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1、1有机污染物对水生生物毒性作用机理的判别及影响因素 李金杰 张栩嘉 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
2、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
3、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（Quantitative Structure -Activity Relationships, 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
4、机化合物对古比鱼（Poecilia reticulata）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毒性作用机理分类方式，例如 Russom 以黑头呆鱼（Pimephales promelas）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
5、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。*通讯联系人，TEL：0431-85099550 ；E-mail：庆 祝 王 连 生 教 授80 寿 辰 专 刊2
6、了细胞膜的结构和功能，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 log KOW 有很好的相关性，可以建立良好的 log KOW 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
7、脂肪族烷烃、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疏水性参数logKOW 有较好的相关性。比较非极性麻醉型化合物和极性麻醉型化合物对水生生物毒性与疏水性参数 logKOW 的相关方程，发现极性麻醉型方程的截距
8、较大而斜率较小，这说明对高疏水性化合物而言，非极性麻醉型化合物和极性麻醉型化合物的毒性比较接近。赵元慧等研究了非极性麻醉型和极性麻醉型化合物对梨形四膜虫（Tetrahymena pyriformis）的毒性，并分别建立了 logKOW 单参数模型，模型的决定系数 R2 分别为 0.94 和 0.84，截距分别是 -1.91 和-1.05，斜率分别是 0.783 和0.647。可以看出虽然两个模型的决定系数都比较高，但是并不是平行关系，而是在 logKOW 较高的部分存在交点。在 logKOW 的基础上引入分子极化率参数（ S） ，可以很好的将非极性和极性化合物拟合在一起，决定系数 R2 达到
9、0.938。1.3 反应型化合物 反应型化合物是指化合物本身或者其代谢产物能与普遍存在于生物大分子的某些结构发生反应的有机物。反应型有机化合物结合的生物靶位主要是多肽、蛋白质和核酸中的亲核基团 8，例如氨基（-NH2 ） ，羟基（-OH ）和巯基（-SH ）等。化合物与亲核靶位之间的亲电 -亲核反应是非特异性的，并且可以产生多种不良后果 15。因为反应型化合物与亲核配体结合的方式多种多样，所以很难用一两种参数将反应型化合物统一建立 QSAR 模型。Moosus 和 Maran 应用具有不同作用机理的253 种化合物对大型蚤（Daphnia magna）的毒性数据建立了四参数 QSAR 模型，除
10、了疏水性参数外，最高占有分子轨道能 Ehomo 是对模型影响最大的参数 16。E homo 与化合物的电离电势相关，可以表征化合物对亲电试剂的敏感程度 17。E homo 越高化合物就越容易给出电子，反应性较强。E homo 是区分软亲电试剂和硬亲电试剂主要因素，软亲电试剂 Ehomo 都处于较高的水平而硬亲电试剂的 Ehomo都处于较低的水平。在 Moosus 和 Maran 的研究中，毒性与 Ehomo 成负相关，说明硬亲试剂的毒性小于软亲电试剂，因为在生物有机体内亲核作用靶位要远远多于亲电作用靶位 16。 1.4 特殊作用型化合物特殊作用型化合物是指能与某些受体分子发生特异性相互作用的化
11、合物，例如有机磷酸酯类化合物能够有效的抑制乙酰胆碱酯酶，DDT 是作用于神经元上的钠离子通道调节受体（特异或受体毒性） ； 另外， （二硫代）氨基甲酸酯和菊酯类化合物都是特殊作用型化合物 4。2. 化合物毒性作用机理分类的判别2.1 反应型和非反应型毒性化合物的判别为了区分反应型和非反应型化合物，许多研究者引入了毒性比率（Toxic Ratio ）的概念 4,18-19。毒性比率（TR）是指用基线模型预测的毒性（ Tpred）与有机物观测毒性（ Texp）的比值，如方程1。如果有机物的 TR 值接近于 1，说明其毒性表现为基线毒性作用模式，有机物的 TR 值越大，说3明其多于基线毒性的剩余毒性
12、越大，一般反应性化合物都有较大的剩余毒性。 TR = Tpred (baseline)/Texp (1)一般用 TR=10 作为反应型和非反应型化合物的临界值，化合物的 TR 值在 1 到 10 之间说明其为非反应型化合物，如果化合物的 TR 值显著地大于 10 说明其存在剩余毒性，也说明有机物与生物靶位之间发生了相互作用，为反应型化合物 4。用毒性临界值来区分反应性和非反应性化合物很容易受到实验误差等其他因素的干扰，为了更好的对有机物进行分类，根据对水生生物毒性数据的研究，确认了一系列能与生物蛋白共价结合的化学结构警示。Hermens 于 1990 年发表了一系列（共 36 种）直接作用型亲
13、电化合物结构警示，含有这些结构的化合物对多种鱼类都表现出了剩余毒性 20。 Verhaar 等不仅建立的化合物分类规则，同时也给出了 22 种结构警示，这些化学结构能与蛋白质中的赖氨酸或者半胱氨酸共价结合 4。在Verhaar 研究的基础上，Nendza 等发表了一系列文章探讨了结构警示的亲电反应能力和物理化学性质，并通过研究鱼和大型蚤的毒性数据建立了化合物的分类规则 21,22。Schultz 研究组建立了梨型四膜虫（Tetrahymena pyriformis）的毒性数据库并且也鉴别出了一些亲电反应化合物类型，例如极化烯烃、卤代羰基化合物和活化芳香系统 23, 24。Von der Ohe
14、 等应用有机物对大型蚤的毒性数据确认了 7 种直接作用型和 6 种间接作用型亲电结构警示 18。Enoch 等详细地总结了反应型化合物与共价蛋白结合的五种亲电反应历程以及结构警示 15。2.1.1 酰化作用。含有羰基或者类羰基（C=O, S=O, P=O ，N=C=N）化合物被生物亲核试剂赖氨酸或半胱氨酸攻击，如果羰基上连接了一个较好的“离去基团”，酰基化反应就会发生。 “离去基团”指具有稳定的电负性的基团，例如卤素、氰基、羟基等，而电负性越大酰基化反应越容易发生（图 1.a）25,26。羰基或者类羰基连接在三元、四元、五元环或者杂环上，由于环内张力的作用，也可以发生酰化作用( 图 1.b.c
15、) 25-27。另外异氰酸酯类化合物也是酰化作用模式(图 1.d) 27。图 1 是酰化反应历程示意图，其中 Nu 表示亲核试剂， X 表示离去集团。图 1 酰化反应历程Fig. 1 Acylation reaction mechanism2.1.2 迈克尔加成反应。被极化的双键或者三键在 位的碳会存在电子缺陷，被生物亲核试剂攻击发生加成反应，称为迈克尔加成反应。迈克尔加成反应主要包括以下几种结构警示：极化烯烃及其含氮的同系物(图 2.a) 32,33、极化炔烃( 图 2.b) 3,26,30、醌类化合物(图 2.c) 4,30-33、以及酸性酰亚胺( 图 2.d) 33。图 2 是迈克尔加成
16、反应历程示意图。丙烯酸酯、,-不饱和酮和醛都是典型的迈克尔加成反应型化合物，Schultz 建立了这三类化合物对梨形四膜虫毒性的 QSAR 模型，结果表明：,-不饱和酮的毒性只与电性参数有关；,-不饱和醛的毒性除了与电性参数有关外还与疏水性参数有关；而丙烯酸酯的毒性基本接近于一个常数。另外此类化合物多具有空间位阻作用，以上三类化合物的剩余毒性 TR 值都随着有机物碳链的增长而减小 24。4图 2 迈克尔加成反应历程Fig. 2 Michael addition reaction mechanism2.1.3 双分子亲核取代反应（S N2）亲核试剂攻击连接了离去基团的脂肪族碳、氮、硫或卤素原子而发生的反应。主要有以下几种反应类型：含有反应性 sp3 杂化
