多环芳烃（PAHs）作为一类有机污染物广泛存在于环境介质中,易在生物体内蓄积并通过生物链富集,大部分PAHs有致癌和致突变性。土壤是PAHs重要的“汇”,PAHs可通过大气沉降、污水灌溉、废水渗漏和石油开采、运输、炼制与使用过程的洒落等多种途径在土壤中聚集。土壤又可作为“源”通过地表径流、蒸发作用使PAHs迁移至水体和大气。萘（NAP）是PAHs中结构最简单、水溶性最大的一种典型污染物,属于2B类致癌物,萘在PAHs类污染土壤中检出的频率较高。萘诱发的毒性效应与其在生物体内的代谢转化密切相关,萘主要在细胞色素P450家族酶作用下代谢,代谢过程可诱导生物体产生大量活性氧自由基（ROS）,打破生物体自身的氧化还原平衡,诱发炎症、细胞氧化损伤、致癌效应、基因毒性等。目前关于萘代谢相关的毒性评价主要以哺乳动物为实验模型,土壤生物毒性效应评价在土壤污染预警和环境生态风险评价方面非常关键,而目前缺乏土壤软体动物和细胞层次关于萘及代谢物低致死水平下对土壤生物的毒性效应的研究,萘的代谢物诱发氧化应激效应的剂量-效应关系和潜在的毒性机理尚未阐明。萘及代谢物在生物体内可能与重要功能蛋白、脱氧核糖核酸（DNA）结合,进一步加剧萘及代谢物暴露诱发的毒性效应,萘及代谢物与抗氧化酶、DNA分子相互作用的机制尚不明确。针对上述关键科学问题,选取萘及其典型代谢物1-萘酚和1,4-萘醌作为受试物质,从动物、细胞和分子水平上对萘及代谢物诱发蚯蚓氧化应激等相关毒性效应与潜在毒性机理开展了相关研究,主要包括以下内容:第一章简述了萘的性质及环境中萘的主要来源和其在各类环境介质中的污染与分布情况,概述了萘在生物体内的代谢过程、萘的生物毒性与毒性作用机制,归纳了萘及代谢物诱导的氧化应激效应、污染物与生物大分子结合在毒性效应评价中的研究进展。基于系统开展的文献综述工作,提出了存在的科学问题,明确了研究目的与研究内容。第二章在动物水平上研究了萘及代谢物（1-萘酚和1,4-萘醌）诱发的蚯蚓氧化应激效应,评价了不同暴露期的氧化应激生物标志物脂质过氧化产物丙二醛（MDA）含量、相关抗氧化酶活性和DNA损伤指标8-羟基-2-脱氧鸟苷（8-OHdG）含量的变化,观察了蚯蚓组织结构的改变。通过整合生物标志物响应信息对低致死水平下的受试蚯蚓的氧化应激状态进行了综合的相对衡量,系统评价了萘及代谢物的毒性差异及环境生态风险。结果表明萘及代谢物的暴露扰乱了蚯蚓抗氧化酶系统的稳定性,超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽转移酶（GST）的活性均发生了差异性的变化,造成了 MDA不同程度的积累和蚯蚓体壁、肠道组织的损伤。此外,萘未诱发明显的DNA氧化损伤,而1-萘酚和1,4-萘醌通过氧化应激效应机制对蚯蚓DNA造成了明显的氧化损伤。证实了萘及代谢物在动物水平上的综合毒性大小依次为1,4-萘醌＞1-萘酚＞萘,代谢产物具有比母体更强的毒性。萘及代谢物暴露初期蚯蚓个体抗氧化系统受到刺激积极响应,而随着暴露时间的延长蚯蚓抵抗刺激的能力下降,逐渐表现出明显的氧化损伤。第三章从细胞水平上研究了萘及代谢物诱发蚯蚓体腔细胞的氧化应激相关毒性效应与机理,通过细胞活力的检测对比了萘及代谢物的细胞毒性大小,为探讨潜在的细胞毒性机理进而对细胞膜的损伤、氧化应激效应与线粒体损伤情况进行了评价。萘暴露未明显影响体腔细胞的细胞膜通透性,表现在细胞膜蛋白Na+K+-ATPase活性虽受到抑制但细胞乳酸脱氢酶（LDH）释放量没有明显增加;萘暴露后细胞抗氧化系统出现响应,SOD酶活性被激活、CAT酶活性被抑制、谷胱甘肽（GSH）含量显著下降,但最终未造成ROS和MDA的显著积累,未对线粒体造成明显损伤。1-萘酚和1,4-萘醌抑制了 Na+K+-ATPase酶活性,促进了细胞内LDH的释放,改变了细胞膜的通透性;代谢物暴露后细胞抗氧化系统中SOD、CAT和GSH的响应不足以清除过量的ROS,导致了细胞内MDA的积累和线粒体显著损伤（表现在线粒体膜电位的降低和细胞内Ca2+水平的升高）。研究结果证实萘及代谢物诱发细胞氧化应激效应的毒性大小为1,4-萘醌＞1-萘酚＞萘。第四章以抗氧化酶CAT和SOD为研究对象,探讨了萘及代谢物诱发氧化应激效应分子水平上的作用机理。采用等温滴定量热技术（ITC）确定了萘及代谢物与CAT、SOD作用过程的热力学参数和结合参数,运用多种光谱学手段分析了萘及代谢物对抗氧化酶结构的影响,利用分子模拟技术构建了毒性作用模型,采用酶活性指标评价了抗氧化酶的功能变化。同时,以DNA分子为研究对象,利用多种光谱学和分子模拟技术探讨了萘及代谢物分子水平上的基因毒性机制。基于分子水平上的综合研究,阐释了萘及代谢物与相关功能蛋白、DNA相互作用的毒性机制:（1）萘、1-萘酚与CAT结合的关键作用力是疏水作用力,而在1,4-萘醌与CAT的结合过程氢键和疏水作用力协同作用且贡献相当。萘对CAT的骨架结构影响较小但仍在一定程度上造成了二级结构的变化。1-萘酚和1,4-萘醌改变了 CAT骨架结构和二级结构,分别静态和动态猝灭了 CAT的内源荧光。萘及代谢物与CAT相互作用模型证实,萘优先结合在CAT表面,而1-萘酚和1,4-萘醌优先结合在酶活性中心。综上,分子水平上CAT结构的改变和萘及代谢物与CAT作用机制的差异对CAT的功能造成了不同的影响,其中萘、1,4-萘醌直接作用促进了 CAT酶活性,而1-萘酚抑制了其酶活性。由此推断,动物和细胞水平上CAT酶活性的改变一方面是自由基的介导的氧化应激效应引起的,另一方面是萘及代谢物诱导的CAT的结构变化和与分子间作用机制的差异造成的。（2）1-萘酚和SOD结合过程疏水作用力和氢键协同作用且贡献相当,而1,4-萘醌与SOD结合中疏水作用占据主导地位。萘、1-萘酚和1,4-萘醌不同程度导致了 SOD骨架结构变松散而二级结构无明显变化,结合位点均远离活性中心,分子水平上SOD骨架结构的变化未引起SOD酶活性的明显变化。由此推断,动物和细胞水平上的SOD酶活性变化主要是自由基积累引起的。（3）共价和非共价结合两种模式在萘与DNA分子结合中均发挥着重要作用,而1-萘酚、1,4-萘醌与DNA结合以非共价模式中的沟槽结合为主并伴以氢键增强结合。1-萘酚与胞嘧啶（C）形成氢键,1,4-萘醌与鸟嘌呤（G）形成氢键。萘对DNA磷酸骨架结构基本没有影响,而1-萘酚和1,4-萘造成了 DNA多聚脱氧核苷酸链沿空间轴向收缩、构象发生变化。萘及代谢物与DNA的作用过程都基本不会影响DNA的碱基堆积和右手螺旋性。第五章对本论文的研究进行了总结,凝练了创新点,明晰了研究的不足与展望。本论文从动物、细胞和分子水平上系统地研究了萘及代谢物（1-萘酚、1,4-萘醌）诱发的蚯蚓氧化应激等相关毒性效应与机理,建立了萘及代谢物与生物大分子相互作用的模型,阐明了萘及其不同类型代谢物与重要功能蛋白、DNA相互作用的机理,为加强PAHs的风险管控和制定科学合理的管理与质量策略提供技术支持。