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喹诺酮类抗生素因为其抗菌谱广、药效良好等优点而广泛应用于人及牲畜的疾病治疗及预防。但由于不合理利用及滥用,这些药物母体可以经过多种途径最终进入环境。残留于环境中的药物原体存在一定的环境健康风险,一方面,其可直接对环境中的微生物和动植物产生危害;另一方面,可诱导耐药菌的产生,增加人类及牲畜疾病治愈难度。城市污水处理厂对此类药物的环境污染控制具有重要作用。考虑到氯消毒在城市污水处理领域的普遍应用,与水体有效氯的反应对喹诺酮类化合物的环境行为与环境健康效应具有重要作用。本课题以SOS/umuC遗传毒性以及发光细菌急性毒性测试为先导,首先检测了21种喹诺酮类化合物氯化反应前后的遗传毒性及急性毒性效应,并应用定量结构活性相关(QSARs)方法对喹诺酮类化合物生物毒性效应进行二维和三维构效关系的研究。进而筛选出典型化合物莫西沙星,对其氯化反应进行深入研究。主要研究成果如下: (1)、所检测的喹诺酮化合物在nmol/L水平即可表现出显著的遗传毒性效应,构效关系显示分子结构中1、7、8位取代基性质与其遗传毒性大小密切相关。具体表现为:①增加1位取代基体积或正电荷效应;②增加7位取代基负电荷效应;③增加8位取代基负电荷效应或减小其体积,会增大喹诺酮化合物的遗传毒性效应。 (2)、氯化消毒处理后大部分喹诺酮化合物(19/21)遗传毒性降低,少部分化合物存在遗传毒性升高的现象,其氯化消毒过程中遗传毒性的变化与喹诺酮分子结构密切相关。本研究建立了一个新指标——遗传毒性生成潜势(lgGeF)来定量评价喹诺酮化合物氯化前后遗传毒性的变化。进一步研究表明,增大喹诺酮化合物分子亲水性、减少分子中氢键供体并且增加1位取代基负电荷效应,会导致氯化过程中喹诺酮类化合物遗传毒性增大。 (3)、喹诺酮化合物对发光细菌敏感性较低,大部分所检测的化合物短期暴露(15 min)后在μmol/L水平表现出毒性效应。但是氯化处理后,多个化合物急性毒性呈显著上升趋势,如莫西沙星、左氧氟沙星、帕珠沙星等。 (4)、莫西沙星在低剂量氯化反应(氯剂量小于5当量)过程中生成遗传毒性大于母体的氯代产物。在高剂量氯化反应(氯剂量大于5当量)过程中,非常容易生成众多具有同分异构效应的氯化产物。采用模型反应对其高剂量氯化反应进行研究发现,高剂量氯化反应破坏了莫西沙星分子4-喹诺酮母环结构,且具有生成氯代苯醌类消毒副产物的风险。 综上,本论文选取目前用量大、环境残留高、生物毒性效应显著的喹诺酮类抗生素作为目标研究化合物,通过对大量喹诺酮化合物(21种)的毒性测试深入研究了其分子结构与毒性效应之间的构效关系,进而对其中典型化合物莫西沙星的氯化转化机制进行了深入探讨,旨在全面揭示喹诺酮类抗生素在水处理典型工艺氯化消毒过程中的生物毒性变化规律和转化机制。本研究将为环境中喹诺酮类污染物的污染防治、风险管理提供一定的科学依据。