基于实验结合密度泛函理论的多环芳烃氧化衍生物对海洋微藻的毒性效应研究

The components and persistence of the resolved polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) will be changed with the formation of the oxygenated PAHs (oxy-PAHs) for the marine oil spill pollution in the weathering process. Oxy-PAHs are detected in various environmental matrices. However, little is known regarding its basic research on the ecotoxicological properties. In the present study, the toxic effect of oxy-PAHs to marine microalgae will be investigated by comparing the growth inhibition effect with that of the parent, measuring the physiological endpoints in cellular level by flow cytometry and assessing the genotoxicity by commet assay. On the basis of the experimental results, The molecular structure descriptors characterising the partitionship in the biological phase, steric effect and electrophilicity will be seleceted and computed by using density functional theory (DFT) to develop the corresponding quantitative structure-activity relationship (QSAR) models. The main molecular structural factors affecting the toxicity of oxy-PAHs to microalgae will be investigated. The objective of the present study is to explore the toxic mechanism of oxy-PAHs to microalgae and to have a deep understanding of the ecological risk of oil spill.

海洋溢油污染向水体中释放的溶解态多环芳烃(PAHs)的组成和持久性会在风化过程中发生改变，生成PAHs的氧化衍生物(oxy-PAHs)，oxy-PAHs在各种环境介质中普遍存在。然而，当前十分缺乏对其生态毒理学性质的基础研究。本项目拟系统研究oxy-PAHs对海洋微藻的毒性效应，比较oxy-PAHs与母体化合物对海洋微藻的生长抑制效应，采用流式细胞仪测试模型化合物对海洋微藻细胞水平的生理学指标影响，基于彗星实验评估其对海洋微藻的遗传毒性。在此基础上，结合密度泛函理论(DFT)，选取表征oxy-PAHs在生物相中的分配作用、立体效应、亲电特性等分子结构描述符，发展相应的定量结构-活性相关(QSAR)模型，研究影响oxy-PAHs毒性的分子结构因素。本项目的开展致力于探索oxy-PAHs对海洋微藻的毒性作用机制，深层次揭示溢油生态风险。

近年来，突发性海上溢油事故在全球范围内频繁发生，导致大量石油由于各种事件进入海洋环境，海洋石油污染的隐患日趋严重。留存于海洋中的溢油，除少量分子量较低的石油组分通过蒸发进入大气，然后通过光化学氧化作用分解外，绝大多数石油组分将继续存留于海洋及其周边海岸带，从而对受污海域的浮游生物、贝类、鱼类等海洋生物产生危害，难降解石油组分还可以在生物体内富集并沿食物链向更高的营养级传递乃至最终危及人体健康。因此，海洋石油污染及由此引发的生态风险已经成为各国政府部门、科学界和公众重点关注的首要问题。本项目着眼海洋污染领域的热点问题，以国内外相关领域的最新研究成果为基础，绕典型溢油毒性组分——多环芳烃及其衍生物的毒性效应及其生态风险关键技术开展下述两个方面的研究工作：1）基于计算毒理学技术研发了生物毒性效应预测方法和优先控制污染物筛选方法，并应用于溢油毒性特征污染物的甄选和溢油组分的海洋生物毒性效应预测，筛选出海洋溢油事故的12种特征污染物。该技术首次引入基于密度泛函理论的定量结构-活性相关模型，为优先控制污染物筛选和海洋环境污染物的生物毒性效应研究开辟了新方法和新思路，为海洋环境管理部门在溢油及新兴污染物监管和灾后处置等方面提供科学依据。2）开展了10种主要溢油致毒组分及其风化产物对发光细菌（Vibrio fischeri）及海洋微藻（Phaeodactylum triconutum Bohlin）的急慢性毒性效应及定量结构-活性相关模型（QSAR）研究。基于毒性作用机理分析和化合物的自由溶解态浓度，成功构建了溢油中主要毒性组分芳香烃类化合物对发光细菌的毒性QSAR模型，平均分子极化率和最高占据分子轨道能等分子结构参数决定其毒性大小。