征和分子事件进行准确表征。为此，本研究从7个患者中收集了来自冷缺血和缺血再灌注两个阶段的12个肝脏样本，构建了包含EAD发生和EAD未发生的人移植肝单细胞转录组图谱。通过分析EAD发生和EAD未发生患者的75 231个单细胞，发现了一种与 EAD发生显著相关的由黏膜相关不变T细胞（mucosal associated invariant T cell, MAIT）、颗粒酶B+（granzyme B+, GZMB +）和颗粒酶K+（granzyme K+,GZMK +）自然杀伤细胞以及S100钙结合蛋白A12+（S100 calcium binding protein A12+, S100A12 +）中性粒细胞组成的免疫生态位。此外，在两个独立队列中也进一步验证了这种免疫生态位的存在及其与EAD发生的相关性。综上，本文研究结果在单细胞水平上揭示了移植肝的细胞特征以及一种与EAD发生相关的致病免疫生态位，为理解EAD发生发展机制提供了新的见解。
约有三分之一的自身免疫性肝炎（AIH）患者在诊断时已发展为肝硬化。尽管分子机制尚不明确，肠道微生态改变被认为与AIH的发病密切相关。在AIH患者和小鼠模型中，我们均观察到肠道菌群失调以及多聚免疫球蛋白受体（pIgR）表达水平的升高，且AIH患者的pIgR表达水平与血清转氨酶水平之间存在相关性。本研究通过AIH患者样本和刀豆蛋白A（ConA）诱导的AIH小鼠模型，探讨pIgR如何影响再生胰岛衍生蛋白3β（Reg3b）的分泌以及其在AIH患者肠道菌群塑造中的作用。研究发现，与野生型小鼠相比，Pirg基因敲除小鼠肠道中Reg3b表达降低，导致肠道菌群失衡。反之，外源性补充pIgR蛋白则可以增加Reg3b的表达并维持肠道菌群的稳态。通过RNA测序分析，我们发现白细胞介素（IL）-17信号通路参与了pIgR对Reg3b的调控。抑制信号转导与转录激活因子3（STAT3）的活性后，外源性补充pIgR对AIH小鼠肠道Reg3b表达的上调作用及其对菌群失衡的调控作用均丧失。在这项研究中，我们发现pIgR通过STAT3途径促进Reg3b的表达，此过程在维持AIH肠道菌群平衡中起着关键作用。总之，本研究揭示了可能对于AIH的诊断和治疗具有重要意义的新的分子靶点。
无人机（UAV）技术的蓬勃发展革新了各个领域的业态模式，使基于无人机的各类解决方案得以广泛应用。而在工程管理领域当中，基于无人机的巡检监测相较于传统的人工巡检方式有着巨大的优势，能够以较低的风险去高效识别高风险施工环境中的潜在隐患。在此背景下，本文研究了工程领域背景下的无人机巡检路径调度优化问题，在该问题中本文考虑了无人机飞行禁飞区、监测时间间隔以及多轮次巡检路径调度等因素。为高效求解该优化问题，本文提出了一种混合整数线性规划（MILP）模型用于优化无人机巡检任务分配、监测点巡检顺序调度以及无人机充电的三类决策。对上述三类复杂因素的综合考虑使该巡检路径调度问题与传统的车辆调度问题（VRP）有着显著区别，同时模型的复杂程度也使得商业求解器难以在合理时间内高效求解上述模型。为此，本文基于变邻域搜索算法设计了定制化的元启发式算法来高效求解所提出的数学模型。大量的数值实验验证了本文设计算法的有效性，并证明了该算法在大规模算例和真实规模算例中的应用性。此外，本文还基于实际的工程项目开展了敏感性分析和案例研究，为工程管理人员在提高巡检工作效率方面提供了相关管理启示。
分层网络经常出现在生物集群、基因网络和人造系统中，如多机器人网络、无人系统网络、智能电网、风力发电场网络等。大型有向分层网络的结构通常会受到反向连边的重大影响，即连接低层级与高层级节点的逆层次结构连边，比如鸟群中掉队个体的叫声或社会群体中低级别个体回馈到较高级别个体的意见。这项研究揭示了对于大多数真实背景的大规模分层网络，大部分反向连边不会影响整个网络的同步过程；同步过程仅沿特定路径受到这些反向连边中一小部分的影响。更令人惊讶的是，单个有效的反向连边可以使大型分层网络的同步速度减慢超过60%。这类边造成的影响并不取决于网络本身的大小，而仅取决于反向连边涉及的子网络的平均入度。绝大多数活跃的反向连边都会对分层网络的信息流产生某种形式的“集束”效应，从而减慢同步过程。这一发现将会增进对自然界、社会和工程中广泛存在的分层网络中反向连边作用的理解，并有助于精确调控这些网络的同步节奏。本文的研究还提出了一种能有效攻击分层网络的方法，即向其中添加恶意的反向连边，同时通过筛选出特定的一小部分易受攻击的节点为保护网络提供指导。
本研究以香草醛为原料，采用无溶剂的简便合成方法，制备出一种生物基绿色抗菌剂和芳香族单体甲基丙烯化香草醛（MV），其不仅可赋予皮革涂层抗菌性能，还可作为石油基致癌物苯乙烯（St）的绿色替代物。然后通过细乳液聚合法，将MV与丙烯酸丁酯（BA）共聚，制得生物基水性P(MV-BA)细乳液。进一步将具有优异光热转换性能和抗菌性能的MXene纳米片，通过超声分散的方式引入P(MV-BA)细乳液中，制得P(MV-BA)/MXene纳米复合细乳液。最后，将P(MV-BA)/MXene纳米复合细乳液喷涂在皮革表面，当其在皮革表面逐渐固化时，MXene在超声空化效应和其两亲性的共同作用下，逐渐向皮革涂层表面迁移，从而可与光和细菌充分接触，发挥最大光热转换性能和抗菌效果。当MXene用量为1.4 wt%时，P(MV-BA)/MXene纳米复合细乳液涂饰革样在冬季太阳光的照射下，表面温度升高了约15 ℃；涂饰革样在模拟日光下处理30 min后，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率接近100%。此外，MXene纳米片的引入还提高了皮革涂层的透气性、透水汽性和热稳定性。本研究为开发具有优异保暖性和抗菌性的新型、绿色、水性生物基纳米复合皮革涂层提供了新思路。该皮革涂层不仅能在冬季实现基于太阳光的零碳供暖，减少化石燃料的使用和温室气体的排放，还能提高皮革抵御有害细菌、病毒和其他微生物入侵的能力。
通过铁基高级氧化过程（AOPs）实现活性氧物种（ROS）的快速且连续生成，在环境和生物领域具有重要意义。然而，目前由助催化剂辅助的AOPs仍存在传质/电子转移效率低下和促进效果不持久的问题，导致Fe2+/Fe3+循环缓慢且ROS产率低下。在此，我们设计了一种用二硫化钼（MoS2）功能化的三维（3D）宏观尺度助催化剂，可通过循环流动过程实现超高效的Fe2+再生（Fe2+平衡比例为82.4%）和显著稳定性（超过20个循环）。与传统的间歇式反应器不同，实验和计算流体动力学模拟表明，在流通模式下，由对流增强的传质/电荷转移过程可促进Fe2+还原，随后MoS2诱导流动旋转加强反应物的混合，进而促进氧化剂活化和ROS生成。此外，具有超润湿性能的流通式助催化系统在处理由不同表面活性剂稳定的复杂含油废水时不会降低对有机污染物的降解效率。我们的研究展示了一种新型的助催化剂系统，可为AOPs技术在大规模复杂废水处理中的应用提供重要支撑。
光催化为从大气中氧化去除低浓度NO x 提供了一种可持续的手段。层状双氢氧化物（LDHs）因其独特的层状和可调化学结构以及丰富的表面氢氧根（OH-，•OH的前体）而成为有前景的光催化剂候选材料。然而，LDHs的实际应用受到了电荷分离能力差和活性位点不足的限制。在此，我们开发了一种简便的N2H4驱动蚀刻方法，将Ni2+和OH-双空位（分别记为Niv和OHv）引入NiFe-LDH纳米片（以下简称NiFe-LDH-et）中，以促进电荷载流子的分离和活性路易斯酸位点（暴露在OHv处的Fe3+和Ni2+）的形成。与惰性原始LDH相比，NiFe-LDH-et在可见光照射下能主动去除NO。具体而言，用1.50 mmol·L-1的N2H4溶液蚀刻后的Ni76Fe24-LDH-et在可见光照射下，从连续流动的空气（NO进料浓度约为500 ppb）中去除了32.8%的NO，性能优于大多数报道的催化剂。实验和理论数据表明，双空位促进了活性氧物种（•O2 -和•OH）的产生以及NO在LDH上的吸附。原位光谱表明，NO优先吸附在路易斯酸位点上（特别是暴露的Fe3+位点），转化为NO+，随后氧化为NO3 -，而没有形成更有毒的中间产物NO2，从而减轻了其生产和排放相关的风险。
