有机污染化学.ppt

1,有机污染化学专题讲座之九,有机污染化学 中的若干重要问题,2,有机污染化学 王连生 ，高等教育出版社,南京大学优秀教材一等奖，1995年 国家教委优秀教材一等奖，1995年 国家教育部科技进步（教材类）二等奖，1998年 教育部推荐优秀研究生教学用书， 2003,3,参考书目,有机污染物定量结构-活性相关（王连生等，1993，中国环境科学出版社） 分子结构、性质与活性（王连生等，1997，化工出版社） 分子连接性与分子结构活性（王连生等，1992，中国环境科学出版社） 分子结构与色谱保留（王连生等， 1994，化工出版社） 致癌有机物（王连生等， 1993，中国环境科学出版社） 环境健康化学（王连生等，1994，化学工业出版社） 有机污染化学进展（上、下）（王连生等，1997，化学工业出版社） 痕量有机污染物的检测（齐文启等，2001，化学工业出版社）,4,本课程主要内容,有机污染物的环境行为 有机污染物的理化性质估算方法 有机污染物的分子结构-性质/活性关系 有机污染物的风险评价 有机污染物的生态毒性及毒理,5,目录,有机污染物的环境过程机制 混合有机污染物的环境行为 有机污染物理化参数的估算方法 有机污染物的分子结构-性质-活性关系 有毒化学品的风险评价 有毒有机物的环境安全与健康效应 大气气溶胶中有机物的污染、效应与控制 土壤有机污染物增溶材料的研究 有毒有机物的筛选,6,有机污染化学主要研究有机污染物的性质、环境行为规律、环境过程机制、毒性效应与风险评价，以及影响有机物在自然系统和工程系统中归宿的环境因素。这些性质和环境因素可以用来定量评价有机化学品的环境行为，其主要的研究内容包括有机物在气、液、固相平衡分配、迁移过程、转化过程、模型工具，以及环境系统的个例研究。,有机污染化学概述,7,一有机化学品理化参数及其估算方法,评价有机污染物环境行为，涉及到有机污染物在环境中的迁移与转化行为，包括各环境介质之内和之间的溶解行为、分配行为、吸附/解吸、挥发、微生物降解、光解、水解、氧化/还原等行为。控制这些过程行为常用的理化参数有26个，见表1。这些参数的取得，通常用实验方法测定，而有机化学品种类繁多，难以全用实验方法获取，因此相继发展了各种估算方法。,8,表1.描述有机污染物的环境行为的26种参数,9,辛醇-水分配系数,有机化合物的正辛醇-水分配系数（Kow）是指平衡状态下化合物在正辛醇和水相中浓度的比值。它反映了化合物在水相和有机相之间的迁移能力，是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学参数，它与化合物的水溶性、土壤吸附常数和生物浓缩因子密切相关。 通过对某一化合物分配系数的测定，可提供该化合物在环境行为方面许多重要的信息，特别是对于评价有机物在环境中的危险性起着重要作用。它能描述化合物进入生物靶分子部位的分配系数与结合难易程度。 测定分配系数的方法有振荡法、产生柱法和高效液相色谱法。 有机污染物的Kow在10-3107之间,10,14种计算Kow的方法和程序,11,生物富集系数（BCF）,BCF是生物组织（干重）中化合物的浓度和溶解在水中的浓度之比。也可以认为是生物对化合物的吸收速率与生物体内化合物净化速率之比，生物富集系数是描述化学物质在生物体内累积趋势之重要指标。 如生活在多氯联苯(PCB)含量为1µg/L水中的鱼类，28天后的富集系数为水体中含量的37，000倍，再放回不含PCB的清洁水中，84天以后的净化率为61%。水生生物在水体中对化学物质的吸收和积累作用，往往是通过水和脂肪之间的分配来完成的。,12,活度系数,活度系数集中反映了真实溶液与理想溶液的差别，因此说：活度系数是真实溶液偏离理想溶液的程度的量度 离子在化学反应中起作用的有效浓度称为离子的活度 a=i c,13,蒸气压,化合物的蒸气压表达了该化合物从环境水相向大气中的迁移程度，一般而言，具有高蒸气压，低溶解度和高活性系数的化合物最容易挥发，挥发的速度有时还决定于风，水流和温度。一般低分子量的化合物如烷烃、单环芳烃和一些有机氮化物都有很高的蒸气压和很低的水溶性，有的资料也用亨利常数HC来表示化合物的挥发性。 HC表示在标准温度和压力下，化合物在空气和水中的相对平衡浓度，蒸气压与化合物在水中溶解度的比值，表示该化合物的挥发性。公式: 溶解度亨利常数*分压,14,溶解度,有毒化学物的环境监测和环境效应研究过程中，它们在水中的溶解度可能是影响化学物在各种环境要素，如大气、水体、水生生物和沉积物（底质）中迁移、转化的最重要性质之一。大部分无机化合物在水中呈离子态，故其溶解度都比较大，许多有机物呈非离子态，在水中的溶解度则比较小 非离子性化合物的溶解性，主要取决于他们的极性，非极性或弱极性的化合物易溶于非极性或弱极性溶剂中，反之，强极性化合物易溶于极性溶剂，水是强极性溶剂之一。所以甲烷、四氯化碳等非极性化合物在水中溶解甚少，芳烃类化合物属弱极性，在水中的溶解度也不大。随着芳烃环上取代基的增加（如PAH），它们在水中的溶解度变得越来越小，相反，强极性的醇，有机酸等及带OH、SH、NH基团的化合物在水里的溶解度则相当大,15,水解作用,有机毒物与水的反应是X-基团与OH-基团交换的过程：在水体环境条件下，可能发生水解的官能团有烷基卤，酰胺，胺，氨基甲酸脂，羧酸脂，环氧化物，腈，磷酸脂， 磺酸脂，硫酸脂等,16,光解作用,光解作用是真正意义上的有机物分解过程，它不可逆的改变了有机物的分子结构。 阳光供给水环境大量能量，吸收了太阳光能的物质可将辐射能转换为热能。吸收了紫外和可见光谱一定能量的分子，可得到有效的能量进行化学反应，如光分解反应，它强烈的影响水环境中某些污染物的归趋。 污染物的光解速率依赖于许多化学和环境因素，其中主要取决于太阳光的辐射。由于到达地球表面的太阳光，最短波长为286nm，作为环境过程，当然只关心有机物吸收大于286nm波长的光后所产生的光解过程。,17,光学光谱区,100200nm,200286 380nm,380780 nm,780 nm 2.5 m,2.5 m 50 m,50 m63 m 300 m,18,生物降解作用,有机毒物在微生物(酶)的作用下，进行生物降解有二种模式：生长代谢，共代谢 1.生长代谢(Growth metabolism) 有毒有机物作为微生物培养的唯一碳源，使有毒有机物进行彻底的降解或矿化。 2. 共代谢(Cometabolism) 某些有机物不能作为微生物培养的唯一碳源，必须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机物才降解，这类降解称共代谢作用，它在难降解的有机物代谢过程中起重要作用,19,土壤/沉积物分配系数,土壤（或沉积物）对有机化合物的吸着主要是溶质的分配过程（溶解），即有机化合物通过溶解作用分配到土壤有机质中，并经过一定时间达到分配平衡。,20,热容,热容量，简称“热容”，某一物体温度升高1摄氏度所需的热量，（即相当于该物体的质量和它的比热的乘积） 水的热容在一切固体和液体中是最大的，所以对调节气候有重大意义,21,大气滞留时间,大气层的厚度约为 1000 公里，由地面垂直向上，可分为五个层次：对流层、平流层、中气层、热气层和外气层，与人类关系最密切的是对流层与平流层 。对流层位于大气层的底部，贴近地面，它的厚度随纬度而异，平均为 13 公里。这层气圈相对于整个大气圈来说是很薄的，但它的质量却占了整个大气圈的 3/4 。它的温度自地面向高空逐渐降低，上冷下热的特性使对流层的气体产生大规模的垂直对流运动，主要的天气现象如风云、雨、雪等都发生这一层里。 由于平流层很少有空气上下混合之现象，因而进入平流层的污染物质便不易扩散。,22,汽化热,定义：单位质量的液体在温度保持不变的情况下，转化为汽时所需要的热量 单位：焦耳/千克，常用的单位还有千卡/千克 不同液体它们的汽化热不同，同种液体在不同的温度时汽化热也不同，温度升高汽化热减小,23,纯物质的闪点,可燃液体能挥发变成蒸汽，跑入空气中。温度升高，挥发加快。当挥发的蒸汽和空气的混合物与火源接触能够闪出火花时，把这种短暂的燃烧过程叫做闪燃，把发生闪燃的最低温度叫做闪点。 闪点越低，引起火灾的危险性越大,24,偶极距,分子偶极距()：描述分子极性的大小的物理量。 把非极性分子置于电场中，原来重合的正负电荷中心彼此分离，分子出现偶极，这个偶极称为诱导偶极,25,研究方向,有机污染物理化性质的估算方法 有机污染物定量结构-性质相关（QSPR） 有机污染物环境行为模型研究,26,利用QSPR模型预测PCBs的多种理化性质：,正辛醇-水分配系数（logKOW） 水溶解度（-logSW） 亨利常数（logH） 分子总表面积（ TSA ） 水活度系数（-logYW） 气相色谱保留时间（GC_RRT),应用举例,27,拟合图,交叉验证预测图,logKOW,-logSW,28,拟合图,交叉验证预测图,-logYW,TSA,29,拟合图,交叉验证预测图,logH,GC-RRT,30,二有毒化学品的风险评价,根据美国化学文摘登记（CAS）的化学品的总数已经达到两千万种之多，这些物质哪些有毒，哪些无毒？哪些会对人类生命和健康带来危害？迫切需要对其进行风险评价。,31,进入环境的污染物，在环境中会发生什么样的变化，对人类和生态造成什么样的影响，需要风险评价来回答这些问题； 选择有毒化学品处理和处置最佳方式、地点以及方案，以最大可能地减轻环境危害并尽可能地减少经济压力，需要风险评价；,意 义,32,国家关于环境保护的许多法规、标准的制定往往基于人体健康、生态环境的安全、经济技术的可接受程度，确定这样的界限需要风险评价。 近年来风险评价这一领域相当活跃，这主要与一些国际组织的活动分不开，如经济合作与发展组织（OECD），世界卫生组织（WHO）以及欧洲化学品毒理学研究中心等，这些组织的活动集中于风险评价框架体系的研究和建立，内容涉及到以下八个方面，如下框图：,意 义,33,前面四步为风险评价阶段； 后面四步为风险管理阶段； 在风险评价的基础上进行风险管理。,34,研究 风险评价 风险管理,毒性效应： 实验室研究和野外观察,对毒性机理的新理解,暴露的野外测定，暴露种群,危害识别,剂量-效应评价,暴露评价： 暴露类型、水平、时间,结构-活性分析 离体实验 动物实验 流行病学,风险表征 效应的性质 效应发生的可能性 证据的可靠性 不确定性,管理措施的选择,评价风险管理措施 公共健康 经济 社会 政治,政策决策与行动,研究需要,研 究,风险评价与风险管理之间的关系,35,研究方向,评价方法框架体系 外推方法研究 风险评价的不确定性研究 暴露评价与效应评价的方法学,36,三环境过程机制,污染物排放到环境中，会发生迁移、转化过程。 迁移为物理过程，化学结构不发生变化 转化为生物、化学过程，污染物的结构发生变化 环境过程的发生将可能导致原来有毒的物质变成无毒，本来无毒的化合物变成有毒。 环境过程机制的研究，始终是环境化学研究中的核心内容。,37,图 有机化学品的主要环境过程机制,38,研究方向,有机物的环境迁移过程机制 有机物的环境转化过程机制 有机污染物的环境模拟研究,39,四混合有机污染物的环境行为,混合化学物是无处不在的。而我们也无时不在接触这些可能对生物体有负面效应的化合物。 公众对同时暴露的化合物，如食品添加剂和致污物、室外空气污染物、杀虫剂、药品以及工作场所的危险物质越来越关心。 既为了事实上存在的问题，也为了可能存在的健康风险，我们必须在需要的时候，找到危险识别和风险评价的工具来进行自我防护。,40,目前对环境中化学品的研究都偏重于单一化合物，但是几乎所有的污染物都是复杂的混合物。考虑到混合物中单个组分对人体的作用的差别，有必要建立预测混合物环境行为和作用机制的方法 复合化学品可能会呈现独立、相加、协同或颉颃的相互作用。在某种情况下，复合化学品的致毒作用，在程度和类型上都不同于这些化合物单独作用的总和，因此评价复合化学品的作用机制及其单个化学品在复合作用下的定量贡献研究，具有十分重要的意义,41,主要研究方向,复合化学品的毒性作用机理 复合化学品的环境行为规律 复合化学品的理化性质估算 复合化学品的结构-活性关系 复合化学品的生态风险评价,42,有机化合物混合分配系数测定,分配系数是决定有毒化学品基本毒性的重要参数，然而传统正辛醇/水分配系数Kow测定方法对于高脂溶性和混合体系的Kow往往力所不能及。采用具有吸附性能的固态物质C18 EmporeTM膜，通过测定此物质所吸附的有机物量来推算污染物分配系数 基于这个新方法，成功测定了二元及多元混合物C18 EmporeTM 膜/水分配系数KMD，获得了非离子有机混合物环境分配行为的重要信息,43,混合有机化合物生态毒性的预测,成功采用具有吸附性能的固态物质C18 EmporeTM膜，测定获得8 种氯代苯的84种二元混合物C18 EmporeTM 膜/水分配系数KMD，并基于此成功预测了其发光菌毒性，研究发现非离子有机混合物的基本毒性由其C18 EmporeTM 膜/水分配系数KMD的高低决定，KmD能客观地反映有机混合物在水相和生物有机体之间迁移与富集的能力。,44,复合化学品的风险评价等价毒性方法（TEFs）,环境中存在的有机污染物都是以混合物的形式存在的，评价这些混合物对健康产生的潜在效应并非简单的含量相加。为了评价这些混合物对健康影响的潜在效应，必须考虑混合物之间的相互作用。 Safe建立了等价毒性系数（TEFs）的方法来进行混合物的健康效应评价。这种TEF方法已经成功地应用了几类污染物，典型的应用包括多环芳烃、多氯联苯与二噁英类物质及内分泌干扰物质等。,45,等价毒性方法,根据等价毒性的定义，混合物的总毒性定义为混合物中各单一化合物的浓度与其相对毒性或等价毒性系数（TEF）的乘积,46,应用TEF方法必须满足以下几个条件：首先混合物体系中的各单一化合物必须全部表现出同样的作用机理或作用方式，通过同样的生物学过程或毒理学途径；混合物中的各组分在暴露水平范围内，其效应必须是严格加和性的；各组分的剂量-效应曲线是平行的等。 某同系物的TEFi 值一般以某一个标准物质或参考化合物的活性为参照来确定，通常根据某特殊的毒性响应来取值或多种响应的综合值。,47,混合物致癌性测试,烟气的物理化学组分 铸铁过程产生的各种废气和悬浮微小颗粒物的混合物 受试模式动物 小鼠 实验设计 体内与体外实验同时进行,研究实例,48,体内试验 暴露: 皮下注射，定时暴露，试验时间为2年，在此期间严格控制受试动物的光照周期，进食、环境空气温度、湿度。 终点:运用组织病理学方法对各组织进行形态和功能上测定 体外试验 暴露： 提取气管表皮细胞以及肝细胞进行培养，然后直接将细胞培养暴露于受试物 终点： 细胞毒性MTT法 DNA修复UDS 法 DNA氧化损伤oh8dG法 致突变性Ames试验 染色体DNA损伤微核试验,49,溶剂和物理因子混合物神经毒性,油漆、粘合剂、杀虫剂等含有大量的有机溶剂，它们对人体的损伤主要为引起刺激性粘膜炎、皮肤过敏、职业皮肤病、神经毒性如溶剂综合症等 Seeber研究了油漆工忍受神经毒性的影响，比较了四种暴露指标，指出了生命累积性暴露和重量-平均暴露是研究有机溶剂的神经毒性剂量-效应关系的最理想的暴露指标，为这类物质的风险评价提供了依据 目前在瑞士科学家提出研究溶剂和物理因子（如噪声与光）对神经系统的联合毒性效应，这是一个创新性的研究领域,研究实例,50,室外空气污染,颗粒状和气态污染物 越来越多的流行病学数据表明目前空气中的PM10和臭氧水平对人类健康的损害作用呈正相互关系或者影响很大 垃圾焚化排气 垃圾焚化炉排出气体是一种低浓度的混合暴露，试验只是在实验室条件下进行，并没有根据证明靠近垃圾焚烧的居住地区的人群有很大健康风险,研究实例,51,五有毒有机物的环境安全与健康效应,科学研究证明，一些有毒有机物难于降解，并具有“三致”（致癌、致畸、致突变）作用，并且在环境中分布很广。会通过人和动物饮用的水、呼吸的空气、吃的食物、蔬菜、水果以及植物生长的土壤对人类和野生动物产生暴露和效应，因而有毒化学品日益受到人们的重视，由此衍生出来的“环境健康化学”研究也相继成为研究热点。,52,主要研究方向,致癌有机物的作用机制 居室环境与人体健康 内分泌干扰物质(EDCs)的筛选与作用机理 持久性有机污染物（POPs）的污染与健康效应 环境多介质归趋模型,53,EDCs的筛选与作用机理,环境内分泌干扰物质（endocrine disrupting chemicals，EDCs） 环境内分泌干扰素（endocrine disruptors, EDs） 环境雌激素（environmental estrogens，EEs） 外源性雌激素（xenoestrogens） 环境荷尔蒙（environmental hormones，EHs）,54,“内分泌干扰性化学物质”（Endocrine disrupting chemicals）最初由美国1996年出版的“Our Stolen Future”提出。 外源性内分泌干扰物质,55,定 义,内分泌干扰物质是指可通过干扰生物或人为保持自身平衡和调节发育过程而在体内产生的天然激素的合成、分泌、运输、结合、反应和代谢等，从而对生物或人体的生殖、神经和免疫系统等的功能产生影响的外源性化学物质。 US EPA的定义 内分泌调节物：引起完好无损生物体或其后代中内分泌功能变化不利影响的外源物质，它们主要是通过人类的生产和生活排放到环境中的污染物，又可以称之为环境激素。 欧盟定义,56,环境内分泌干扰物的危害,根据US EPA的报道，EDCs可对内分泌系统的以下过程产生干扰作用 激素合成异常； 激素储存和释放异常； 激素的转送异常； 激素的清除异常； 对受体的识别、和受体的结合异常； 与受体结合后信号的传送过程异常等。 严重威胁了人类和野生动物的物种繁衍和长期生存,57,主要的环境内分泌干扰物,环境污染物，如烷基酚、双酚A、邻苯二甲酸酯、多氯联苯、多环芳烃、双酚氯、二噁英、有机氯农药如DDT等。 天然或人工合成的激素化合物。如避孕药等。 植物和真菌合成的类激素物质，如豆科植物合成的类激素等,58,环境内分泌干扰物的研究重点,建立环境内分泌干扰物的快速筛选体系; 环境内分泌干扰物的作用机理研究; 低剂量暴露下，环境内分泌干扰物剂量-效应定量关系的研究; 环境内分泌干扰物的复合效应和环境本底研究; 环境内分泌干扰物环境暴露水平的检测技术,59,基于PAHs对人体的危害及它的特性，对这种有机化合物的研究也越来越多，但对PAHs的分析所用的方法通常是污染物的提取或C-14标记技术，用试验数字来表征含量的多寡。这些方法不能够给人以视觉的可信度 英国的Wild博士大胆的进行了尝试，利用双光子显微镜成功的将PAHs在植物组织细胞中的残留可视化，在图像上荧光强弱、所占的面积大小表现出了有机化合物含量的多寡,环境内分泌干扰物环境暴露水平的检测技术的新突破,60,POPs的污染与健康效应,POPs定义 Persistent Organic Pollutants的缩写，中文就是“持久性有机污染物”，是指那些难以通过物理、化学或生物途径降解的有害化学品。持久性有机污染物(POPs) 具体定义是指具有毒性、生物蓄积性和半挥发性，在环境中持久存在的、且能在大气环境中长距离迁移并沉积回地球的偏远极地地区，对人类健康和环境造成严重危害的有机化学污染物质。,61,联合国环境规划署提出了第一批12种持久性有机污染物,(1)滴滴涕 DDT (2)狄氏剂 Dieldrin (3)异狄氏剂 Endrin (4)艾氏剂 Aldrin (5)氯丹 Chlordane (6)七氯 Heptachlor (7)六氯苯 (HCB) (8)灭蚁灵 Mirex (9)毒杀芬 Camphechlor (10)多氯联苯 (PCBs) (11)多氯代二恶英 Dioxins (12)多氯代呋喃 Furans,POPs名单,PAHs(多环芳烃) PBBs(多溴联苯) PBDEs (多溴联苯醚) PCDEs(多氯代二苯并呋喃) PCNs(多氯萘),其它潜在的POPs,62,2009.5月4日8日，(POPs公约)第四次缔约方大会。新增9种： 1.六氯环己烷； 2.六氯环己烷； 3.六溴联苯醚和七溴联苯醚； 4.四溴联苯醚和五溴联苯醚； 5.十氯酮； 6.六溴联苯； 7.林丹； 8.五氯苯； 9.全氟辛烷磺酸、全氟辛烷磺酸盐和全氟辛基磺酰氟,POPs名单(续),63,POPs物质的特性,强疏水性和亲脂性：POP物质具有低水溶性，高脂溶性，很难溶解到水体中，容易在土壤、沉积物、生物体内进行蓄积; 持 久 性：难以进行生物降解、光解、化学分解，可以在水体、土壤和底泥中存留数年时间，具有很长的半衰期; 生物蓄积性：容易从周围物质中富集到生物体内，通过食物链进行生物放大，从而对高等动物和人体的健康造成危害; 半挥发性：能够以蒸气形式存在或者吸附在大气颗粒物上，便于在大气环境中作远距离迁移; 生态毒性效应：对人体和生态环境都具有极高的危害。,64,POPs物质的国际控制对策,充实POPs物质的化学和毒理学信息； 分析全球范围POPs物质的迁移途径、来源、迁移沉降情况； 审查与POPs生产和使用有关的来源、效益、风险和其他事项； 评估替代物质的可提供性，包括费用和有效性,65,评价现实的对策、政策和减少或消除POPs排放物、排放和流失的机制； 加强国际间合作，进行资金和技术援助、鉴别基准和程序、扩大控制名单； 对废物的排放和处理制定严格的标准等,POPs物质的国际控制对策(续),66,环境多介质归趋模型,环境多介质模型，采用逸度原理, 应用污染物的理化性质、化学反应性、环境迁移性质以及排放的程度等，来检验污染物在环境中的行为。 逸度定义为化合物从一种环境介质迁移到另一种环境介质的趋势或趋势之差 化学品在一种环境介质中具有比较高的逸度意味着其更容易迁移到具有较低逸度的环境介质中，当两相之间的逸度相等，就达到了平衡状态,67,环境多介质归趋模型,68,污染物可以通过很多途径进入或离开一种环境介质 大气相：化学品可以通过排放、从邻接区域迁移、从土壤和水体中挥发等途径进入大气，可以通过水平对流、沉降作用、降解反应、向同温层迁移等途径离开大气 表层土壤：化学品可以通过排放和沉降作用进入土壤，可以通过挥发、降解和流入地表水等途径离开土壤层. 地表水：化学品通过排放、从邻接地区流入、沉降、从土壤中渗入以及从底泥中吸附等途径进入地表水.通过挥发、区域水平对流、降解反应以及底泥吸附等离开地表水 沉积物：化学品通过从水中吸附进入沉积物，而通过水中的解吸作用以及降解反应等途径离开沉积物。,69,化学物质进入人体可能途径,70,多介质暴露风险计算,71,六. 有机污染物的结构-性质/活性相关研究,结构-性质/活性关系（StructureActivity/ Properties Relationship），是指对化学品的分子结构与性质或活性之间关系的研究，可以分为定性结构-性质/活性关系（SAR）和定量结构-性质/活性关系，即QSAR。 定量结构-活性关系研究是有机污染化学和生态毒理学中的一个前沿领域，是化学品环境风险评价和人体健康风险评价的重要组成部分和值得信赖的重要手段之一。,72,这里的性质/活性是一个广义的概念，在有机污染化学和生态毒理学中，生物活性指包括污染物对不同生物物种和不同层次的测试终点的生态毒性和健康效应，例污染物对微生物和水生生物的急性毒性、亚急性毒性、生长抑制毒性、酶抑制毒性等，对高等生物和人类的急性毒性、三致毒性（致癌性、致畸性和致突变性）、环境内分泌干扰活性（生殖和遗传毒性、免疫毒性、生长发育毒性、内分泌干扰、神经毒性等），对生物组织水平、细胞水平乃至于分子水平的损伤等。,73,性质包括污染物的物理化学性质例如污染物的水溶解度、疏水性、挥发性、熔点、沸点、极性等理化性质，以及污染物在不同介质之间的吸附、分配、迁移以及降解、水解、光解等环境行为。因此可以概括为污染物（主要指有机污染物）在环境过程中的行为或某种性质。,74,QSAR的理论基础,将化合物的生物活性归因于化学结构的影响是QSAR研究的理论基础。 分子是构成物质的基础单位，化合物内部分子结构特征及分子间的组合方式等结构信息决定了化合物所表现的性质。 因此可以通过研究化合物的分子结构与其性质、活性之间的定量关系而达到对其理化性质和生物活性的掌握，建立起结构-性质-活性之间的关系纽带，从而对已进入环境的污染物及尚未投入使用的新化合物的环境过程机制和行为规律进行预测、评价和筛选。这是结构-活性关系研究的工作原理。,75,QSAR 模 型 的 构 建 步 骤,有机污染物,性质/活性,分子结构描述,统计分析方法,QSAR模型,模型验证与修正,模型应用,76,（1）测试集系列化合物的选择,根据一定的统计标准和结构标准选择一系列化合物，构成QSAR模型建立的测试集。 测试集化合物选择的条件是统计上的随机性、结构上的代表性、多样性和全面性，以及性质/活性数据的可获得性。,77,（2）性质/活性数据的获得,针对测试集中的系列化合物，收集所关注的理化性质/生物活性数据。 数据收集的途径主要有三种：科学文献的查阅、收集，活性/性质数据库中获取以及实验室中测试。 活性/性质数据必须要可靠、标准化，另外毒性实验终点本身也应该具有显著的毒理学和生态学意义，并且容易进行机理上的解释。 一般数据具有两种：连续性响应数据（如急性毒性LC50、辛醇/水分配系数等）和非连续性响应数据（如致癌性数据阳性/阴性等）。,78,（3）分子结构描述符,对于测试集化合物，首先应用分子模拟方法，构建正确的二维或三维分子结构，采用构象分析、分子力学等方法获得最优化的构象，进行分子结构描述，获取分子的结构信息。 分子结构描述符的范畴包括理化性质参数例如辛醇/水分配系数，摩尔折射率等，一维分子组成参数例如碳原子数目、氢给体数目、分子量、平均原子极化率、平均原子范德化体积等，二维分子结构参数例如拓扑学参数、分子碎片常数等， 以及三维分子结构参数例如三维分子力场参数、分子量子相似性参数、分子形状参数、分子电子结构参数等。,79,（4）QSAR模型构建,应用特征变量筛选方法筛选包含丰富结构信息的描述符； 应用统计方法或其他建模方法将训练集有机化合物的性质/活性数据与分子结构参数数据联系起来，建立QSAR模型； 常用的统计分析方法有回归分析方法，偏最小二乘分析、因子分析、主成分分析、聚类分析等，其中多元回归分析是目前应用最多的方法。 近来人工神经网络和遗传算法等高级建模方法也得到了越来越多的关注和应用。,80,评价主要针对几个方面：模型的拟合优度、稳健性和预测能力。 模型的拟合优度一般采用回归系数的平方（r2）或自由度校正的r2（r2adj）、显著性水平、F-检验值、标准估计误差（SE）等参数来评判。 模型的稳健性一般采用交叉验证方法（Cross-validation）来进行检验，一般有两种方式：一种是Leave-one-out，即所说的Jacknife检验；另外一种方式为Leave-more-out。这样得到一个交叉验证的r2，即q2和一个标准预测误差（SEP），用来评价模型的稳健性。,（5）QSAR模型的评价、验证,81,模型预测能力的验证一般是构建一个测试集，用训练集建立的模型来预测测试集化合物的性质。只有具有统计上的显著性、稳健性和具有高度预测能力的模型才能用来进行预测、评价和筛选，才有可能用来揭示有机污染物的活性机理和过程机制。,（5）QSAR模型的评价、验证,82,（6）QSAR模型的应用,利用模型的预测能力对其它未知化合物的相关性质/活性进行预测，在效应评价和暴露评价中弥补缺失的数据，对环境有机化学品进行筛选和评价； 根据模型的组成与形式，结合已有的化学、生物学知识，探求有机污染物的环境过程机制和生态效应机理。 根据所阐明的结构-活性关系结果，为设计高效、低毒无害的新型环境友好化学品指明方向。,83,SAR QSAR 3D-QSAR,从SAR到QSAR，再到3D-QSAR说明，结构-活性的研究正在深化。QSAR在国内外成为一个相当活跃的研究领域，国际上每两年召开一届QSAR专题研讨会，并且创立了一份QSAR的国际性期刊（QSAR，1997）。 QSAR在阐述和预测污染物的环境行为和生物活性方面具有无与伦比的优越性，同时为化学品评价提供了一种有效的方法。美国EPA认定QSAR方法的预测值可以作为评价有毒化学品的依据。 环境化学发展至今正在从定性到定量，从经验性向理论性过渡，QSAR的研究可以起到一种桥梁性的作用,84,主要研究方向,结构-性质/活性的因果关系与量变规律 分子结构表征与程序化 人工智能技术与专家系统的研制与应用 3D-QSAR的发展与应用 混合有机污染物的结构-活性关系,85,七大气气溶胶有机物的污染与控制,气溶胶是一些极为细小的液态或固态的悬浮在空气中的粒子，大气气溶胶主要来自天然源与人类活动。有机气溶胶可以来自污染源的直接排放（一次源），也可以来源于某些化合物通过化学反应而产生的二次源 气溶胶中的有机物，大多数分布在0.10.5m的范围内，也有人认为集中在PM10，其中5570%的粒子集中在PM 2.5。 颗粒物中有机物种类很多，其中以烷烃、烯烃和芳烃以及多环芳烃为主，还有杂环类和醛、酮等。,86,研究方向,气溶胶中有毒有机物的化学表征与源识别 气溶胶中有机物对人体健康的影响 大气气溶胶颗粒物的形成与化学转化 室内空气污染的健康效应与控制对策,87,八. 土壤有机物增溶材料的研究,土壤污染修复是国内外研究热点之一，当前对增溶材料的研究倍受环境化学工作者的关注。早期采用表面活性剂，后来发现表面活性剂会造成二次污染，人们又改而研究环糊精、天然表面活性剂，如环糊精是多聚糖的水解产物，具有内部空腔为憎水性，外部为亲水性的特点，经过衍生化后，内部可以包裹疏水性有机物如多环芳烃等，外部可以同时络合重金属，前景十分广阔，美国的研究目前已经到了中试阶段。,88,研究方向,土壤有机物增溶材料的设计与筛选 增溶材料与有机物的作用机制研究 土壤有机物增溶材料进行土壤修复,89,九有毒有机物的筛选,比较各国发表的有毒污染物控制名单，可以发现，他们大部分具有如下特点：难降解；在环境中具有一定的残留水平，可以检出；具有三致作用或毒性，对人体健康或生态环境构成危害。 进行有毒有机物的筛选，有利于对若干化学品进行控制，但是筛选方法相当复杂，不但要取得有机物的归趋、持久性的资料，还要获得有机物在生物体内的积累、分布和毒性资料，因此，优先污染物的筛选是一项费时、费力的工作，也是一项急待研究的课题。,90,研究方向,筛选原则 有较大的生产量；具有较大的毒性；难降解，具有积累性；技术条件的限制因素 筛选方法 对象物质的筛选 ；现状调查，包括流行病学调查 ；环境影响评价与检测 筛选框架体系,91,现有化学品,编辑程序,粗选程序,精选程序,复审程序,粗选阶段,复审阶段,优先化学品名单,精选阶段,无关化学品,未选上/含量低的化学品,有毒有机物的筛选,92,小 结,有机污染化学是一门基础理论性很强，同时又具有一定的实用性和可操作性的学科； 有机污染化学是有机化学、数学、力学、毒理学、化学信息学、计算机科学等多学科交叉的科学，形成了自己独特的学科特色； 有机污染化学中蕴涵着很多环境科学中的重大科学问题，是环境科学中的前沿领域。,93,谢谢！,