預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法
2023-10-17 07:19:39 7
預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法
【專利摘要】本發明涉及預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，包括以下步驟：採用偏最小二乘方法構建QSAR模型，根據QSAR模型得到有機汙染物的消除速率。本發明的模型應用域明確，具有良好的擬合效果、穩健性和預測能力。在獲得化合物分子結構的基礎上，僅通過計算表徵結構特徵的描述符，應用所建QSAR模型，即能快速高效預測POPs在貽貝體內的消除速率，其成本低廉，簡便快捷，節省測試所需的大量人力費用和時間，為持久性有機汙染物的生態風險評價和管理提供重要的數據支持，具有重要意義。
【專利說明】預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種通過建立定量構效關係模型(QSAR)預測持久性有機汙染物在貽貝(Elliptio compIanata)體內消除速率的方法,屬於生態風險評價的定量結構與活性關係【技術領域】。
【背景技術】
[0002]多環芳烴(PAHs)、多溴聯苯醚(PBDEs)和多氯聯苯(PCBs)是典型的持久性有機汙染物(POPs)，具有持久性、生物積累性和三致效應。貽貝作為一類世界性分布的沿岸底棲雙殼類海洋動物，已被廣地用於海洋汙染的生物監測中。貽貝具備了作為指示生物的4個基本條件:地理分布廣、是沿海和河口海區的優勢種、生物體能累積汙染物、能對多種環境汙染物產生響應。此外，對貽貝的基礎生物學特點研究已較透徹，因而將貽貝作為海洋汙染監測的指示生物已普遍被人們接受。貽貝分布廣泛，可生物富集POPs，目前已在大連灣、膠州灣、鴨兒湖及珠三角地區的貽貝體內發現了 PAHs、PBDEs和PCBs。消除速率(kd)是一個重要的動力學參數，可用於估計汙染物被貽貝的攝取速率和汙染物在貽貝體內的生物富集因子。
[0003]實驗測定是目前獲得化合物kd值的主要途徑。但是由於現有化學品數量已超過14萬種，據歐盟於2007年6月開始全面實施的化學品管理新法規《化學品註冊、評估、授權和限制法規》(Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals,簡稱REACH法規)」估算，每一種化學物質的基本檢測費用約需8.5萬歐元(不含長期環境影響的評估費用)，每一新物質全面檢測費用約需57萬歐元，這意味著如果對每種化學品都開展實驗測定，將會帶來巨額的財政開支。進行全面的實驗測試，也不符合化學品風險管理中的動物實驗倫理的「3R原則」，即:減少(Reduce)試驗動物的個數、改進(Refine)動物實驗的方法、替代Oteplace)實驗動物的模型。目前，「3R原則」逐漸被歐美各國的研究機構所採納，並在美國、英國、法國乃至整個歐洲的一些立法和政府規章中得以明確。因此，如果全部通過試驗測試獲得所有相關信息，不但存在測試費用昂貴和動物倫理方面的問題，而且有的化學品的標樣難以獲得，在時間上是滯後的，難以滿足有機化學品生態風險評價和監管的數據需求。因此，通過定量結構活性關係(QSAR)方法發展一種能夠快速高效獲取有機汙染物生物消除速率的模型具有重要的應用意義。
[0004]QSAR是指關聯有機汙染物的分子結構與其理化性質、環境行為和毒理學參數(統稱為活性)的定量預測模型，能夠反映和揭示有機汙染物的分子結構與其環境行為和毒理效應之間的內在聯繫，比試驗測試更快、更廉價，該方法已經在有機汙染物的環境光化學行為、光致毒性參數、環境分配參數和生態毒理學效應等方面得以應用。因此，化合物的生物消除速率QSAR模型的建立，相對於基於傳統的實驗方法來確定kd數值，更有利於快捷高效的評價化學品的生物富集能力及進行生態風險評估。
[0005]經濟合作和發展組織(0E⑶)圍繞化學品的安全性問題，開展了 QSAR技術的應用研究。2004年，為規範QSAR技術的應用，OE⑶提出了 QSAR模型構建和應用導則。該導則要求建立的QSAR應滿足如下標準:①針對明確定義的環境指標；②具有清晰和明確的數學算法定義了模型的應用域；④模型具有適當的擬合度、穩定性和預測能力；⑤最好能夠進行機理解釋。2007年，OE⑶發布了關於確認和驗證QSAR模型的指導文件。
[0006]目前，已有許多研究者應用QSAR方法建立了有機汙染物生物消除速率kd的預測模型。如文獻「QSAR&Combinatorial Science.2011, 28:537 - 541」基於量子化學描述符和偏最小二乘(PLS)方法，建立了 PAHs在貽貝(Elliptio complanata)體內kJAQSAR模型。模型具有較好的穩健性，但僅適用於單一結構類型化合物(多環芳烴化合物)，即模型應用域小。文獻「Archives of Environment Contamination and Toxicology.2004，47:74 - 83，，基於1gKw值構建了 PCBs的kd值模型，但模型過於簡單，沒有考慮作用機理和性能評價。文獻「Chemosphere.2007，69:362 - 370」建立了 8 個 PBDEs 和 5 個 PCBs 在貽貝體內 kd 值與K0ff值的QSAR模型，但訓練集化合物的數目太少，也沒有對模型的機理解釋。文獻「Sciencein China, Series B Chemistry.2009，52:1281 - 1286」基於 PLS 和理論分子描述符建立了kd的QSAR模型，但沒有對模型的應用域進行表徵。因此有必要建立一個涵蓋多種類化合物，並且模型結構簡單、預測規則透明、易於理解和實際應用的QSAR模型，同時按照OECD導則對模型進行應用域表徵和機理解釋。
【發明內容】
[0007]針對上述技術不足，本發明的目的是發展一種簡潔、快捷、高效預測持久性有機汙染物在貽貝體內消除速率的方法。
[0008]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，包括以下步驟:通過採用偏最小二乘方法構建的QSAR模型得到有機汙染物的消除速率。
[0009]所述QSAR模型為
[0010]
1gAtl= 1.34x10'' —1.07 x 103ω - 4.86χ I Q^polar - 7.65 χ IO K —4.31><10.\
[0011]其中，kd為有機汙染物的消除速率，ω表示分子親電性指數，polar表示平均分子極化率；表示分子表面上負靜電勢的平均值；τ表示分子表面靜電勢的平衡參數。
[0012]所述分子親電性指數通過以下公式得到
[0013]
【權利要求】
1.預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於包括以下步驟:通過採用偏最小二乘方法構建的QSAR模型得到有機汙染物的消除速率。
2.根據權利要求1所述的預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於:所述QSAR模型為
3.根據權利要求1所述的預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於:所述分子親電性指數通過以下公式得到
4.根據權利要求1所述的預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於:所述分子表面上負靜電勢的平均值通過以下公式得到
5.根據權利要求1所述的預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於:所述分子表面靜電勢的平衡參數通過以下公式得到
6.根據權利要求1所述的預測海岸帶持久性有機汙染物消除速率的方法，其特徵在於:所述有機汙染物包括多環芳烴、多溴聯苯醚、多氯聯苯。
【文檔編號】G06F17/50GK103714220SQ201410006551
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】李斐, 吳惠豐, 曹璐璐, 趙建民 申請人:中國科學院煙臺海岸帶研究所