[正版]正版 环境计算化学与毒理学 陈景文 王中钰 傅志强 科学出版社

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内容简介

环境计算化学与毒理学是面向化学品风险预测与管理需求的xin兴研究领域。本书介绍有害化学物质、化学品、化学污染物及环境暴露、危害与风险的基础概念，讨论学科的发展背景、内涵与外延，阐述分子模拟以及环境科学中定量构效关系（QSAR）的原理和方法；结合作者的研究工作，介绍基于分子模拟而预测有机物环境行为和代谢转化的方法案例、有机物环境行为与毒理效应参数的QSAR模型。

目录  
丛书序  
前言  
第1章 有害化学物质的环境风险 1  
1.1 有害化学物质、化学品与化学污染物 1  
1.1.1 有害化学物质 1  
1.1.2 化学品与环境污染物 2  
1.2 化学品的环境暴露、危害性与风险性 4  
1.2.1 化学品的环境暴露 4  
1.2.2 化学品的环境危害性 5  
1.2.3 化学品的环境风险 7  
参考文献 10  
第2章 环境计算化学与预测毒理学概述 12  
2.1 环境计算化学 12  
2.1.1 化学污染物的源解析 13  
2.1.2 环境系统与环境过程 17  
2.1.3 化学物质环境行为参数的获取方法 20  
2.1.4 化学物质毒性机制与效应 22  
2.2 计算（预测）毒理学 22  
2.2.1 计算毒理学与化学品风险评价 22  
2.2.2 环境化学物质的暴露模拟 25  
2.2.3 环境化学物质与毒理学关键事件 29  
2.2.4 计算毒理学模型参数的快速预测 33  
2.2.5 计算生态毒理学 34  
参考文献 35  
第3章 分子模拟基础 40  
3.1 量子化学方法 41  
3.1.1 基本原理 41  
3.1.2 理论方法 42  
3.1.3 计算软件 48  
3.2 分子力学方法 49  
3.2.1 分子内键连关系的经典力学描述 49  
3.2.2 非键关系的经典力学描述 51  
3.2.3 分子力场与分子力学 54  
3.2.4 统计热力学和系综 58  
3.2.5 分子动力学模拟 60  
3.2.6 蒙特卡罗模拟 62  
3.2.7 基于分子力场的模拟软件 63  
3.3 耦合量子力学/分子力学（QM/MM）方法 64  
3.3.1 QM/MM概念及发展 64  
3.3.2 QM/MM理论方法 65  
3.3.3 QM/MM方法结合的you化和模拟技术 70  
3.3.4 QM/MM的应用 71  
参考文献 75  
第4章 定量构效关系（QSAR）理论与方法 81  
4.1 QSAR的基本原理 81  
4.1.1 线性自由能关系 81  
4.1.2 QSAR的广义表达 84  
4.1.3 QSAR与OECD导则 88  
4.2 QSAR模型的构建方法 88  
4.2.1 数据集的获取及拆分 88  
4.2.2 分子结构描述符与拟预测变量关系的揭示 91  
4.3 QSAR模型的验证、表征与登记 93  
4.3.1 模型验证与应用域 93  
4.3.2 QSAR的登记 98  
4.4 QSAR工具包、数据库与软件平台 98  
4.4.1 美国EPA开发的EPI Suite软件 98  
4.4.2 OECD开发的QSAR工具包 99  
4.4.3 预测毒理学软件平台（CPTP） 100  
4.5 QSAR面临的挑战与展望 100  
参考文献 102  
第5章 化学品的环境吸附分配行为及其模拟预测 106  
5.1 典型环境吸附分配行为参数的预测 107  
5.1.1 正辛醇/空气分配系数（KOA）的模拟预测 107  
5.1.2 （过冷）液体蒸气压（PL）的QSAR预测模型 114  
5.1.3 生物富集因子（BCF）的QSAR预测模型 116  
5.1.4 土壤/沉积物吸附系数（KOC）的QSAR预测模型 118  
5.2 纳米材料对有机物吸附的计算模拟 119  
5.2.1 碳纳米管对有机物的吸附模拟预测 120  
5.2.2 石墨烯对有机物的吸附模拟预测 123  
5.2.3 C60对天然有机物的吸附模拟预测 126  
参考文献 131  
第6章 污染物环境转化行为的模拟预测 135  
6.1 水中污染物光降解动力学和途径的模拟预测 135  
6.1.1 水中污染物直接光解动力学参数的QSAR预测模型 136  
6.1.2 水中溶解性物质对污染物光解影响的预测与验证 141  
6.1.3 水中污染物羟基自由基氧化降解动力学参数的QSAR模型 149  
6.1.4 采用量子化学计算揭示有机污染物的光降解机制 151  
6.1.5 环境水体中污染物光降解动力学的预测模型 155  
6.2 污染物水解途径和动力学的模拟预测 161  
6.2.1 污染物水解原理及影响因素 161  
6.2.2 污染物水解途径及动力学模拟 162  
6.3 污染物气相自由基反应途径与动力学的模拟预测 166  
6.3.1 ·OH引发有机污染物的da气转化机制和动力学 166  
6.3.2 da气中挥发性有机污染物·OH氧化降解动力学参数的QSAR模型 169  
6.3.3 da气中挥发性有机污染物臭氧氧化降解动力学参数的QSAR预测模型 172  
6.3.4 ·Cl引发有机污染物的da气转化机制和动力学 173  
6.4 有机污染物生物降解性的模拟预测 175  
6.4.1 生物降解性概述 175  
6.4.2 污染物生物降解性测试方法 176  
6.4.3 污染物生物降解性预测方法 178  
参考文献 180  
第7章 外源化学品的生物酶代谢转化及模拟预测 188  
7.1 引言 188  
7.2 细胞色素P450酶代谢典型外源化学品的计算模拟 189  
7.2.1 P450酶简介及其代谢反应 189  
7.2.2 P450酶催化循环与几种常见反应 191  
7.2.3 多溴二苯醚（PBDEs）的P450酶代谢转化模拟 200  
7.2.4 全氟辛基磺酸（PFOS）前体的P450酶代谢转化模拟 205  
7.2.5 P450酶活性中心催化卤代烷烃、烯烃类物质的模拟 206  
7.3 其他生物酶系代谢转化污染物的计算模拟 208  
7.3.1 谷胱甘肽硫转移酶 208  
7.3.2 磺基转移酶 212  
参考文献 215  
第8章 化学品的毒性通路及毒理效应的模拟预测 219  
8.1 有机污染物水生毒性的模拟预测 219  
8.1.1 水生毒性试验、作用模式及影响因素 219  
8.1.2 水生生物急性毒性的QSAR模型 222  
8.2 有机污染物的光致毒性效应与模拟预测 225  
8.2.1 有机污染物的光致毒性效应机制 226  
8.2.2 有机污染物的光致毒性试验方法 229  
8.2.3 有机污染物光致毒性的模拟预测 234  
8.3 环境内分泌干扰效应的毒性通路与模拟预测 237  
8.3.1 有机污染物的内分泌干扰效应 238  
8.3.2 环境内分泌干扰效应的分子模拟步骤 242  
8.3.3 甲状腺素干扰效应的计算模拟 244  
8.3.4 雌激素干扰效应的模拟预测 250  
参考文献 257  
附录 缩略语（英汉对照） 267  
索引 271  
彩色图表

在线试读

第1章 有害化学物质的环境风险  
　　本章导读  
　　介绍有害化学物质、化学品、化学污染物的相关概念。  
　　概述化学品的环境暴露、危害性、风险性以及相关的管理需求。  
　　化学品一方面为人类生活带来jda的福祉，另一方面也会导致环境与健康方面的风险。根据热力学第二定律，化学品释放到环境中，是覆水难收的过程。如何判断化学品对环境是友hao还是有害？1先，需要认识有害化学物质、化学品与化学污染物的相关概念。  
　　1.1 有害化学物质、化学品与化学污染物  
　　1.1.1 有害化学物质  
　　环境化学是一门主要研究有害化学物质（hazardous chemical substance）在环境介质中的来源、赋存、性质、行为、效应及其污染控制技术原理和方法的学科。随着量子论、相对论和量子场论的发展，物理学界对物质本身的定义变得模糊。一些常见的物理性污染，如光污染和辐射污染，也可以纳入广义的物质范畴。在环境化学领域，物质一般指经典物理学中具有（静）质量，占据空间一定体积的客观实体。这些客观实体包括原子以及任何由原子构成的实物。  
　　为了便于化学品的管理，欧盟《化学品的注册、评估、授权和限制》（Registration，Evaluation，Authorization and Restriction of Chemicals，REACH）法规将“物质”定义为：天然生成或经制造过程获得的化学元素及其化合物。“化学物质”则指具有固定化学组成和固有特性的物质（McNaught et al.，1997），包括自然存在的和人工生成的物质。自然存在的化学物质随着自然过程而生成并存在于地球环境，包括无生命材料、生物残体及其形成的化石燃料以及生物合成的物质等。人工生成的化学物质则是出于特定目的而被生产/合成（包括不可避免的副产物）的物质（van Leeuwen et al，2007），例如全氟烷烃、有机氯农药和人为修饰的结构复杂的药物分子等。  
　　化学物质（chemical substance）可以改变无机环境的组成、结构和功能。例如，进入da气平流层的氟氯烷烃能导致臭氧层中的臭氧加速消耗，温室气体能够引发全球气候变化。这些变化对于人类以及生态系统中特定物种的生存和发展可能是有害的。另一方面，化学物质也可以直接对生物体的健康产生危害。例如，双酚A能够扰乱人体内分泌系统，游离的银离子对微生物具有毒害效应。总之，化学物质通过改变无机环境或直接作用于生物体而产生有害效应时，即为有害化学物质。“有害效应”总是针对特定的主体，发生于特定的环境情景，是一个相对的概念。化学品的危害性可以分为环境危害（对于地球生态系统的组成、结构、功能有害）、健康（人体健康、生态健康）危害以及物理危害三个方面。在环境化学领域，有害性的界定一般以保护人类以及生态系统中绝da多数物种的利益为出发点，即关注化学品的环境危害和健康危害。  
　　1.1.2 化学品与环境污染物  
　　化学品（chemicals）一词随工业经济及社会发展而出现，泛指化学试剂、化学工业原料和产品等人类有意生产的化学物质，有时与“化学物质”混淆或并用。由于管理目的和范畴的差异，各国和有关国际组织的化学品管理相关政策和法规中对化学品的定义也有所区别。联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）《关于化学品国际贸易资料交流的伦敦准则》中将化学品定义为“一种化学物质，无论是物质本身、混合物或是配制物的一部分，是制造的或是从自然界取来的，还包括作为工业化学品和农药使用的物质”。在由UNEP 和联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）联合制定的《关于在国际贸易中对某些危险化学品和农药采用事先知情同意程序的鹿特丹公约》中，化学品指“一种物质，无论是该物质本身还是其混合物或制剂的一部分，无论是人工制造的还是取自自然的，但不包括任何生物体，它由以下类别组成：农药（包括J具危害性的农药制剂）和工业用化学品”。一些国内学者则认为，化学品是“经过人工技术的提纯、化学反应及混合过程生产出的、具有工业和商品特征的化学物质”（刘建国，2015）。  
　　总之，化学品在概念上是化学物质的子集。自然和人类活动过程中无意产生和释放的da部分物质或副产物属于化学物质，而不属于化学品。然而，在生产具有工业和商品特征的化学物质时，无意产生和释放的化学物质（如二氧化硫、氮氧化物、二英及多环芳烃等）带来的风险同样值得关注。为了研究这些化学物质，科学家或化学品供应商需要合成相应的标准品，逐渐地，一些热点环境化学物质却成了非传统意义上的、供科学研究的商品。这些物质通常也是化学品风险评价的关注点，本书后文所提及化学品概念，一般也涵盖此类物质。  
　　有害化学物质进入到自然环境中的过程，既属于地球物质循环的一部分，也是污染环境的过程。环境污染，既包括物理性污染，也包括化学性污染及生物性污染。其中，部分物理性污染、生物性污染以及所有的化学性污染均需要特定的有害物质为媒介。此时，相关的有害物质即为环境污染物。一种物质是否为污染物，取决于该物质本身的性质和所处的位置（环境）。欧盟污染物排放与转移登记（European Pollutant Release and Transfer Register，E-PRTR）制度将污染物定义为“进入环境后，由于自身具有的特性，可能对环境或人体健康产生危害的一种或一类物质”（EU，2006b）。例如艾氏剂、氯丹等有机氯农药，从功用上，这些化学品能够预防、消灭或控制害虫，而当其进入环境后，则成为持久性有机污染物。  
　　环境污染物也存在天然来源和人为来源。天然来源包括地震、火山喷发、森林火灾等自然过程。这些自然过程均可能导致有害化学物质的生成，并将有害化学物质，如多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、卤代芳烃、二英类化合物（polychlorinated dibenzo-p-dioxins/dibenzofurans，PCDD/Fs）等释放到环境中。人为来源主要指人类活动直接或间接地将有害化学物质排放到环境中。1先，人类活动（采矿、焚烧、工业生产）为一些天然存在的有害化学物质增加了xin的、da规模的产生和释放途径。例如PAHs 可在煤等化石燃料和生物质燃料的不完全燃烧过程中产生；PCDD/Fs 可以在垃圾及废弃物不充分燃烧时产生；另外，还有一些物质是工业生产的副产物等。其次，有些在地表、地壳中已经存在的物质，由于人类活动而改变了其存在形态和空间位置，从而造成对环境的污染，典型的例子是汞及有机汞类污染物。总地来看，环境污染物的主要来源在于人类活动。  
　　无论是具有产品或商品属性的化学品，抑或是化学污染物，其分子在环境介质中的弥散（dispersion）是自发的、熵增的过程。根据热力学第二定律，回收（再利用）这些化学污染物质是非自发的、熵减的过程，必须额外输入能量，而能源的生产和使用还会造成环境污染（图1-1）。例如，利用gao压反渗透膜装置，克服水中污染物的渗透压，从而获得纯净的水和浓缩的污染物，这一过程需要能量的输入，而膜组件的生产和应用也会对环境产生不利的影响。环境工程为了处理化学污染物而投放的药剂，其回收再利用也面临着同样的问题。例如，通过投加gao价铁絮凝或氧化污染物时，产生的含铁污泥或许会成为令人头疼的二次污染物，而一些药剂（如氧化污染物的臭氧、消毒剂Cl2、CO2 捕捉剂乙醇胺）的泄漏，其本身也是环境污染的过程。尽管末端处理的工艺总体向着绿色化学的方向发展，但是，为了社会能够实现可持续发展，必须跳出“先污染后治理”的思路，构建风险防范式的化学品管理、生产体系。  
　　图1-1 先污染后治理是不可持续的环境保护模式  
　　1.2 化学品的环境暴露、危害性与风险性  
　　1.2.1 化学品的环境暴露  
　　环境暴露是化学品产生有害效应的前提条件。在谈环境暴露的概念时，总要针对特定受体（环境介质或有机体等）。暴露指受体外部界面与化学、物理或生物因素的接触，涉及界面、强度、持续时间、透过界面的途径、速度及透过量、吸收量等方面。根据化学品位于受体的体外或体内，可进一步将暴露分为外暴露（external exposure）和内暴露（internal exposure）。外暴露量可定义为某物质与受体接触的浓度。以人类为例，此处受体可具体理解为进食时的胃肠道上皮、呼吸时的肺部上皮以及皮肤接触时的表皮。内暴露量可定义为某种物质被吸收的量，或透过受体表层进入系统循环的量（EPA，1992）。  
　　暴露途径描述化学品从环境介质中进入生物受体的过程。暴露途径的具体形式取决于物种的生理特点。例如，人体可通过摄取含化学品的水和食物，吸入含化学品的空气或灰尘，皮肤沾染等途径暴露于化学品中。细菌的暴露途径则表现为胞吞作用或跨膜运输。暴露途径还随发育阶段不同而存在差异，如哺乳动物胚胎期主要通过胎盘暴露，婴儿时期的暴露则主要通过母乳传递。  
　　近年来，暴露相关的研究领域发展迅速，逐渐形成暴露科学（Exposure Science）。2012 年，美国国家科学研究委员会发布的《21 世纪暴露科学：愿景与策略》的报告将暴露科学定义为“对定量和定性信息的收集与分析，用于了解受体（比如人或生态系统）与物理、化学或生物应激物（stressor）之间接触的本质”。暴露科学的任务是，探索并描述对人群和生态系统具有急性与长期影响的暴露事件，着重研究受体通过不同途径暴露于外在污染物的总量（如空气、水、食物中污染物的浓度）以及与人体接触的途径（呼吸、摄食以及皮肤接触），评价受体可能受到的影响。暴露科学为环境科学及毒理学研究提供了暴露的关键信息及对暴露的测量工具，或直接量化和表征与有害化学物质接触的条件，成为环境科学与毒理学之间的桥梁。暴露科学的发展，有助于预防和减缓有害暴露、开展风险分析，zui终实现保护人体健康的目的（National Research Council，NRC，2012）。在暴露科学的基础上，借鉴基因组学的研究思路和统计方法，“暴露组学”的概念被提出。  
　　暴露组学（Exposome）囊括了一个人从胚胎到生命终结期间的全部暴露事件，并考虑社会、文化和心理因素。暴露组学研究贯穿人的一生，探究混合暴露影响，强调环境因素的作用（Wild，2012）。确定不同阶段的特征暴露组，并充分利用生物基因学技术，研究不同特征暴露组下基因的易感性和多态性，将暴露科学和环境基因组学结合起来，建立起“污染过程—人体暴露—基因表达—人体响应”研究路线。暴露组学研究的关键在于寻找准确测量暴露及暴露影响的方法。  
　　1.2.2 化学品的环境危害性  
　　危害性指化学品或混合物在特定的暴露条件下，对人体或环境造成有害效应的内在潜质。据联合国推荐的《全球化学品统一分类和标签制度》（Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals，GHS），化学品的危害可分为为物理危害、健康危害和环境危害三da类型（UN，2015）。  
　　GHS中将化学品的物理危害分为：爆炸性、可燃性、氧化性、压缩气体、自反应性、自燃性、自加热性、遇水释放可燃气体、有机过氧化物和金属腐蚀性。对于化学品的物理危害，国际上已在其定义、测试方法与分类标准上达成gao度共识。相比之下，人类对化学品的环境及健康危害性认识尚处在发展阶段。GHS 中定义的健康和环境危害包括：急性毒性、皮肤腐蚀/刺激性、严重刺激和伤害眼睛、呼吸或皮肤敏感性、生殖细胞突变性、致癌性、生殖毒性、吸入危害、水生环境危害性和臭氧层危害性。目前人类对于化学品的健康与环境危害认识还很有限，随着科学技术的进步，GHS 中化学品的健康与环境危害性分类将不断完善。  
　　化学品具有的危害性可在其生产、使用、运输及存储等过程中导致不同性质、对象、程度和范围的危害性问题。欧盟REACH 法规中将有毒有害化学品列为gao关注物质（substance of very high concern，SVHC），包括具有致癌性（carcinogenic）、诱变性（mutagenic）以及生殖毒性（toxic for reproduction）的CMR 物质；具有环境持久性（persistent）、生物蓄积性（bioaccumulative）和毒性（toxic）的PBT 物质；gao持久性和gao生物蓄积性（very persistent and very bioaccumulative，vPvB）物质以及其他对人体和环境产生不可逆影响的物质（如内分泌干扰物等）。  
　　CMR物质具有的致癌性能使正常细胞发生恶性转变，并发展成为癌细胞。其具有的诱变性则能够引起生物体内遗传物质DNA 的改变，进而导致遗传特性发生变化。同时，CMR 物质具有的生殖毒性能够损害雌性和雄性生殖系统，影响排卵、生精及生殖细胞分化等过程，同时也能够损害胚胎细胞发育，引起生化功能和结构的变化，影响繁殖能力，甚至累及后代。  
　　PBT物质（如硫丹杀虫剂、阻燃剂十溴二苯醚等）在食物网的生物蓄积特性和毒性方面具有环境持续性，并且这种蓄积毒性很难逆转，通过停止释放并不能实现减小化学品浓度这一目的。慢性暴露于这些物质中会对生态系统和人体健康构成特定风险。  
　　vPvB物质由于具有持久稳固和生物蓄积的特征，在环境和食物网内容易发生蓄积，并且可能在人体和环境中经过长期作用达到不可预知的水平。同时，相较于不具有持久性和生物蓄积性的化学品，具备这些特性的化学品在经过较长时间和较da范围的蓄积后更可能引发毒性效应，这使得vPvB 物质成为特别关注的一类化学品。  
　　根据世界卫生组织（World Health Organization，WHO）的定义，内分泌干扰物（endocrine disrupting chemicals，EDCs）是指“能改变机体内分泌功能，并对生物体、后代或种群产生不良影响的外源性物质或混合物”，而潜在内分泌干扰物是指“可能对生物体、后代或种群内分泌系统产生干扰效应的外源性物质或混合物”（International Programme on Chemical Safety，IPCS，2002）。绝da多数EDCs和潜在的EDCs 都是人工合成的，农药、金属、食品添加剂或食品污染物、个人护理品等化学品中，均发现了这类物质的存在。EDCs 可能会改变男性和女性的生殖功能，增加乳腺癌的发病率，导致儿童异常发育以及神经发育延迟，导致免疫系统功能的改变等。EDCs 的人体暴露途径主要有饮食摄入、呼吸和皮肤接触。同时，EDCs 还可通过胎盘和母乳进行母婴传递。孕妇和儿童是zui易受感染人群，EDCs 暴露造成的影响可能随着时间的推移愈发明显。EDCs 还可能增加非传染性疾病的患病率。  
　　持久性有机污染物（persistent organic pollutants，POPs）指具有PBT 特性、长距离迁移性的有机污染物。长距离迁移性指能够经过长距离迁移，到达偏远的地区，如J地或gao山等寒冷地区。比POPs 概念范围更广的概念是持久性有毒物质（persistent toxic substance，PTS），即在环境中能够长期存在且被生物蓄积的有毒物质。PTS 包括《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》中列出的POPs［例如，多环芳烃（PAHs）、多溴二苯醚（polybrominated diphenyl ethers，PBDEs）］、氯化石蜡等有机PTS 以及有机汞化合物、有机锡化合物等金属有机化合物。  
　　

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