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中国是喹诺酮类（Quinolones,简称QNs）抗生素消耗大国,约占人类和畜禽所用抗生素消耗总量的15%。QNs不易降解,半衰期较长,去除率较低,无法完全被生物体吸收,具有持久污染土壤、水体以及沉积物等自然环境的特征。QNs的生物毒性可胁迫动植物体产生不同程度的负面响应,其诱导产生的抗性基因也会显著降低抗生素治疗的有效性。此外,大多数抗生素在生物体内代谢后会保持活性,或转化为毒性更强的产物。本文以QNs分子多种环境效应为切入点,对QNs生物毒性与遗传毒性的双向选择效应以及植物与微生物协同降解效应进行研究,以从源头降低QNs生物毒性,提升遗传毒性以及植物与微生物协同降解性为研究目的,基于分子对接方法与分子动力学方法分别构建改进的QNs生物毒性与遗传毒性双向选择的双效应模型,以及改进的植物与微生物协同降解性综合效应模型,旨在从源头修饰环境友好型QNs分子,并探究其源头阻控策略与毒性风险发生机制。本文结合变异权数法构建QNs生物毒性与遗传毒性双向选择效应Co MFA模型,模型主要参数分别为交叉验证系数q~2为0.767（>0.5）,最佳主成分系数n为3,非交叉验证系数R~2为0.996（>0.8）,标准偏差SEE为0.008（0.6）,表明所构建模型具有良好预测能力、拟合能力、稳定性与可靠性。根据模型力场与三维等势图分析,立体场和静电场的贡献率分别为75.6%与24.4%,以恩诺沙星（Enrofloxacin,ENR）与斯帕沙星（Sparfloxacin,SPA）同时作为目标分子对其活性位点附近相关基团进行修饰,共设计46个生物毒性降低的QNs衍生物分子,并对其进行环境友好性与遗传毒性评价,共筛选出8个低生物毒性与高遗传毒性（最高变化幅度分别为20.11%与7.84%）的环境友好型QNs衍生物分子。基于药代与毒代动力学预测肝毒性、潜在发育毒性、致突变性、啮齿动物致癌性、皮肤致敏性、皮肤刺激性、眼刺激性与大鼠口服毒性等参数,将其变化幅度定义为修饰前后QNs潜在毒性风险。修饰后ENR肝毒性与大鼠口服毒性分别显著降低20.65%-221.51%与40.30%-451.49%,修饰后SPA衍生物肝毒性降低28.86%-83.05%,绝大部分衍生物均无致突变性、致敏性与眼刺激性等。此外,基于混合毒性指数法与分子动力学方法分别辅助验证修饰前后多元QNs混合物在土壤环境中的联合毒性作用机制,多元QNs混合物联合毒性显著降低（相对幅度高达38.61%）,修饰后QNs衍生物分子在不同土壤类型中施用时,具有降低潜在土壤环境风险的效果,其中农田土壤环境风险最低,证实所设计衍生物分子可作为将QNs抗生素朝着对环境及植物友好性方向更新换代的理论储备。此外,进一步探究提升QNs植物与微生物协同降解性的分子修饰方案,提出降低其在植物与土壤复合环境中的残留与危害,以及降低其潜在毒性风险的源头阻控策略。基于加权平均法耦合的模糊综合评判法构建QNs植物与微生物协同降解多效应Co MSIA模型,模型主要参数分别为交叉验证系数q~2为0.707（>0.5）,最佳主成分系数n为8,非交叉验证系数R~2为0.999（>0.9）,标准偏差SEE为0.308（0.6）,表明所构建模型具有可靠的预测能力、拟合能力与稳健性。由模型力场与三维等势图可知,所构建模型立体场、静电场、疏水场、氢键供体场与氢键受体场的贡献率分别为19.1%、21.7%、27.4%、9.3%与22.5%,表明静电场、疏水场和氢键受体场是影响QNs植物与微生物综合降解性的主要因素。以诺氟沙星（Norfloxacin,NOR）为目标分子进行单、双取代修饰,共设计出植物与微生物协同降解效应增强（1.32%-21.51%）的35个NOR衍生物分子,对修饰前后NOR分子进行环境友好性与功能性评价,筛选稳定性与杀菌药效性适度改善的7个环境友好型QNs衍生物分子。此外,借助密度泛函理论模拟修饰前后NOR分子植物与微生物降解路径并计算反应能垒,寻找修饰后NOR衍生物分子最易发生的植物与微生物降解路径,并推断羟基化与哌嗪环取代反应在转化过程中发挥重要作用。最后,基于药代与毒代动力学预测毒性参数,修饰后NOR肝毒性显著降低238.80%-314.45%,衍生物D-17转化产物肝毒性与大鼠口服毒性水平分别显著降低67.93%-139.91%与24.87%-496.30%,潜在毒性风险降低。本文基于理论计算模拟,通过引入数学方法将多种单环境效应整合为整体,对多种环境效应进行系统的考虑,建立了一套可应用于降低QNs生物毒性、提升遗传毒性以及植物与微生物协同降解效应的综合筛选、评价与源头阻控体系,其中包括改进的多效应3D-QSAR模型构建、分子修饰、药物环境友好性与功能性评价、降解路径模拟以及潜在毒性风险预测,为污染源头控制与新型药物设计等领域提供了可行的理论思路、方法与指导。