离子液体对水生生物毒理机制、构效关系及手性差异性研究

Ionic liquids are now used widely as a new kind of "green solvents", while its ecological impact can not be ignored. The toxicity of ionic liquids with different structures, such as different type of cation and anion, the length of carbon chain, different configuration, to aquatic organisms will studied in this project. Study the acute toxicity of ionic liquids with different structures to green alga, to reveal the structure-activity relationship. The indexes such as oxidative damage, chlorophyll content, PSⅡ, cellular permeability, cell ultrastructure and DNA damage in green alga will be tested, to resolve the toxicity mechanisms of ionic liquids to green alga and the safty of ionic liquids to aquatic ecosystem. With the study of the interaction between ionic liquids and biomacromolecule, possible toxicity mechanisms of ionic liquids to organisms can be analyzed further. The study of this project will provide theoretical support to developing and using environmental friendly ionic liquids reasonably. And it will also provide basis to low-toxicity and biodegradable green solvents production in chemical industry, and provide theory basis to evaluate environmental security of ionic liquids.

离子液体作为一种新型的"绿色溶剂"得到广泛应用，其潜在的生态影响不容忽视。本项目拟选择不同结构（阳离子类型不同、阴离子类型不同、取代基侧链碳链长度不同、构型不同）的离子液体作为研究对象，研究不同结构类型的离子液体对水生生态系统中常见生物绿藻的急性毒性，解析离子液体的结构和毒性效应关系；研究不同结构类型离子液体对绿藻的氧化胁迫影响、藻叶绿素含量、光系统Ⅱ（PSⅡ）、细胞通透性、细胞超微结构以及DNA损伤影响的研究，解析不同结构类型离子液体与绿藻毒性差异的作用机制，评价离子液体对水生生态系统的安全性，评价其使用后可能造成对水生生态效应的差异性；结合离子液体与生物大分子相互作用的研究，解析离子液体对生物毒性的可能机制。项目的研究可为合理开发和使用环境友好型离子液体提供理论支持，为化学工业中进行低毒的可生物降解的绿色溶剂生产提供良好依据，为离子液体的环境安全性评价提供理论依据。

离子液体（Ionic Liquids, ILs）由于具有极低挥发性等良好理化性质被认为是一种替代传统有机溶剂的新型绿色溶剂，然而高水溶性和难降解性使其对水环境造成潜在威胁。本项目研究了21种不同结构（阳离子类型不同、阴离子类型不同、取代基侧链碳链长度不同、构型不同）ILs对斜生栅藻和蛋白核小球藻的毒性效应和毒理机制。.ILs对绿藻的IC50值随暴露时间的延长先减小后增大，48 h时毒性最强；按照48h-IC50值，ILs毒性属于中毒以上，碳链长度大于8以上的ILs毒性属于高毒甚至极高毒。ILs毒性大小与结构的关系规律为：①随取代基碳链长度增长而毒性增大；②阳离子：咪唑类ILs >吡啶类ILs；③ 阴离子：NO3--ILs > Cl--ILs，Br--ILs > Cl--ILs；④取代基：一取代ILs >二取代ILs；⑤手性：L-(+)-RMIMT＞D-(-)-RMIMT。藻细胞内叶绿素含量随ILs浓度增加而减小，呈明显的剂量-效应关系。ILs对叶绿素荧光参数F0、Fm、Fv/Fm、Fv/F0、Y(Ⅱ)、qP、NPQ、rETR均产生影响，造成PSII破坏，电子传递受阻。ILs导致细胞膜通透性增大，改变细胞形态，导致质壁分离、叶绿体片层结构模糊松散、线粒体体积及线粒体嵴变肿胀、液泡内出现黑色内含物、蛋白核与拟核破损等。ILs导致蛋白种类和数量减少，上调蛋白主要是蛋白折叠过程，蛋白质代谢过程和三磷酸腺苷结合蛋白下调。ILs处理细胞内ROS含量显著增加且存在剂量-效应关系，藻细胞内SOD和CAT活性呈现先增加后减小的趋势且浓度在IC50左右达到最大。ROS含量与生长抑制率、叶绿素含量、细胞膜通透性存在线性关系。ILs对绿藻的毒性机制可能是由于细胞内产生过量ROS导致氧化胁迫，造成细胞损伤，光合作用受损，生长受抑制。ILs与DNA的相互作用方式为嵌插作用，DNA与ILs的荧光猝灭机制为静态猝灭。.项目研究揭示了ILs对绿藻毒性的构效关系，解析了不同结构ILs与绿藻毒性差异的作用机制，探讨了手性ILs生态毒理差异性及其可能机理。项目的研究可为合理开发和使用环境友好型ILs提供理论支持，为化学工业中进行低毒的绿色溶剂生产提供良好参考，为ILs的环境安全性评价提供理论依据。