在水环境毒理学中,化合物毒性作用机制的确定是生态风险评价的基础,在化学品的管理中起着举足轻重的作用。判别有机污染物的毒性作用机制,不但有助于我们建立定量结构与活性相关(QSAR)模型,评价有机污染物的毒性效应,还有助于我们深入研究有机污染物对生物的毒性作用机制,为有机污染物对生物毒性的预测和安全性评价提供科学依据。毒性比率(log TR>1,又称剩余毒性)是目前广泛使用的判别毒性作用机制的方法,其概念已经被较好地应用在有机物对鱼的毒性作用机制研究中。但是应用该比率研究有机物对其它不同敏感性生物的毒性作用机制时则出现较大的偏差。此外,临界毒性比率方法只适用于中性化合物,对于毒性效应与p H紧密相关的可离子化有机污染物,用log TR判别其毒性作用机制时,因为忽略了离子化的影响,直接用可离子化化合物的表观毒性与基线毒性预测值进行比较,会导致剩余毒性被低估,使得毒性作用机制被误判。论文研究了物种敏感性对有机物毒性作用机制判别的影响,分别确定不同敏感性生物的临界毒性比率值,深入讨论了基线、弱惰性和反应性化合物的毒性作用机制。并且,研究了p H对可离子化有机污染物毒性的影响,讨论了p H对化合物生物富集因子(BCF)的作用,建立了表观毒性和p H相关方程,深入探讨了可离子化有机污染物毒性作用机制判别与p H的关系。与此同时,论文测定了13种抗生素对大型溞、绿藻和发光菌的毒性,利用毒性比率方法研究了抗生素的毒性作用模式。论文的研究结果有助于理解抗生素对水生生物的毒性作用机制,为抗生素在环境中的安全评价奠定了良好的理论基础。论文取得的主要研究成果如下:(1)研究了不同类型有机污染物对鱼、大型溞、梨形四膜虫和发光菌的急性毒性,结果表明基线化合物对四种生物的毒性作用机制相同,其中鱼、大型溞和发光菌对基线化合物的毒性敏感性十分相似,因此基于鱼的毒性数据确定的临界毒性比率log TR=1同样可以用来判别大型溞和发光菌的剩余毒性。另一方面,基线化合物对梨形四膜虫的敏感性低于其他三种生物,因此应用鱼的临界毒性比率预测梨形四膜虫的剩余毒性将会对一些化合物的毒性作用机制造成误判。通过研究基线毒性化合物的实测值与预测值的绝对偏差(AAR)与物种敏感性的关系,得到梨形四膜虫的临界毒性比率值log TR=0.8。(2)根据不同类型有机污染物对鱼、绿藻、大型溞和发光菌的毒性数据,通过比较种间毒性的残差值,发现基线化合物对四种生物具有相似的毒性作用机制和物种敏感性。此外,各物种的基线毒性与辛醇/水分配系数间相似的相关性方程,表明这些化合物在四种生物体内具有相同的毒性临界浓度值。在此基础上,确定绿藻的临界毒性比率log TR=1。(3)根据不同敏感性生物的临界毒性比率值(log TR=1和log TR=0.8),分别对鱼、大型溞、梨形四膜虫和发光菌的基线化合物、弱惰性化合物和反应性化合物的毒性机理进行判别。结果表明,在四种生物中,弱惰性化合物对梨形四膜虫和发光菌具有较大的毒性作用,其原因是亲水性化合物较易通过梨形四膜虫和发光菌的细胞膜,具有较高的生物富集能力,导致较多的弱惰性化合物的毒性比率大于毒性比率临界值。在反应性化合物剩余毒性的判别预测中,发现虽然大部分反应性化合物对四种生物都表现出剩余毒性,但是依然有一些反应性化合物对某一类生物表现出麻醉型作用机制,如β-卤素取代的醇对发光菌、脂肪族硝酸盐对梨形四膜虫都表现出麻醉型作用机制,这些化合物对不同生物表现出不同的毒性作用机制。研究表明,亲水性化合物的毒性大于疏水性化合物的毒性,具有较大的剩余毒性,如伯氨基醇、叔氨基醇、二元胺、多元胺以及硫脲。除了因为这些亲水性化合物的毒性较大,亲水性化合物的log BCF与log KOW非线性相关也是导致亲水性化合物的剩余毒性比率log TR值过高的主要原因。大部分可离子化化合物表现出剩余毒性,如脂肪族二酸对四种生物均表现出剩余毒性,苯甲酸对发光菌表现出剩余毒性。但是,依然有一部分可离子化有机物对生物的毒性比率比较低,这是由于这些可离子化有机物的log KOW被高估所致。此外,我们还发现实验误差、疏水性大小、分子大小以及离子化率等因素会导致毒性比率离群值的产生。(4)通过测定可离子化有机污染物在不同p H条件下对大型溞的毒性,研究p H值变化对剩余毒性的影响,发现可离子化有机污染物的表观毒性远低于基线毒性,毒性比率比较小。通过研究p H对生物富集的影响发现可离子化有机污染物的生物富集被过高的估算,导致可离子化有机污染物的毒性效应低于基线毒性,毒性比率小于零。根据临界浓度理论,在理论上建立了表观毒性和p H的相关方程,发现表观毒性与p H非线性相关,与非离子态的百分比(Fo)线性相关,表观毒性的测定值与理论计算值吻合良好。通过理论方程计算得到的可离子化有机物非离子态的毒性高于基线毒性,这与表观毒性相比具有很大的差别。本研究结果表明有些可离子化有机污染物是基线化合物,而有些是反应性化合物。有些可离子化有机物未表现出剩余毒性,不是因为其毒性效应小,而是因为他们在水中发生了电离。(5)通过实验测定13种抗生素对大型溞、发光菌和绿藻的急性毒性,发现大部分抗生素对绿藻的毒性效应较大,对大型溞和发光菌的毒性效应相对较小。造成抗生素对不同物种的毒性存在差异的主要原因是有机物毒性作用机理、物种敏感性和化合物生物可利用性的不同。对抗生素毒性作用机制的研究表明除了利福平和阿奇霉素外,几乎所有的抗生素对绿藻、大型溞和发光菌均表现出剩余毒性,抗生素对绿藻、大型溞和发光菌的毒性为反应性作用机制。