“典型化学污染物在环境中的环境过程机制及多水平生态毒理效应”研究获2005年度国家自然科学奖二等奖。

日期 2006-02-23　来源：情况交流　作者：化学科学部王春霞　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　中国科学院生态环境研究中心徐晓白院士、南京大学王连生教授、南开大学戴树桂教授和中国科学院动物所黄玉瑶研究员共同完成的“典型化学污染物在环境中的环境过程机制及多水平生态毒理效应”研究获2005年度国家自然科学奖二等奖。　　在yabo app “八五”国家重大基金项目“典型化学污染物在环境中的变化及生态效应”及后续一系列基金的资助下，徐院士等主要关注以下重点问题：　　1）重大环境问题，从本质上说大部分是由化学物质直接或间接造成的。防止化学物质污染，一直是世界各国环境保护的主要目标和手段，我国政府应给予足够的重视，以预防为主，不要走"先污染，后治理"的道路。2）当前该领域国际研究的新动向是运用新方法研究污染物本身及其降解代谢物在环境（水、土、气）中的迁移、归趋和机理，并结合生物监测、毒性试验、计算技术、量子化学技术对污染物整体生态效应进行多学科综合研究，不仅重视质的研究，而且兼及量的变化。3）针对我国污染形势严峻，对潜在污染物重视不够的实际，瞄准国家需求，结合履行国际公约的进程，组织高水平的交叉学科队伍，进行前瞻性、开拓性的应用。　　项目结合国家履行斯德哥尔摩国际公约的需求，系统研究了持久性有机污染物和一批环境影响明确但尚未引起足够重视的系列化合物，并创造性的进行了有机污染物的构效关系（QSAR）研究。选择持久性有机污染物、多氯联苯、有机锡、氯代芳烃、多环芳烃及其衍生物、类雌激素污染物及氯代二恶英等一系列的典型污染物，对其进行了环境化学、生态学、毒理学、环境卫生学等多学科的研究，并建立了多介质循环模型和危害性预测模式，说明其化学变化、降解机理、毒理和生态效应机理。研究中注意了方法学问题，系统研究了典型化学污染物在环境中的环境过程机制及多水平生态毒理效应，取得以下主要成果。　　一、深入研究有机锡的环境行为、多介质模型、分子毒理学效应以及生态效应。　　锡是我国的丰产元素，有机锡化合物广泛用于工农业、交通和卫生等部门，主要　　用作聚氯乙烯稳定剂、防污涂料及杀虫剂、杀菌剂，有机锡农药和防污涂料是水环境中有机锡的主要来源，对多种生物都有不同程度的毒害作用。迄今为止，有机锡化合物是人为引入海洋的毒性最大的物质之一。建立有机锡的多介质模型。研究了有机锡在水/泥、水/气界面间，特别是在水体表面微层的迁移过程，9 种有机锡化合物和四氯化锡在底泥/水间的分配系数，以及建立了定量结构性质关系式。模拟三丁基锡的生态毒理学效应。通过水体中有机锡生态毒理研究，阐明了几种有机锡对咸淡水交叉带水生生态结构的影响，对潮间带生物群落结构、浮游植物群落结构中生物种类的演变，并模拟探明了有机锡在河口生态系统中扁藻-虫-糠虾三级食物链中的迁移传递规律，及其富集和去除的环节；研究揭示了三丁基锡对鱼、蚤、虾有明显的毒理效应和某些生理生化现象。全面探讨有机锡对海洋生态系统的影响及其调控对策。探明了海水中微藻对三丁基锡有明显的转化和降解能力。河口实地综合调查表明，丁基锡污染有加重趋势，水体表面微层对三丁基锡有富集作用。通过表层底泥制成的悬浮颗粒物对三丁基锡、二丁基锡的吸附试验，研究了水-间隙水-底泥迁移过程，在用14C 标记、同位素示踪法研究模拟河口水环境中三丁基锡归趋的基础上，建立了包括水体表面微层和食物链的多介质循环模型，结合胶州湾内有机锡实测资料，初步估计了有机锡对胶州湾生态环境的影响，在此基础上初步提出了有机锡的调控对策。　　二、发现二恶英的生成及降解机理。通过多途径研究，首次阐明了六六六热解时生成二恶英的机理，证明其为二恶英重大污染源。光解和微生物降解研究进一步证明了这类污染物持久性强，一旦进入环境，难以排除和治理。湖底泥研究表明，四氯代-二苯并-二恶英（TCDD）半衰期达4年，高氯代物更稳定。对漂白纸浆中二恶英也开始了一些研究。　　三、对其他典型污染物的研究。硝基多环芳烃、多氯联苯、环境类雌激素污染物，氯代二恶英/呋喃、氯代芳烃、硝基芳烃化合物等都具有强的“三致”（致癌、致畸、致突变）效应。燃煤过程、氯碱工业等都会产生这些污染物，但大多至今在国内未被列为常规监控对象，本项目对它们在环境中的变化机理和生态效应以及分析监测方法进行了全面系统的研究。深入探讨硝基多环芳烃的环境行为和生态毒理学。建立了灵敏的衍生化/气相色谱法，进一步研究了大气颗粒物、大气海洋沉积物等中的硝基多环芳烃分布。首次在城市水中检测到了硝基多环芳烃，采用先进方法测定了硝基多环芳烃几种最基本的理化参数如溶解度、正辛醇-水分配系数等。光解方面除进行了二硝基芘在模拟大气条件下的作用外，还探讨了它们在模拟水环境中的消失动力学等。在水生生态系统中研究了它在大型蚤、鱼体中的富集、消失或归趋，鱼类在它们的水溶液中暴露后鳃组织的初步变化以及它们的致突变活性与理化参数或结构的变化，并结合分子生物学开始了与 DNA 形成加合物的研究。阐明多氯联苯的环境行为和内分泌干扰作用。首次提出非等间隔多氯联苯 (PCBs) 保留指数体系定性，成功地分析了多种环境样品中各类多氯联苯同类物 (congeners) 含量。首次测得了 PCB52 晶体结构，研究了若干 PCBs 光解规律及毒性，提出了新的机理解释。对温台地区土壤中的PCBs进行了多年的跟踪监测。结果发现受污染土壤中PCBs经过多年迁移转化后，其同类物分布和原污染源比较有了较大的变化。运用主成分分析法深入探讨了多氯联苯在典型污染区的污染来源及其在土壤中的迁移转化规律和在各个环境介质中的分布。另外还发现国产PCB3和PCB5能导致模型动物前腿畸形(大约80%)和性腺畸形(大约15% )，此结果证明了这两种PCBs有很强的内分泌干扰作用，尤其雌性化作用；国产PCB3和PCB5诱导的前腿畸形源于股骨关节头与肩臼的错误连接。这种畸形在其它动物中未被报道过。探索环境中类雌激素污染物的筛选方法。环境中类雌激素污染物试验筛选技术的研究瞄准了国际上环境危险性评价的前沿领域，利用学科交叉优势，从环境类雌激素污染物对生物的激素作用与其致癌性相关的角度，利用生化指标探索了快速、简单的筛选方法。探讨了该类化合物结构对其生态功能及环境行为等的影响，建立了MCF-7乳腺癌细胞增生试验及动物模型法，为建立适合我国国情的环境类雌激素物质的快速筛选和控制提供了理论基础和管理对策。研究氯代芳烃结构与毒性作用机理的关系。系统地研究了氯代芳烃的结构与性质之间的因果关系，结构与活性之间的量变规律，建立了氯代芳烃结构-性质-活性的数据库，提出了一些新的QSAR计算方法，如简捷、适应性广的 Lewis 酸碱定量法，用替代生物法预测化学品生物毒性的估算法，简便易行的分子表面积计算法等，将拓扑学与分子轨道法相结合，促使结构活性的研究方法向综合性、理论性、智能化方向发展。还发现在厌氧条件下，氯代芳烃降解脱卤反应主要与疏水效应和电性效应。探讨硝基芳族化合物在水环境中的变化和生态毒理学效应。以松花江有机污染为背景，实测了26 种硝基芳烃对鲤鱼、隆线蚤、栅列藻、江水细菌、发光菌在细胞水平上的毒性作用，并完成了一系列联合毒性研究及富集试验，还得到了以发光菌为基础的 4 个相关方程；用 6 种结构描述符对5 种水生物毒性进行模拟，获得了良好的 QSAR方程，并推测取代基电子效应为主要因素。　　四、有机污染物的QSAR研究。采用QSAR技术预测有毒化学品的暴露水平及各种迁移转化机制。应用量子化学预测有机污染物的转化机理和降解途径。针对很多典型污染物的理化性质、环境行为特性以及生态毒性等发展了各种估算方法和理论预测模型，为有机污染物的风险评价提供了大量的基础数据和应用技术。开展三维构效关系（3D-QSAR）与毒性机理研究。利用3D-QSAR技术，模拟有毒化学品与生物大分子的结合、反应，揭示了典型有机污染物的致毒作用机理，建立了基于三维受体－化合物结合信息的生物效应预测模型。开创性地进行混合有机污染物的QSAR研究。发现了混合有机污染物的复合分配行为规律，提出了混合分配系数的概念，应用C18膜建立了混合分配系数的测定方法，推导出混合分配系数的理论计算公式，基于分子碎片方法发展了混合分配系数的估算方法。开展了混合有机污染物的联合毒性研究，探讨了混合有机物的联合毒性机制。开创性地进行了混合有机污染物的定量结构-性质/活性关系研究，初步建立了混合有机物QSAR研究的理论体系。应用混合膜/水分配系数成功预测了麻醉性化合物的联合毒性。开发有机污染物内分泌干扰活性的理论预测软件。对内分泌干扰物质的毒性机制和分子结构基础进行了系统研究，建立了环境污染物内分泌干扰活性的判别与分类系统，发展了一系列能够准确预测内分泌干扰活性的理论预测模型。在此基础上，整合各种分子结构参数化技术和多个高级建模方法，发明了有机污染物内分泌干扰活性预测软件（有机污染物活性估计与预测软件[简称：EPAOC]V1.0，2003SR11469）。该软件同时还可以预测各种毒性以及理化性质。　　以上所取得的成果，进一步深化了典型化学污染物环境过程机制及生态效应方面的研究，建立了一套综合研究污染物化学行为和生态效应的先进方法，在国内外获得广泛应用，取得了显著的社会效益和经济效益，必将推动国内外在这方面的研究。该项目的工作为争取人与自然协调、经济持续发展和为国家有关部门建立关于持久性有机污染物的研究提供了坚实的基础和相关方法。