有机污染物的混合毒性QSAR模型及其机制研究进展

环境有机污染物的联合暴露是一条普遍规律.化合物定量结构与活性相关研究(quantitative structure-activity relationship,QSAR)模型是研究有机污染物毒性的重要方法.本文以有机污染物的混合毒性及其机制研究为主线,将化合物按照毒性作用方式分为3类:非极性麻醉型、极性麻醉型和反应性化合物,并概述了3类化合物基于毒性作用机制的混合毒性QSAR模型.简单综述了非极性麻醉型化合物混合毒性的定量预测方法,发现非极性麻醉型化合物的毒性预测方法最为简单,仅由混合体系的总疏水性决定,可通过统一的QSAR模型预测;概述了极性麻醉型化合物混合毒性的定量预测方法,指出极性麻醉型化合物的混合毒性由混合体系总疏水性和氢键效应共同决定;重点解析了反应性化合物的混合毒性QSAR模型,发现由于反应性化合物作用机制较为复杂,目前仍缺乏统一的混合毒性定量预测方法.进一步从混合物组分、化合物之间相互作用和化合物与靶蛋白的相互作用3方面入手,综述了反应性化合物混合毒性QSAR模型的最新研究进展.最后指出,采用基因组学和代谢组学等更为先进的实验手段进一步揭示化合物的分子生物学机制,进而建立更为通用的有机污染物混合毒性预测方法是今后发展的方向.     

水生环境中微塑料自身及负载有机污染物的生物富集效应

微塑料广泛存在于水体环境中,由于其具有较高的疏水性而能够负载有机污染物,同时影响它们在生物体内的累积与毒性.目前在微塑料对污染物生物富集过程的作用方面尚有分歧,其根源在于大部分的室内暴露研究往往缺乏对复杂环境介质的考量,而野外场景的模型分析又少了验证环节.生物富集和生物放大效应通常是对于传统污染物而言的,对于微塑料来说暂无明确的界定,本文就此展开详细讨论.本文归纳了野外或室内暴露的不同环境条件下,微塑料在水生生物体内的生物富集特点;分析了影响微塑料生物有效性的关键因素;探索了微塑料对共存有机污染物生物有效性的影响和规律;评估了关键水环境化学因素对微塑料和共存有机污染物在生物体内累积的影响.本文将有助于我们深入认识微塑料在水生生态系统中的累积情况,及其对共存有机污染物在生物体内运移的贡献和可能存在的生态风险,也将为微塑料风险评估及政策导向提供重要依据.     

取代芳烃化合物对水生生物的急性毒性与其分子轨道能级的定量关系

定量结构-活性相关(QSARs)常被用来研究同系列有机化合物的某些生物毒性与其分子结构之间的定量相关关系.成熟的QSAR方程可以用来预测未知活性化合物的生物活性,这对于有毒化合物的初步筛选,降低毒性评价工作的昂贵费用都有着重要的意义.本文以“受体学说”和“线性自由能相关理论”为基础,将有机污染物的前线分子轨道能作为一种参数引入QSAR方法,研究了卤代苯、苯胺、苯酚等取代芳烃化合物对水生生物的急性毒性与其理化参数的定量关系.     

有机污染物生物富集因子定量预测模型的建立与评价

有机污染物的生物富集因子(BCF)是进行生态风险评价的基础数据. 依照经济合作与发展组织(OECD)关于定量结构-活性关系(QSAR)模型构建和使用的导则, 根据线性溶解能关系(LSER)理论选择理论计算的分子结构描述符, 采用偏最小二乘(PLS)方法建立了8类化合物对鱼类BCF的QSAR模型. 结果表明, Connolly分子表面积(CMA)、平均分子极化率(α)和分子量(MW)对BCF影响最显著, 因此, 分子大小是影响化合物在鱼体内生物富集的最主要因素. 模型具有良好的拟合能力(复相关系数平方R²_Y = 0.868, 均方根误差RMSE = 0.553)、稳健性(交叉验证Q²_CUM = 0.860)和预测能力(外部可解释方差Q²_EXT = 0.755, RMSE = 0.647). 采用Williams图对模型应用域(AD)进行了表征. 所建立的模型, 可以应用于应用域内有机化合物的BCF的预测, 具有潜在应用价值.     

分子动力学模拟在有机污染物毒性作用机制中的应用

分子动力学模拟(molecular dynamics simulations,MD)是一种基于经典牛顿力学方程的分子模拟方法,常用于研究有机化合物、材料及生物大分子体系,可计算各类体系的宏观性质及各种动力学性质.目前MD模拟逐渐用于研究各类环境污染物与生物大分子的相互作用.通过热力学统计分析污染物与生物大分子的结合模式以及配体结合引起的生物大分子构象变化,能在分子水平上探究污染物的毒性作用机理.基于MD模拟的轨迹文件,采用自由能打分方法可评估污染物与各类受体的结合能力,能够筛选具有特定毒性终点的潜在污染物,从而快速、高通量地进行有机污染物的毒性预测和风险评价.本文介绍了MD模拟的基本原理、常用软件,简述了MD模拟的数据准备和模拟过程,强调了MD模拟的重要细节,进而从污染物与受体生物分子作用角度,重点陈述了MD模拟在研究有机污染物与各类转运蛋白、核受体、代谢酶相互作用中的应用,展望了MD模拟在污染物毒性筛选方面的潜在应用,以期该类方法能更好地服务于污染物的毒性风险评估.     

二(口恶)英、有机磷和直链脂肪醇的毒性与分子体积的关系

用B3LYP/6-311G**方法计算了二(口恶)英、有机磷、直链脂肪醇的分子体积,与它们的毒性参数比较发现:在每一系列中都存在"临界毒性体积",即随着体积增大毒性首先增强,当分子体积超过"临界毒性体积"后,毒性随体积增加而减小.三类化合物具有相接近的"临界毒性体积",约为309～320A3,建议对线性溶解能关系方程进行修正.根据醇类毒性与分子体积的关系,预测了部分氟代直链脂肪醇麻醉能力的变化趋势和数值.     

混合有机污染物在有机相/水相之间的分配规律

从平衡分配模型（equilibrium partition models）出发，推导出混合有机物在有机相／水相分配系数的理论计算模型和测试公式，测定了20组混合餐代苯的分配系数，研究结果表明，混合结果表明，混合非离子有机污染物在有机相／水相之间的分配系数，随着体系中单一化合物的疏水性的增大而增强，也随着相对疏水性强的有机物所占比例的增大击增强，混合有机污染物在有机相／水相之间分配规律的研究，对于混合物的联合毒性的研究以及真实环境中有机污染物迁移和富集等环境行为的研究具有一定的意义。     

利用被动式采样膜评估水中腐殖酸对苊和(卄屈)生物有效性的影响

以苊和(卄屈)两种多环芳烃(PAHs)为研究对象,在实验室模拟条件下,研究了水中不同含量的腐殖酸(HA)(0～15 mg·L-1,以溶解性有机碳浓度表征)对PAHs在三油酸甘油酯-醋酸纤维素复合膜(TECAM)中和日本青鳉鱼体内富集的影响,比较了两种采样介质中PAHs表观富集速率常数随HA浓度变化的趋势,并利用模型拟合计算了两种方法得到的苊和(卄屈)的腐殖酸-水平衡分配常数(KDOC)值.结果表明,水中存在的HA对TECAM和青鳉富集两种PAHs有显著影响,随着HA浓度的增大,PAHs在TECAM膜中和青鳉体内的富集浓度显著降低,其表观富集速率常数也随HA浓度的增大而减小.用TECAM萃取和青鳉富集实验得到的两种PAHs的lg KDOC分别为4.63和4.52(苊),以及5.83和5.76((卄屈));两种方法所得的lg KDOC值相互之间有很好的可比性,并与文献报道值相吻合.研究结果证明,TECAM能够选择性地富集水相中自由溶解形态的PAHs,且富集行为与鱼体类似,因此可作为一种生物模拟采样器来研究水环境中存在的溶解性有机碳对PAHs生物有效性的影响.     

二噁英、有机磷和直链脂肪醇的毒性与分子体积的关系

用B3LYP/6-311G^**方法计算了二噁英、有机磷、直链脂肪醇的分子体积, 与它们的毒性参数比较发现: 在每一系列中都存在“临界毒性体积”, 即随着体积增大毒性首先增强, 当分子体积超过“临界毒性体积”后, 毒性随体积增加而减小. 三类化合物具有相接近的“临界毒性体积”, 约为309~320 ų, 建议对线性溶解能关系方程进行修正. 根据醇类毒性与分子体积的关系, 预测了部分氟代直链脂肪醇麻醉能力的变化趋势和数值.     

二英、有机磷和直链脂肪醇的毒性与分子体积的关系

用B3LYP/6-311G**方法计算了二(口恶)英、有机磷、直链脂肪醇的分子体积,与它们的毒性参数比较发现在每一系列中都存在"临界毒性体积",即随着体积增大毒性首先增强,当分子体积超过"临界毒性体积"后,毒性随体积增加而减小.三类化合物具有相接近的"临界毒性体积",约为309～320A3,建议对线性溶解能关系方程进行修正.根据醇类毒性与分子体积的关系,预测了部分氟代直链脂肪醇麻醉能力的变化趋势和数值.     

QSAR法研究芳烃类化合物的生物毒性

有机芳烃类化合物中有许多为有毒化学品。本研究将分子轨道能和分子连接性指数等化合物表征参数,联合引入分子定量结构与活性相关(QSAR)的研究方法中,从分子结构与能量两种属性的角度,探索芳烃类化合物对水生生物和陆生哺乳动物的毒性作用,及其分子定量构效关系,进一步寻求毒理学中的生物替代性规律,为利用QSAR法研究生物替代毒性提供依据。     

多氯联苯(PCBs)分子的X射线晶体学研究

作为一类典型的环境污染物,多氯联苯(PCBs,polychlorinated biphenyls)早已引起人们的广泛关注,并对其进行了大量的研究工作,这中间从色谱保持特征研究到理化参数的估算;从其在环境中的归趋与分布到生物代谢过程的研究;从生物富集因子的计算到毒性作用机制的     

基于稀有鮈鲫模型研究水环境中纳米银的毒理学效应

纳米银具有优越的抗菌性能,现已被很好地应用于食品工业、医疗卫生、水处理等多个行业中.然而纳米银的生物安全性也同时引起了人们的高度关注.本文采用小型实验鱼类——稀有鮈鲫,探讨了商品化纳米银在水处理推荐使用剂量范围内(1~20 mg/L)的水生毒理学效应.通过24 h急性毒性实验表明纳米银(LC50 12.79 mg/L)毒性效应远远低于银离子(LC50 22μg/L),尽管银离子与纳米银的生物富集效应并不明显,但它们同样可进入鱼体内,并引起相应靶器官的毒性作用,表现为鳃组织与肝脏表面显微结构的明显损伤效应.由此可见,水体中由于纳米银的应用而导致的潜在生态毒性风险不容忽视.     

海河地区部分水体雌激素活性的初步调查

以野生鱼血清中的卵黄蛋白原(Vtg)为雌激素活性生物标记物, 对海河流域部分(子牙河, 入海口)水体中污染物的雌激素活性进行了初步调查, 并测定了水样中双酚A(BPA)、辛基酚(OP)和壬基酚(NP)的浓度. 结果显示, 在不同季节, 不同采样点的野生雌鱼和雄鱼血清中都有较高浓度的Vtg检出, 表明这些水体中存在一定程度的雌激素活性化合物污染. 采样点水体中均能检测到BPA, NP和OP, 但浓度远低于导致鱼Vtg生成的最低显效浓度.     

生理毒代动力学模型在化学品生态风险评价中的应用

环境化学品分布于生物特定器官或组织(如肝、肾)的靶点浓度,是评价其毒性效应所需的关键信息.受实验技术和条件等限制,仅通过整体动物实验难以实现化学品生物体内靶点浓度的高通量获取.生理毒代动力学(physiologically based toxicokinetics,PBTK)模型则可定量描述化学品在生物体内吸收、分布、代谢、排泄过程,预测化学品在生物体内浓度随时间的变化,关联化学品的环境暴露浓度及靶点浓度.PBTK模型可进一步用于体内(in vivo)-体外(in vitro)毒性测试数据的外推、生物的跨物种外推等,在化学品生态风险评价与管理中发挥重要作用.本文概述了PBTK模型的基本概念及构建PBTK的方法,介绍了现有PBTK模型在化学品生态风险评价中的应用,并对PBTK模型的发展趋势进行了展望.     

计算模拟掺氮碳纳米管与水中芳香类污染物的吸附作用

掺氮碳纳米管(N-CNTs)因其独特的理化性质,在诸多领域呈现广阔的应用前景.伴随N-CNTs的大量生产和使用,其将不可避免地释放到环境中.进入环境中的N-CNTs可以与污染物发生吸附作用,进而改变二者的环境行为和生态风险.目前,N-CNTs对水中有机污染物的吸附行为鲜有报道.本研究构建了不同掺杂浓度/形态的掺氮单壁碳纳米管(N-SWNTs),基于密度泛函理论,模拟水中芳香类有机污染物在N-SWNTs上的吸附.计算结果表明,氮掺杂可以提高N-SWNTs对芳香类化合物的吸附性能.掺杂浓度和掺杂形态会影响N-SWNTs的吸附能力,高浓度吡啶氮掺杂的N-SWNTs对芳香类化合物具有较强的吸附作用.化合物与N-SWNTs之间主要发生物理吸附,疏水作用和π–π相互作用是化合物在N-SWNTs上吸附的主要作用力,污染物官能团可加强其与N-SWNTs之间的吸附作用.本研究可为N-SWNTs的生态风险评价提供一定的理论指导.     

环境污染物对人体生物有效性测定的胃肠模拟研究现状

环境污染物对人体健康产生了巨大的危害, 污染物的生物利用度是人体健康风险评估中的关键因子. 本文系统介绍了模拟胃肠消化系统测定污染物对人体生物有效性的实验方法、主要控制条件、影响生物有效性的因素及其在健康风险评估研究中的应用. 同时对其在开展有机污染物的生物有效性及其代谢研究、Caco-2细胞在该类研究中的应用以及体外模拟方法的验证方面进行了展望.     

有机小分子化合物解离常数pK_a的预测研究进展

对于弱酸和弱碱化合物,解离常数(p Ka)是最重要的理化性质参数之一,其决定化合物的溶解度、亲脂性、生物富集性、毒性以及药物分子的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)性质.通过实验方法测定化合物水溶液中的p Ka受到物质稳定性、仪器测定范围以及人力物力消耗等多方面的限制,因此过去几十年间发展了大量的p Ka预测方法.本文以有机小分子化合物为研究对象,回顾了20年来p Ka预测的研究成果,包括pK a实验数据的来源、质量、测定方法,重点介绍3类预测方法(线性自由能关系模型、定量结构-性质关系模型和第一性原理方法),并简单总结了常用的商业软件,最后提出未来p Ka预测研究需要关注的问题.     

有机污染物定量结构与活性相关性研究

定量结构与活性相关(QSARs)主要研究的是非反应性有机物,QSARs法是建立有机物的毒性和理化参数的相关性,通过测量或计算有机物的特征参数,很容易地估算有机物对生物的毒性。本文选取卤代苯、硝基苯、苯胺、苯酚等有机污染物,以呆鲦鱼和发光菌为研究对象,研究了有机物的结构与活性的相关性。得出有机物对生物的毒性和二种理化参数有关:有机物与靶分子作用的平衡常数,辛醇/水分配系数。     

污染物在水生生物中的行为

污染物进入环境以后,不论它们起初分布于何处,最后大部分都将通过各种途径,如降水、水土流失等自然现象,或生产活动等人为因素,进入江河湖诲,直接或间接地接触水生生物.水生生物既有净化污水的能力,也是积累和传递污染物的媒介.许多水生生物又是动物的饵料或是人类的重要食品.水生生物是环境中污染物质迁移、转化直至物质循环的重要参与者.因此,污染物在水生生物中的行为是环境科学的重要研究内容之一.