近日，環境學院李超副教授、趙元慧教授團隊在有毒有害污染物的環境轉化行為和毒性的計算毒理學方向的系列研究成果，榮獲吉林省科學技術獎自然科學獎二等獎。
化學品是新污染物的主要來源，篩查具有環境持久性的有毒化學品并進行管理，是國務院《新污染物治理行動方案》重要行動舉措之一。但此項工作面臨著化學品種類巨多且增長速度快的嚴峻挑戰。據統計，目前市場上30余萬種化學品，只有不到0.5%的極少數，具有環境持久性和毒性數據，無法滿足高通量篩查新污染物的需求。
計算毒理學基于數學和計算機模型，采用分子生物學與化學等手段，揭示了化學物質危害性與風險性之間的定性和定量關系，為篩選持久性有毒化學品提供高通量的決策支持工具。我校教師團隊圍繞有機磷阻燃劑、農藥、抗生素等化合物的環境行為、毒性效應、預測模型構建等方面，開展持續、系統研究，在理論、方法和計算模型三個維度上取得了系列創新成果。
研究團隊揭示了環境因子和分子結構決定新污染物轉化速率和產物的內在機制。以有機磷阻燃劑磷酸三(2-氯丙基)酯為例，發現大氣水分子通過與其形成氫鍵，改變反應前絡合物和過渡態的結構，使反應活化自由能及能壘增加，導致大氣持久性顯著增加，并且改變產物分布，該研究揭示了環境因子導致污染物大氣持久性增加的新機制，為污染物持久性評價方法的改進提供理論依據。揭示了難降解的新污染物有機磷阻燃劑的持久性從高到低依次為：鹵代類、烷基類、芳基類和其他類，并闡明了影響其持久性的主要分子結構參數。還發現了污染物的供\吸電子基團會顯著影響物質的反應活性，吸電子基團化合物較供電子基團與eaq-反應活性更高，反應活化自由能更低，在還原體系中更易發生脫鹵。這些工作填補了一些新污染物持久性數據空白，為其風險評價和污染防控提供數據支持。
圖1 量化計算和QSAR模擬預測典型新污染物的環境持久性以及揭示轉化機制及毒性演變
研究團隊建立了不同物種間以及體外-體內毒性的相關性模型，揭示新污染物的毒性作用機制。傳統毒理學面臨多種挑戰：試驗測試周期長，成本高，大量使用動物產生倫理問題等。開展跨物種毒性及體外-體內毒性外推是彌補毒性數據缺失的有效替代方法。然而這些方法均面臨預測準確度較差的問題。項目團隊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。通過考慮這些參數，模型的外推能力即相關系數(R2)可由0.26提高至大于0.84，為毒性預測提供新思路和新方法。針對體外-體內毒性外推難題，項目從生物攝取平衡、藥代動力學、作用模式等角度探討了影響外推準確度的主要因素，并通過引入分子參數，如生物富集性、疏水性、化學穩定性等，將模型的預測準確度從R2為0.55提升至0.8，為體外–體內毒性外推奠定了理論基礎。
圖2 基于毒性作用模式、種間關系和構效關系發展化學品毒性效應預測模型并揭示毒性機理
科研團隊創建了一系列計算毒理模型，實現了>40類數萬余種化學品毒性及環境轉化動力學參數的高通量預測。針對環境轉化動力學參數，使用30余種量化描述符，構建了6種動力學參數的預測模型，實現了對不同離子形態、不同溫度、不同污染物類別及不同環境介質中污染物轉化動力學參數的預測，有效彌補了環境持久性數據的缺失。針對化學品毒性參數，使用20余種描述符，構建了30余種毒性終點的預測模型，實現了對發光菌、魚類、綠藻、老鼠等生物毒性的預測。
圖3 有機污染物與各類氧化劑/還原劑反應速率常數的預測方法和模型
系列成果分別發表在Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Ecotoxicol. Environ. Saf.等環境、毒理領域有國際影響力的學術刊物上，獲得較廣泛的公認度；部分研究成果被整合到我國“化學品預測毒理學平臺”，且被國家生態環境部采納應用于持久性物質的篩查；培養博士畢業生4名，碩士畢業生6名，其中碩士研究生黃昱獲得吉林省優秀碩士學位論文，為推動我國環境計算毒理學的學科發展做出了貢獻。
