华东师范大学何尔凯团队CREST：综合考虑化学和毒理学有效性的金属混合物毒性建模

导 读

华东师范大学何尔凯团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“综合考虑化学和毒理学有效性进行金属混合物毒性建模：现状和未来展望（Incorporation of chemical and toxicological availability into metal mixture toxicity modeling: State of the art and future perspectives）”的重磅综述。

在现实环境中，重金属多以复合污染形式出现，然而由于混合物在暴露、吸收和靶点水平存在复杂的交互作用，精准评估和预测金属复合物的生态毒性效应仍然面临巨大挑战。本综述系统梳理了金属复合物生物效应评估研究中最具代表性的模型方法和现代分析手段，包括其基本理论方法、应用场景、优缺点和发展方向。强调了基于金属生物有效性概念充分考虑混合物组分交互作用在其毒性效应评估中的重要性。

图1 图文摘要

主要内容

基于热力学平衡理论的模型方法，包括充分考虑影响金属生物有效性的三大因素（浓度、络合和竞争）构建的生物配体模型（BLM）、考虑金属离子在生物体膜表面静电作用构建的静电作用模型（ETM）以及考虑生物体作用位点的异质性分布特性构建的腐殖酸毒性单元模型（WHAM-FTOX）等。这类模型基于生物有效性理论基础，从多样化机制视角充分考虑金属复合物交互作用影响，在预测复合毒性效应的基础上亦为阐明毒性作用机制提供了有益信息。

图2 基于热力学平衡理论的模型框架

（a）生物配体模型BLM （b）静电作用模型ETM（c）腐殖酸毒性单元模型WHAM-FTOX

基于毒性效应过程的模型方法，金属在生物体内的累积和毒性是一个连续的、动态变化的过程，传统研究从短期单一时间点上获取的污染物生物效应信息往往不能准确反映其慢性毒性风险。基于金属在生物体内动态累积和毒性效应过程构建的毒代-毒效动力学模型（TK-TD）充分考虑了时间因素的影响，进一步完善了金属复合物毒性预测与风险评估体系，并为阐明金属交互作用对金属累积和毒性的影响提供了定量表征手段。

图3 基于毒性效应过程的模型框架，毒代-毒效动力学模型TK-TD

基于组学分析手段的评估方法，包括基因组学、转录组学、蛋白组学和代谢组学。相较于传统毒理学研究中主要关注的生物体表型水平响应，生物体分子水平上的响应具有更高的环境敏感性，并且这类基于组学分析手段的毒性评估方法可为阐明金属复合物在分子水平上的毒性交互作用机制提供了新的思路和方法。进一步发展的多组学联用技术，可以互相印证、相辅相成以获得更加全面可信的毒性效应证据。

图4 基于组学分析手段的评估方法框架

总结与展望

本文着重总结了当前具有代表性的金属混合物毒性评估和预测方法，梳理了现代组学技术在早期毒性预警和内在机制阐释上的应用价值，提出了不同方法的相对优势和局限性，为金属复合物毒性评估和预测方法的选择提供初步依据。在准确评估金属复合物生态毒性效应研究中，仍存在以下值得深入研究的问题：

（1）基于生物体某一特定生长阶段暴露获得的毒性数据可能缺乏环境相关性，进一步探究生物体全生命周期中金属混合物的毒性效应，可以丰富生物体对毒物的敏感性信息，更加准确和全面的评估金属复合物的生态风险。

（2）此外，将基于分子水平响应的毒性终点纳入混合物毒性预测模型中，将有助于增强金属混合污染的环境风险评估和预测的敏感性，丰富模型方法的机理性内涵。

作者简介

第一作者：

龚冰，博士，研究方向为土壤污染生物效应与风险评估。博士期间以第一作者在Crit Rev Environ Sci Technol，J Hazard Mater，Environ Pollut等期刊上发文8篇。目前在上海交通大学从事博士后研究。

通讯作者：

何尔凯，留荷博士，华东师范大学地理科学学院副教授，长期专注于土壤重金属和新兴污染物的生态效应与风险评估领域研究工作。先后承担国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目、国家重点研发计划项目子课题等14项。已在环境领域国际主流期刊Environ Sci Technol、Water Res、J Hazard Mater、Environ Pollut、Sci Total Environ等发表论文40余篇，撰写英文专著1部。获第一届广东省土壤学会优秀青年科学家奖(2020)、广东省环境保护科学技术一等奖2项(2018、2020)、第三届广东省土壤学会科技奖1项(2021)、第十六届中国土壤学会科学技术奖二等奖1项(2021)。

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|供稿：何尔凯团队

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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