有机污染物对水生生物毒性作用机理

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1、庆祝王连生教授80寿辰专刊有机污染物对水生生物毒性作用机理的判别及影响因素2013年1月29日收稿。*国家自然科学基金项目（20977015）；东北师范大学中央高校基本科研业务费专项资金（10SSXT134）资助。李金杰张栩嘉**通讯联系人，TEL：0431-85099550；E-mail：zhangxj957@nenu.edu.cn赵元慧（东北师范大学城市与环境科学学院国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，长春，130024）摘要有机污染物对水生生物急性毒性作用机理的判别及影响因素是定量结构与活性相关研究的基础，对准确预测有机污染物对水生生物的毒性具有重要的意义。本文根据目前国内外

2、在该领域的研究现状和我们在该领域的研究成果，系统地总结了有机污染物对水生生物的急性毒性作用机理、毒性作用机理的判别方法，及影响毒性作用机理判别的因素。有机污染物对水生生物的急性毒性作用机理可分为非极性麻醉型、极性麻醉型、反应型和特殊作用型；化合物的毒性比率、毒性临界值和结构警示是目前判别毒性作用机理的主要方法；有机化合物的生物富集、非生物转化、生物代谢、离子化率和溶解度是毒性作用机理判别的主要影响因素。关键词毒性作用机理，毒性比率，结构警示。随着工业的发展，越来越多的外源性有机污染物进入到水体，对水生生物和水生生态系统造成严重危害。目前，有超过100,000种化合物正在被生产和使用，每年

3、还有大约2000种新化合物投入市场，因此化合物的生态风险评价是世界各国都非常关注的一个问题[1]。对水体中的有机污染物进行危险性评价不仅需要了解它们的理化性质和环境行为，更重要的是要搞清它们对水生生物的毒性作用机理[2]。研究有机污染物的毒性作用机理，不仅要考虑污染物本身的结构和性质，还要考虑其与有机体作用靶位之间的作用模式[3]。许多研究者根据毒性作用机理的不同对有机物进行分类，并建立了分类化合物的定量结构-活性关系（QuantitativeStructure-ActivityRelationships,QSAR）预测模型[4-8]。这种以毒性作用机理为基础建立QSAR模型的方法被认为

4、是最成功的建模的方法。本文针对有机污染物对水生生物的毒性作用机理进行了分类综述，结合我们近几年的研究工作，总结了不同类别化合物的判别方法，并就影响化合物水生生物毒性作用机理分类的因素进行了讨论。1.有机污染物毒性作用机理分类Verhaar等在1992年根据有机化合物对古比鱼（Poeciliareticulata）的毒性数据，对不同结构的化合物提出了四种毒性作用模式的分类方法：（1）非极性麻醉型（惰性）化合物；（2）极性麻醉型（弱惰性）化合物；（3）反应型化合物；（4）特殊作用型化合物[4]。由于根据Verhaar的分类方法，仍然存在多种化合物无法准确的分类，因此部分研究者提出了更为详细的

5、毒性作用机理分类方式，例如Russom以黑头呆鱼（Pimephalespromelas）的毒性数据为研究对象，提出了麻醉型、氧化还原解偶联作用、呼吸抑制作用、亲电/亲核反应、乙酰胆碱酯酶抑制作用、中枢神经系统发作反应六种作用模式，并更为详细的将麻醉型化合物分为非极性麻醉型、极性麻醉型和酯类麻醉型三种作用类型[9]。但是Verhaar的分类方式仍然是目前普遍认同的毒性机理分类方法。1.1非极性麻醉型（或惰性）化合物非极性麻醉型化合物是指在整个毒性作用过程中没有与有机体的各个靶位发生生物化学反应的化合物。一般认为非极性麻醉型作用是通过化合物与细胞膜之间的某种非共价作用，可逆性的改变了细胞膜的

6、结构和功能，进而对有机体产生毒性作用[10]。Cantor认为麻醉型化合物在生物细胞膜的磷脂10双分子层的接触面上积累，使得双分子层的内部横向压力增强，进而改变了双分子层上离子通道的开关比率[11]。非极性麻醉型化合物的毒性取决于其进入有机体能力，因此其毒性作用潜力完全依赖于疏水性，与正辛醇/水分配系数logKOW有很好的相关性，可以建立良好的logKOW单参数模型，并且不同受试生物的非极性麻醉型模型差别不大[3,7,8,12,13]。从理论上讲，任何化合物都有进入到有机体的能力，所有化合物都至少可以引导非极性麻醉型毒性，因此非极性麻醉型毒性是化合物的最小毒性，也称基线毒性。一般脂肪族烷

7、烃、烯烃、醇、醚、酮以及苯和卤代苯类化合物被公认为是基线化合物。1.2极性麻醉型（或弱惰性）化合物和非极性麻醉型化合物一样，弱惰性化合物在整个毒性作用过程中也没有发生生物化学反应，但是其毒性比基线毒性稍高一些，通常被认为是极性麻醉性作用机制[4]。虽然非极性麻醉型和极性麻醉型作用机制在生理学上的区别没有详细的说明，但我们可以通过这些化合物的结构来进行区分。这类化合物一般都包括氢键供体，例如苯酚类和苯胺类[14]。这类化合物也被证明与