近日，環(huán)境學(xué)院李超副教授、趙元慧教授團(tuán)隊(duì)在有毒有害污染物的環(huán)境轉(zhuǎn)化行為和毒性的計(jì)算毒理學(xué)方向的系列研究成果，榮獲吉林省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
化學(xué)品是新污染物的主要來(lái)源，篩查具有環(huán)境持久性的有毒化學(xué)品并進(jìn)行管理，是國(guó)務(wù)院《新污染物治理行動(dòng)方案》重要行動(dòng)舉措之一。但此項(xiàng)工作面臨著化學(xué)品種類(lèi)巨多且增長(zhǎng)速度快的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上30余萬(wàn)種化學(xué)品，只有不到0.5%的極少數(shù)，具有環(huán)境持久性和毒性數(shù)據(jù)，無(wú)法滿(mǎn)足高通量篩查新污染物的需求。
計(jì)算毒理學(xué)基于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)模型，采用分子生物學(xué)與化學(xué)等手段，揭示了化學(xué)物質(zhì)危害性與風(fēng)險(xiǎn)性之間的定性和定量關(guān)系，為篩選持久性有毒化學(xué)品提供高通量的決策支持工具。我校教師團(tuán)隊(duì)圍繞有機(jī)磷阻燃劑、農(nóng)藥、抗生素等化合物的環(huán)境行為、毒性效應(yīng)、預(yù)測(cè)模型構(gòu)建等方面，開(kāi)展持續(xù)、系統(tǒng)研究，在理論、方法和計(jì)算模型三個(gè)維度上取得了系列創(chuàng)新成果。
研究團(tuán)隊(duì)揭示了環(huán)境因子和分子結(jié)構(gòu)決定新污染物轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)物的內(nèi)在機(jī)制。以有機(jī)磷阻燃劑磷酸三(2-氯丙基)酯為例，發(fā)現(xiàn)大氣水分子通過(guò)與其形成氫鍵，改變反應(yīng)前絡(luò)合物和過(guò)渡態(tài)的結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)活化自由能及能壘增加，導(dǎo)致大氣持久性顯著增加，并且改變產(chǎn)物分布，該研究揭示了環(huán)境因子導(dǎo)致污染物大氣持久性增加的新機(jī)制，為污染物持久性評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)提供理論依據(jù)。揭示了難降解的新污染物有機(jī)磷阻燃劑的持久性從高到低依次為：鹵代類(lèi)、烷基類(lèi)、芳基類(lèi)和其他類(lèi)，并闡明了影響其持久性的主要分子結(jié)構(gòu)參數(shù)。還發(fā)現(xiàn)了污染物的供\吸電子基團(tuán)會(huì)顯著影響物質(zhì)的反應(yīng)活性，吸電子基團(tuán)化合物較供電子基團(tuán)與eaq-反應(yīng)活性更高，反應(yīng)活化自由能更低，在還原體系中更易發(fā)生脫鹵。這些工作填補(bǔ)了一些新污染物持久性數(shù)據(jù)空白，為其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和污染防控提供數(shù)據(jù)支持。
圖1 量化計(jì)算和QSAR模擬預(yù)測(cè)典型新污染物的環(huán)境持久性以及揭示轉(zhuǎn)化機(jī)制及毒性演變
研究團(tuán)隊(duì)建立了不同物種間以及體外-體內(nèi)毒性的相關(guān)性模型，揭示新污染物的毒性作用機(jī)制。傳統(tǒng)毒理學(xué)面臨多種挑戰(zhàn)：試驗(yàn)測(cè)試周期長(zhǎng)，成本高，大量使用動(dòng)物產(chǎn)生倫理問(wèn)題等。開(kāi)展跨物種毒性及體外-體內(nèi)毒性外推是彌補(bǔ)毒性數(shù)據(jù)缺失的有效替代方法。然而這些方法均面臨預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較差的問(wèn)題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)率先提出了基于剩余毒性研究跨物種毒性外推方法，揭示了影響物種外推的因素。通過(guò)考慮這些參數(shù)，模型的外推能力即相關(guān)系數(shù)(R2)可由0.26提高至大于0.84，為毒性預(yù)測(cè)提供新思路和新方法。針對(duì)體外-體內(nèi)毒性外推難題，項(xiàng)目從生物攝取平衡、藥代動(dòng)力學(xué)、作用模式等角度探討了影響外推準(zhǔn)確度的主要因素，并通過(guò)引入分子參數(shù)，如生物富集性、疏水性、化學(xué)穩(wěn)定性等，將模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度從R2為0.55提升至0.8，為體外–體內(nèi)毒性外推奠定了理論基礎(chǔ)。
圖2 基于毒性作用模式、種間關(guān)系和構(gòu)效關(guān)系發(fā)展化學(xué)品毒性效應(yīng)預(yù)測(cè)模型并揭示毒性機(jī)理
科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一系列計(jì)算毒理模型，實(shí)現(xiàn)了>40類(lèi)數(shù)萬(wàn)余種化學(xué)品毒性及環(huán)境轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的高通量預(yù)測(cè)。針對(duì)環(huán)境轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)，使用30余種量化描述符，構(gòu)建了6種動(dòng)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同離子形態(tài)、不同溫度、不同污染物類(lèi)別及不同環(huán)境介質(zhì)中污染物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)，有效彌補(bǔ)了環(huán)境持久性數(shù)據(jù)的缺失。針對(duì)化學(xué)品毒性參數(shù)，使用20余種描述符，構(gòu)建了30余種毒性終點(diǎn)的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)光菌、魚(yú)類(lèi)、綠藻、老鼠等生物毒性的預(yù)測(cè)。
圖3 有機(jī)污染物與各類(lèi)氧化劑/還原劑反應(yīng)速率常數(shù)的預(yù)測(cè)方法和模型
系列成果分別發(fā)表在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Ecotoxicol. Environ. Saf.等環(huán)境、毒理領(lǐng)域有國(guó)際影響力的學(xué)術(shù)刊物上，獲得較廣泛的公認(rèn)度；部分研究成果被整合到我國(guó)“化學(xué)品預(yù)測(cè)毒理學(xué)平臺(tái)”，且被國(guó)家生態(tài)環(huán)境部采納應(yīng)用于持久性物質(zhì)的篩查；培養(yǎng)博士畢業(yè)生4名，碩士畢業(yè)生6名，其中碩士研究生黃昱獲得吉林省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，為推動(dòng)我國(guó)環(huán)境計(jì)算毒理學(xué)的學(xué)科發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
