定量构效关系模型在化合物毒性预测领域的应用、发展与展望

定量构效关系（Quantitative Structure Activity Relationship, QSAR）在化合物毒性虚拟计算领域被广为使用,能够高效、准确地用于化合物毒性的预测和风险评估.本文综述了利用QSAR方法开展化合物毒性预测中数据集、数据输入和模型方法3个领域的发展与变化,分析了研究的发展历程,提出了当前研究热点,并针对定量构效关系在化合物毒性预测领域的未来发展提出了展望.     

苯甲酸类化合物对发光菌的毒性及定量构效

测定了9种苯甲酸类化合物在pH=7时对发光菌的急性毒性(15min-EC50)。应用两种理化参数TSA和ELUMO对毒性数据进行了定量构效关系(QSARs)研究,并在此基础上初步探讨了苯甲酸类化合物的毒性机制。结果表明,苯甲酸类化合物对发光菌的毒性随取代基团的种类及取代位置不同而不同;苯甲酸类化合物对发光菌的致毒机制中可能有亲电作用发生,毒性可用TSA和ELUMO来联合描述。     

硝基苯类化合物的结构/毒性定量构效关系研究

为了定量结构／毒性相关性研究提取了拓扑指数Ａｍ，分子连接性指数＾ｍＸｔ量子化学参数及分子体积等，同时运用最佳变量子集算法（Ｌｅａｐｓ ａｎｄ Ｂｏｕｎｄｓ）进行了变量的压缩和选择，进而实施了多元间归分析，并由所得结果进行了硝基苯类化合物结构与毒性关系的理论解释，同时还进行了人工神经网络法对于该类化合物毒性的预测，其结果明显好于多元回归法。     

三维定量构效关系研究进展

三维定量构效关系 ( 3D -QSAR)研究是QSAR发展的前沿。笔者在对 3D -QSAR作简要介绍的基础上 ,通过归纳分析其与传统QSAR的区别 ,论述了 3D -QSAR在方法学和应用方面的最新进展 ,并展望了其在环境科学研究中的应用前景和发展方向。      

定量构效关系在环境化学中的应用

本文介绍近十年来国外文献中定量构效关系(QSAR)在环境化学中应用典型实例及作者的五个方面工作,旨在说明QSAR方法确是化学品安全评价的有用工具之一。文中探讨该方法应用的局限性及将来可能的进展。     

硝基多环芳烃致突变性构效关系研究

应用逐步判别分析法，对８０种硝基多环芳烃致突变性构效关系进行了研究，７２个训练样本判别回代符合率为９０．２８％，８例预测样本正确分类率为１００％，累计正确分类率达９１．２５％。     

酚类化合物在模拟海水中的生物耗氧特性及其构效相关研究

测定了10种酚类化合物在模拟海水中的ρ(BOD5),并采用一阶价分子连接性指数(1XV)、二阶价分子连接性指数(2XV)、辛醇-水分配系数(lg KOW) 、分子最高占据轨道能(EHOMO)、分子最低空轨道能(ELUMO)和分子偶极距(μ)作为受试化合物的分子结构参数进行构效相关(QSAR)分析.结果表明:在初始质量浓度相同的情况下,烷基酚类化合物的ρ(BOD5)随着取代烷基的增大而减小.同一取代基取代位置不同,ρ(BOD5)也不同.对于同一取代位置,甲基酚的ρ(BOD5)要大于氨基酚.空间参数是影响酚类化合物在模拟海水中耗氧特性的主要因素,化合物的亲脂性对ρ(BOD5)的影响也不容忽视,而电性效应对酚类化合物在模拟海水中ρ(BOD5)的影响表现得并不明显.      

3,4-二氯苯胺与取代芳烃联合毒性的定量构效关系研究

采用细菌生长抑制实验测定了取代芳烃及其混合物对长江水中混合细菌的急性毒性,得到17种单一化合物的半数抑制浓度(IC50)及22组混合物的半数抑制浓度(IC50mix).采用毒性单位法和混合毒性指数法对联合毒性效应进行了定性评价,3,4-二氯苯胺与胺类化合物的联合效应以简单相加或部分相加作用为主,而3,4-二氯苯胺与酚类化合物的联合效应则多表现为协同作用.以化合物的辛醇/水分配系数(lgP)和分子最低空轨道能(ELUMO)为结构描述符,分别建立了单一毒性和联合毒性的定量构效关系(QSAR)模型.所得模型对极性麻醉型化合物和反应性化合物的毒性都具有较强的预测能力,不仅能预测3,4-二氯苯胺与取代芳烃不同配比的二元混合物的联合毒性,也能预测三元和四元混合物的联合毒性.     

苯胺类化合物在不同pH值下对大型蚤的急性毒性及QSAR研究

测定了13种苯胺类化合物在不同pH下（6．0，7．8，9．0）对大型蚤（Daphnia magna)的24h半数活动抑制浓度24h-1C50，应用三种理化参数logP,TSA和pKa，对毒性数据进行了定量构效关系（QSARs)研究，并在此基础上初步探讨了苯胺类化合物的毒性机制。     

烷基酚类化合物对发光菌的定量构效相关研究

用发光菌(明亮发光菌T₃变种)对16种烷基酚进行了毒性测试(EC₅₀),并利用分子连接性指数、辛醇/水分配系数及电子参数进行毒性预测,在实验基础上获得有效的估测模式,并对活性作用机制进行了探讨.      

哈尔滨市融雪径流中多环芳烃污染生态风险评价

根据2018年哈尔滨市春季融雪径流中16种PAHs检测数据,利用BaP毒性当量法和风险熵值法评价融雪径流中不同下垫面及各采样点中PAHs风险等级、16种PAHs单体风险等级和对水生生物的影响.结果表明:不同下垫面ΣPAHs的生态风险差异明显,城市道路、内部道路、人行道和绿地融雪径流中PAHs污染处于高生态风险等级,而屋面和冰面的生态风险处于较低水平.城市道路和内部道路均超出我国地表水环境质量标准2.8 ng·L~(-1),EBaP最高值分别为20.06和15.5 ng·L~(-1),人行道和绿地中部分EBaP值超标,屋面和冰面均未超标.从各PAHs单体RQ均值来看,Ant和BbF最高,其RQ_(MPCs)均值都为1.53,其次是BaA为1.46,Pyr为1.2,BghiP为1.04,均属高风险等级,其余单体均有中等生态风险.松花江干流水生生物对融雪径流中Pyr的毒性最强,Flu的毒性最弱, Nap的毒性居中.耐受性顺序依次为:Flu AceChr AntNap FlaBaPPhe Pyr.城市道路、内部道路和人行道融雪径流中PAHs对大型蚤和胖头鲤鱼的风险商均大于1,说明9种PAHs对这两种水生生物存在风险.比值法分析结果显示融雪径流中PAHs主要来源于燃烧过程,其中交通排放源显著,尤其是汽油车辆尾气排放.     

沈抚新城不同土地利用类型多环芳烃含量、来源及人体健康风险评价

研究了处于城镇化进程中沈抚新城表层土壤多环芳烃的污染水平.从沈抚新城采集了54个土壤表层样品,包括4种不同土地利用类型(城镇用地、农村用地、林地、耕地),分析了不同土地利用类型中多环芳烃的含量,利用特征比值法与主成分分析对其进行来源分析,利用Ba P毒性当量含量及终生癌症风险增量模型(ILCR)对不同土地利用类型表层土壤内PAHs进行风险评价.城镇用地、耕地、农村用地、林地这4种土地利用类型ΣPAHs的含量分别为184~18 276、230~14 102、151~3 205、303~2 980μg·kg-1.不同土地利用类型土壤中PAHs来源相似,主要以煤燃烧源与交通源为主;风险评价表明沈抚地区存在潜在的健康风险,尤其是城镇用地风险水平最高,且最易通过皮肤接触途径暴露于土壤PAHs中.     

基于不确定性分析的太湖水体多环芳烃的生态风险评价

利用概率法[蒙特卡罗抽样(monte carlo sampling,MCS)和拉丁超立方抽样(latin hypercube sampling,LHS)]、区间分析法、模糊数法和方差传递等不确定性处理方法,分析了太湖水体ΣPAH8生态风险的不确定性,量化了不确定性因素影响的太湖水体ΣPAH8的生态风险.结果表明,基于概率理论的MCS和LHS模拟结果为太湖水体ΣPAH8危害商值的概率分布,危害商值的平均值分别为0.37和0.35,90%的置信区间分别为(0.000 18,0.89)和(0.000 17,0.92),超过临界值1的概率分别为9.71%和9.68%,敏感性分析表明毒性数据对ΣPAH8商值概率分布的影响较大;区间分析结果表明太湖水体ΣPAH8危害商值范围为0.000 17～0.99;模糊数计算得到可信度为0.9对应的太湖水体ΣPAH8危害商值的区间值为(0.001 5,0.016 3);方差传递结果表明太湖水体ΣPAH8的危害商值在90%置信水平下的置信区间为(0.000 16,0.88),各种不确定性分析均表明PAHs的生态风险较低.通过各种方法比较,基于概率理论的不确定性处理技术更适合太湖水体PAHs的生态风险评价,可为水体有机污染物的风险管理和控制提供科学依据.     

城市生态地球化学研究进展

城市生态地球化学是研究城市生态系统各要素中元素或化合物的组成特征、来源、含量、形态、迁移转化规律及其对人类和其他生命体的生态(环境)效应的科学。随着城市环境问题的日益突出,城市生态地球化学成为环境保护领域新的研究热点之一,近年来,国内外在研究城市土壤及降尘中重金属和有机物的来源、时空变异性、形态分布、迁移转化及其生态环境效应等方面取得了一定进展,文章对此进行了较为系统的总结,分析了研究中存在的问题并指出了该领域今后的发展趋势和前景。     

扬州市不同功能区表层土壤中多环芳烃的含量、来源及其生态风险

对扬州市6个不同功能区(公园、菜地、文教区、居民区、加油站和工业区)共59个表层土壤样品(0～10 cm)中15种美国环境保护署优控的多环芳烃(PAHs)的含量和来源进行了分析,并利用苯并[a]芘(BaP)毒性当量浓度(TEQ_BaP)评价了土壤中PAHs的生态风险.结果表明,扬州市土壤中∑15PAHs总量范围为21～36 118μg·kg^-1,中值为295μg·kg^-1,PAHs组成中以4～6环为主.不同功能区∑15PAHs总量平均值高低顺序为工业区>加油站>文教区>菜地>居民区>公园.相关性分析表明,整个扬州市土壤中∑15PAHs总量与土壤总有机碳(TOC)(P<0.05)和黑碳(BC)(P<0.01)含量都呈显著性正相关,但除了加油站土壤中∑15PAHs总量与BC含量呈显著性正相关(P<0.01)外,不同功能区土壤中∑15PAHs总量与TOC、BC含量都无显著相关性.特征比值法结果表明,不同功能区土壤中PAHs来源虽有些差异,但都主要来源于石油泄漏以及石油、煤和生物质等...     

扎龙湿地的生态修复研究

扎龙湿地是中国和国际重要湿地,扎龙湿地于1992年被联合国教科文组织列入“世界重要湿地名录”中。近几年来扎龙湿地水质污染逐年加重,已造成湿地面积不断缩小,湿地生态功能退化。本文对扎龙湿地的生态修复研究的必要性,扎龙湿地突出的生态环境问题,扎龙湿地生态环境主要研究内容,研究方法和预期目标进行了论述。本文对开展扎龙湿地生态修复研究具有重要意义。     

岩溶生态脆弱性研究

岩溶生态环境作为一种脆弱型的生态系统,不仅由自身特殊的水文地质条件所决定,还由于人们不合理的经济活动而导致生态系统多样性趋向简单化,造成水土不断流失,从而陷入"环境生态脆弱-贫困"这样的恶性循环中.因此,研究岩溶生态脆弱性为生态恢复及重建提出相应的改进措施具有重大的现实意义.本文通过分析各生态因子对岩溶生态的作用来研究其脆弱性.     

层次分析法在生态旅游资源评价中的应用研究

生态旅游已成为世界旅游发展方向,国内外对生态旅游资源基本问题的研究还在深化的过程中."生态旅游"这一新词语,世界上至今还没有一个公认的定义.但现今旅游业发展迅速,生态旅游已不可避免成为旅游业主题.对生态旅游资源的评价亦不容忽视.因此在认真研究和分析了前人的相关成果之后,运用特尔斐法及层次分析法,建立了生态旅游资源综合评价模型和基层因子评价标准.为制定我国生态旅游开发与发展战略提供科学依据.     

取代芳烃对藻类毒性与结构参数之间的定量关系研究

采用OECD标准方法测定了40种取代芳烃化合物对绿藻的48h急性毒性,毒性最强的是邻二硝基苯,其lg1 EC50为5 04;毒性最弱的是苯酚,其lg1 EC50仅为2 46。计算得到所研究化合物的分子最低空轨道能((ELUMO))、分子最高占有轨道能((EHOMO))、范德华面积((sVdW))及分子量(Mw)。对化合物毒性和结构参数进行了定量的结构与活性关系(QSARs)研究。所研究化合物对绿藻的毒性主要分子的轨道能和空间参数有关。方程(lg1 EC50=-1 029(EHOMO)+0 025(sVdW)-8 322,R2(adj)=0 824)有很好的预测能力,训练组的平均相对误差为6 10%,测试组的平均误差为6 99%。苯酚和苯胺类化合物属于极性麻醉剂,其毒性与空间参数或疏水性有关;硝基苯类是反应型化合物,可作为亲电子试剂,产生相应的潜在毒性更强的亚硝基化合物,其毒性一般与分子轨道能有关。      

基于生态足迹方法的中国区域间生态转移支付研究

针对中国经济发展中出现的“反溢出效应”,有学者认为占用外省市自然资源的地区应给予输出自然资源的地区一定的经济补偿,也是生态转移支付的一种形式,试图以此实现社会经济发展的公平性。文章基于生态足迹理论,建立这种补偿的理论基础并尝试确定补偿的标准。结果显示：有13个省市需要向其他地区支付一定的生态补偿。应支付生态补偿的地区多为东部沿海的经济发达地区,应接受补偿的地区多为较落后的中西部地区。