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红足1世777814:红足1世777814教师团队在计算毒理学方向取得系列研究成果

发布时间:红足1世777814-03-18 供稿单位:环境红足1世777814、科学技术处 撰稿:李超、孙艳辉 点击次数:

  近日,环境红足1世777814李超副教授、赵元慧教授团队在有毒有害污染物的环境转化行为和毒性的计算毒理学方向的系列研究成果,荣获吉林省科学技术奖自然科学奖二等奖。

  化学品是新污染物的主要来源,筛查具有环境持久性的有毒化学品并进行管理,是国务院《新污染物治理行动方案》重要行动举措之一。但此项工作面临着化学品种类巨多且增长速度快的严峻挑战。据统计,目前市场上30余万种化学品,只有不到0.5%的极少数,具有环境持久性和毒性数据,无法满足高通量筛查新污染物的需求。

  计算毒理学基于数学和计算机模型,采用分子生物学与化学等手段,揭示了化学物质:π杂敕缦招灾涞亩ㄐ院投抗叵,为筛选持久性有毒化学品提供高通量的决策支持工具。红足1世777814教师团队围绕有机磷阻燃剂、农药、抗生素等化合物的环境行为、毒性效应、预测模型构建等方面,开展持续、系统研究,在理论、方法和计算模型三个维度上取得了系列创新成果。

  研究团队揭示了环境因子和分子结构决定新污染物转化速率和产物的内在机制。以有机磷阻燃剂磷酸三(2-氯丙基)酯为例,发现大气水分子通过与其形成氢键,改变反应前络合物和过渡态的结构,使反应活化自由能及能垒增加,导致大气持久性显著增加,并且改变产物分布,该研究揭示了环境因子导致污染物大气持久性增加的新机制,为污染物持久性评价方法的改进提供理论依据。揭示了难降解的新污染物有机磷阻燃剂的持久性从高到低依次为:卤代类、烷基类、芳基类和其他类,并阐明了影响其持久性的主要分子结构参数。还发现了污染物的供\吸电子基团会显著影响物质的反应活性,吸电子基团化合物较供电子基团与eaq-反应活性更高,反应活化自由能更低,在还原体系中更易发生脱卤。这些工作填补了一些新污染物持久性数据空白,为其风险评价和污染防控提供数据支持。

图1 量化计算和QSAR模拟预测典型新污染物的环境持久性以及揭示转化机制及毒性演变

  研究团队建立了不同物种间以及体外-体内毒性的相关性模型,揭示新污染物的毒性作用机制。传统毒理学面临多种挑战:试验测试周期长,成本高,大量使用动物产生伦理问题等。开展跨物种毒性及体外-体内毒性外推是弥补毒性数据缺失的有效替代方法。然而这些方法均面临预测准确度较差的问题。项目团队率先提出了基于剩余毒性研究跨物种毒性外推方法,揭示了影响物种外推的因素。通过考虑这些参数,模型的外推能力即相关系数(R2)可由0.26提高至大于0.84,为毒性预测提供新思路和新方法。针对体外-体内毒性外推难题,项目从生物摄取平衡、药代动力学、作用模式等角度探讨了影响外推准确度的主要因素,并通过引入分子参数,如生物富集性、疏水性、化学稳定性等,将模型的预测准确度从R2为0.55提升至0.8,为体外–体内毒性外推奠定了理论基础。

图2 基于毒性作用模式、种间关系和构效关系发展化学品毒性效应预测模型并揭示毒性机理

  科研团队创建了一系列计算毒理模型,实现了>40类数万余种化学品毒性及环境转化动力学参数的高通量预测。针对环境转化动力学参数,使用30余种量化描述符,构建了6种动力学参数的预测模型,实现了对不同离子形态、不同温度、不同污染物类别及不同环境介质中污染物转化动力学参数的预测,有效弥补了环境持久性数据的缺失。针对化学品毒性参数,使用20余种描述符,构建了30余种毒性终点的预测模型,实现了对发光菌、鱼类、绿藻、老鼠等生物毒性的预测。

图3 有机污染物与各类氧化剂/还原剂反应速率常数的预测方法和模型

  系列成果分别发表在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Ecotoxicol. Environ. Saf.等环境、毒理领域有国际影响力的学术刊物上,获得较广泛的公认度;部分研究成果被整合到我国“化学品预测毒理学平台”,且被国家生态环境部采纳应用于持久性物质的筛查;培养博士毕业生4名,硕士毕业生6名,其中硕士研究生黄昱获得吉林省优秀硕士学位论文,为推动我国环境计算毒理学的学科发展做出了贡献。


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