（环境科学专业论文）苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及qsar研究.pdf

a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e al a r g en u m b e ro f p o i s o n o u ss u b s t a n c e s h a v ec o m ei n t ot h eu a m r a lw a t e r 魄a n dc a u s e dw a t e rp o l l u t i o n e x p e c i a l l y , w h e nm a n y p o l l u t a n t sc o e x i s ti nt h ew a l l s ，t h er e s u l t sm a yb em o r es e r i o u s i no r d e rt or e v e a lt o x i ce f f e c t so f c o e x i s t i n g p o l l u t a n t s t o t h e o r g a n i s m s ，n o t o n l y t h e m o n o t o x i c i t y o f p o l l u t a n t s b u t a l s o j o i n t t o x i c i t y s h o u l db es t u d i e d b yu s i n g & e n e d e s m u so b l i q u u s 鹞ai n d i c a t o r j o i n tt o x i c i t yw d e t e r m i n e dw i t ht h em e t h o d o ft h ea l g a ei n h i b i t i o nt e s t t h et o x i c i t i e so fb i n a r ym i x t u r e so f2 , 4 - d i c h l o r a n i l i n eo r 2 , 4 - d i c h l o r o p h a n o lw i t ha n o t h e rp h e n o lo ra n i l i n ew e r ec a r r i e do u ta c c o r d i n gt d a ne q u i t o x i c r a t i o ( 1 ：1 ) ，w h i l e t h eb i n a r y t o x i c i t i e s o f p h e n o l s o r a n i l i n e s w i t h d i f f e r e n t t o x i c a lr a t i o s a n d t h e j o i n t t o x i c r i e so f t h r e ek i n d so f p h e n o l so ra n i l i n e sw i t ha l le q u i t o x i cr a t i oo ：dw e r ed e t e r m i n e d t h e m e d i a ne f f e c t i v e i n h i b i t i o nc o n c e n t r a t i o n sa f t e r 4 8ho f e x p o s u r e ，e x p r e s s e da s e c s o ( m o l l ) ，w e i g a m e dt h r o u g ho n ev a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i so f t h es u mo f t o x i c i t yu n i t sa n dt h ei n h i b i t i o n r a t e s 勰t h er e l a t i v et o x i cp o t e n c yf o rt h em i x t u r e s t o x i cu n i t , a d d i t i v ei n d e xa n dm i x t u r et o x i ci n d e xw e r eu s e dt oe v a l u a t et h ej o i n tt o x i c i t y t h er e s u l t se v a l u a t e dw i t ht o x i cu n i ta n dm i x t u r et o x i c i n d e xi n d i c a t e dt h a tj o i n te f f e c to f 2 4 d i c h l o r a n i l i n eo r2 , 4 - d i c h l o r o p h e n o lw i t ha n o t h e rp h e n o l so ra n i l i n e sw e r ea d d i t i v eo ra l m o s t a d d i t i v ew h e nt h e yc o e x i s t e dw i t ha ne q u i t o x i cr a t i o f o r t h et h r e ek i n d so f t c n m r ym i x t u r e ss u c ha s2 , 4 - d i c h l o r o p h e n o l , d i p h e n y l a m i n ea n do , - n a - p h t h y l a m i u a ，2 , 4 - d i c h l o r o p h e n o l ，m - c h l o r o a n i l i n ea n da n i l i n e ，b a n z e n o l ，m a i l i n ea n d2 - n a p h t h o l , b e n z e n o l ，a - n a p h t h y l a m i n ea n d2 , 4 - e i c h l o r o p h a n o l ，t h e i r j o i n tt o x i c i t ye f f e c t sa r ep e n i a la d d i t i o n e v a l u a t e dw i t ht o x i c i t yu n i tm e t h o da n dm i x t u r et o x i c i t yi n d e xm e t h o d t h er e s u l t se v a l u a t e db yt h e a b o v e m e t h o d s a l l i n d i c a t e d t t m t t h e j o i n t t o x i c i t y e f f e c t o f a - n a p h t h y l a m i n e , 2 - n a p h t h o l a n d 1 - u a p h t h o li sa n t a g o n i s m t h eq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ( q s a r ) m o d e l sw e r ed e v e l o p e df o rt h ej o i n t t o x i c i t yo fb i n a r ya n dt e r n a r ym i x t u r eo fp h e n o l sa n da n i l i n e s 幻a l g a eb yu s i n go e t a n o v w a t e r p a r t i t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d , t h em o l e c u l a rc o n n e c t i v i t yi n d e xm e t h o da n dt h eq u a n t u mc h e m i s t r y m e t h o d , a n das e r i e so fq s a rm o d e l sw e r eo b t a i n e db yu s i n gs p s s i o 0s o f t w a r e t h ed e t a i n e d q s a rm o d e lw i t ht h em o l e c u l a rc o n n e c t i v i t yi n d e xm e t h o di st h em o s ts u c c e s s f i l la si t ss q u a r eo f c o r r e l a t i o ne o e f l i c i e n ti s0 8 9 0 t h eg o o dr e l a t i o n s h i p so f j o i n tt o x i c i t yo fm o n o c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( 3 7s e r i e s ) l i k e p h e n o l s a n da n i l i n e so r p o l y c y c l i c a r o m a t i c h y d r o c a r b o n s ( 2 4s e r i e s ) s u c h a s n a p h t h o l s ， n a p h t h y l a m i n e sa n dl e s o r c i n o l sw i t ha n o t h e ro n co fp h e n o l so ra n i l i n e sw a ss e p a r a t e l yd e v e l o p e d u s i n go c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o da n ds q u a r eo ft h e i rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sw e i r e s p e c t i v e l yo 8 3 8a n do 8 5 2 t h ea d d i t i o no fo c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n tl e d e n o r m o u s l y i m p r o v e dt h ep r e d i c t i o no f z l e - d e p e n d e n tm o d e l s t w om o d e l so f e q u i t o x i c i t yo f 2 4 - d i c h l o r a n i l i n e o r2 , 4 - d i c h t o r o p h e n o lw i t h 锄o | c i l e ro l 砖o f p h e n o l so ra n i l h st oa l g a ew c f er e s p e c t i v e l yd e v e l o p e d u s i n gt h ef r o n t i e ro r b i t a l q g yg a pa n do c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t a sr e g a r dt ot h eb i n a r y m b d u 嘲w i t hd i f f e r e n tt o x i c a lr a t i o sa n dt e r n a r ye q u i t o x i c a lm i x t u r e s ag o o de q u a t i o n d i l ：a 删o e dw i t ht h es a m ep a r a m e t e r sa b o v ew a sa l s od e v e l o p e d 1 【e y w o r d s ：p h e n o la n d a n i l i n e d e r i v a t i v e s ；s c e n e d e s m u so b l i q u u s ；j o i n t t o x i c i t y ；q s a r i l l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。如不实，本人负全部责任 学位论文使用授权说明 2 0 - 7 年- 月1 8 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相致除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 2 帅1 年 月f 占日 河海大学硕士学位论文 苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 1 1 联合毒性研究的意义 第一章绪论 随着工农业的发展，每年都有大量的有毒有害物质( 如农药、工业污染物等) 流入环境，其中大多数都是有机物污染物，对水、大气土壤等造成了极大的危害。 对此，环境工作者和生态毒理学家进行了大量的科学研究然而大多数的工作仅 局限于单一污染物的毒性研究，对多种化合物共同引起的复合污染研究较少。值 得注意的是，生物体在环境中很少甚至不可能暴露于单一污染物，而是同时或顺 序暴露于多种污染物【1 一。这种多种物质的联合作用与一种物质的单独作用可能 完全不同。毒理学中把这种多种生物活性物质同时或先后在数分钟内作用于机体 的生物学作用称为联合作用。由于化合物之间相互作用的复杂性，不能简单地根 据其单一毒性来估计联合效应的结果。仅仅研究单一污染物对生物体的毒性作用 已不能真实地反映环境对机体所造成的损害，研究多种污染物对生物体的联合毒 性效应更加接近环境真实性。 目前，各国的水质标准绝大多数都是针对单一污染物的毒性数据制定的。目 前为止还没有一个系统的方法来解决混合物污染的标准问题值得注意的是。当 一种污染物在环境中的浓度低于其质量标准时，若与其它化合物共存，它也对联 合毒性起贡献作用。可见，仅仅根据化合物的单一毒性来制定标准是不够的。这 就需要我们进行联合毒性的研究，为制定环境标准和生态风险评价提供科学依 据。 1 2 联合毒性作用机制 联合毒性作用机理的研究是进行联合毒性作用研究的重点之一，但目前关于 这方面的研究国内外都还处于起步阶段，缺少深入的研究。化合物问相互作用的 复杂性以及影响联合效应的因素的多样性，决定了其作用机理的复杂性。 ( 1 ) 影响生物细胞结构 两种或多种化合物通过影响生物的细胞结构，特别是膜结构而发生相互作 第一章绪论 用。膜结构是污染物相互作用的优先部位，它的改变使膜的通透性发生变化从而 影响物质在生物体内的运输。湛灵芝1 7 1 研究了c ，和乙草胺对少根紫萍的9 6 h 联 合毒性作用，发现它们对少根紫萍产生协同作用是由于它们均能破坏少根紫萍的 细胞膜结构与功能。由于其中一种污染物对细胞膜的作用，使得另一种污染物更 容易进入植物体内，加剧了对植物细胞的伤害，从而表现出协同作用。g o g o l e v 等i s 发现重金属铜、锌、镉与荧蒽对黑钙土中的细菌产生协同作用也是因为荧葸 为疏水性化合物，它与微生物细胞膜中亲脂性化合物发生反应，改变了细胞膜的 结构与通透性，从而使金属能很容易地进入细菌的细胞中。 ( 2 ) 干扰生物的生理活动与功能 混合物通过干扰生物的正常生理活动与功能而发生相互作用，这种作用机制 比较普遍。m o r l e y 等以夏1 ：3 吸虫( d i p l o s t o m u m s p a t h a c e u m ) 作指示生物研究锌 镉的联合作用，由于参与糖元利用的酶的活性被抑制，导致有限的糖元储存利用 率的降低，从而摇尾幼虫的存活率上升即。m o r e a u 等发现菲、锌共存时，由于 菲改变了溶酶体膜的稳定性和功能，从而使溶酶体成为一种金属解毒剂，改变了 锌的毒性，使锌在鲻( c y p r i n o d o n v a r i e g a t e s ) 中的富积减少。同样，锌的出现 也导致菲解毒性的增裂1 0 1 。唐学玺等人通过多环芳烃对海洋细菌的毒性研究，发 现多环芳烃化合物的毒性作用就是破坏细胞的d n a ，引起畸变、死亡。有机磷 化合物能使生物体内的羧酸酯酶受到抑制，从而减少了马拉硫磷的水解，表现为 协同作用【l l 】 ( 3 ) 竞争活性部位 根据“受体”学说，化学物质在生物体内都有特异性的活性反应靶位。化学性 质相似的污染物在细胞表面及代谢系统的活性部位存在着竞争作用，从而影响污 染物的相互作用。当两种或多种金属同时暴露在土壤中时，重金属竞争结合位， 从而改变了实际可生物利用的重金属浓度，由此会以一种与暴露于单一金属完全 不同的方式影响微生物【1 2 1 。戴家银0 3 发现当铜、锰共存时对真鲷和平鲷幼体的 毒性减弱，两者呈拮抗关系，这是由于铜与锰竞争结合部位，从而铜抑制了幼体 对锰的吸收。刘清等f 1 4 1 发现锌和镉等毒性混合共同作用于青海弧菌( q 6 7 菌株) 时，镉的浓度大，可以占据细胞表面的结合位，降低了锌的结合机会，从而毒性 降低，显示出拮抗效应。镉、锌具有相同的物理化学特性所以它们呈拮抗作用， 2 河海大学硕士学位论文 苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 在d n a - 蛋白质结合、含锌酶、金属疏因蛋白中镉都能代替锌，同时锌也能对镉 提供保护作用，在锌出现的情况下，软体动物无齿蚌( a n o d o n t ac y g n e a ) 对镉的 吸收减少了一半【l 习。 ( 4 ) 络合或螫合作用 自然环境中存在着许多有机无机络合剂，如腐殖酸、胡敏酸、氨基酸等，能 与污染物质在环境中发生物理化学反应，从而影响了污染物之间的相互作用。王 玉军等 1 0 q 在研究镉与草甘磷的交互作用对小麦的毒性时发现：草甘磷有很强的络 合能力，进入土壤或水体后很快与一些金属离子结合生成络合物，而这些络合物 的生物毒性相对于草甘磷来说要小一些，从而降低甚至失去毒性。镉与草甘磷共 存，在一定程度上降低了草甘磷的生物毒性。刘文掣1 7 1 认为水体中铅、酚对红虫 的拮抗作用是由于两者的相互作用形成配位键，生成螯合物引起的。w a n g 等 1 s l 也发现硒对汞毒性的保护作用源于它们形成h g s e 络合物竞争结合位的结果，因 为汞对细胞有毒性，硒和h g s e 络合物对细胞没有毒性，而硒酸钠和氯化汞又具 有相同的结合位，所以当细胞同时暴露于硒和汞时，有些键位就被硒和h g s e 络合物所占有，从而抑制了汞的毒性。 ( 5 ) 生物转化的改变 联合作用的一个重要机理是一种化合物可改变另一种化合物的生物转化。有 些化合物是微粒体和非微粒体酶系的诱导剂，它们使酶活力增强的机制大概主要 是通过酶的重新合成，这与必须重复给药这一点是一致的。常见的诱导剂有苯巴 比妥、3 甲基胆葸、多氯联苯和苯并芘。它们一方面可促进化合物的解毒作用而 减弱其它化合物的毒性。例如，预先给予苯巴比妥可缩短由环己巴比妥所造成的 睡眠时间以及由氯苯恶唑胺引起的麻痹。预先给诱导剂也可降低黄曲霉素的血浆 浓度。预先给予3 甲基胆葸可以显著地减轻溴苯引起的胆坏死。另一方面，诱导 剂可通过活化作用而增强其他化合物的毒性“9 1 。 1 3 影响联合毒性作用的因素 化合物在环境中不可能单独存在，必然受各种环境条件的影响。影响化合物 联合毒性作用的因素较多：环境介质的种类和p h 值、受试物浓度和浓度配比、 染毒时间长短、受试组分间接触程度和加入的先后顺序、指示生物的类别及其年 第一章绪论 龄、性别、大小等，在水体中还要考虑盐度、温度和硬度等。 ( 1 ) 受试组分的浓度、浓度配比、加入时间和顺序的影响 受试混合物浓度影响联合毒性作用的类型。m o r l e y 等1 2 0 j 研究了锌、镉对曼 森氏住血吸虫( s c h i s t o s o m am a n s o n i ) 的联合毒性发现：等金属浓度的锌、镉混 合时，低浓度混合曼森氏住血吸虫存活率降低，而高浓度混合时存活率增加。即 锌、镉低浓度混合时呈协同效应，而高浓度混合时呈拮抗效应。王志铮等口1 1 发现 低毒性强度的z n 2 + 对c ，具拮抗作用，高毒性强度的c ，对z n 2 + 具有加和作用， 而当z n 2 + 与c r 6 + 毒性强度相当时表现为相互独立作用。即浓度配比影响联合作用 的类型。w a n g 等u 9 1 发现硒汞加入的先后顺序不同，联合作用也不同。如果先加 入汞，那么硒就无法抑制汞对鲅鳅( s t e n e l l a p l a g i o d o n ) 的肾细胞的毒性，而如 果先加入硒，那么它就能够降低汞对鲼鳅的肾细胞的伤害。同时联合作用的类型 也受组分加入的时间间隔的影响。只有硒与汞同时加入，两者的拮抗作用才可见， 而且硒酸钠的浓度越高，拮抗作用越强，加入的时间间隔越短拮抗作用越强。 ( 2 ) 指示生物 指示生物的不同联合作用的类型也会有所不同。由于不同的生物其细胞结构 不同，它们暴露于污染物时所发生的反应也会不一样，从而对污染物的耐受能力 也有差别。m o r l e y 等 9 1 发现用摇尾幼虫( d i p l o s t o m u ms p a t h a c e u m ) 作指示生物 时，镉与锌发生拮抗效应；而当指示生物为老鼠筋属动物副睾( p a r o r c h i s a c a n t h u s ) 时，镉、锌高浓度等金属浓度混合则表现出协同效应，导致被囊作用 降低，产生离囊作用。v a n e g a s 发现锌镉混合物对刚毛对虾( p e n a e u ss e t i f e r u s ) 产生协同作用，而它们对双壳类胚胎却产生拮抗作用】。可见对多元混合物的联 合作用的风险评价仅仅以某一种或一类生物为指示生物是不够的，它需要进行多 种指示生物甚至是生物群落的复合评价。 ( 3 ) 测试终点 选择敏感的测试终点是进行联合作用风险评价的前提。k o h l e r 等l 驯建议使 用亚致死终点如：分子水平的、细胞水平的生物指标或者生物生理指标，而不是 致死率。因为它们更为敏感，而且在现场实验中种群准确的致死浓度和剂量是很 难准确得到的。f e r n a n d e z 等幽1 以海胆胚胎( p a r a c e n t r o t u sl i v i d u s ) 作指示生物， 河海大学硕士学位论文苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 测定胚胎基因的连续性和幼体的生长率，发现幼体的最低可见效应浓度只及汞、 铜、铅的半数抑制浓度的1 ，3 ，比镉的半数抑制浓度低两个数量级。如果仅以致 死浓度来评价这些金属的毒性效应必然会低估它们的毒性。因此在进行联合作用 评价时，不仅要选择敏感的测试指标，而且要选择最佳的测试终点。 ( 4 ) p h 值 由于p h 值影响物质的的存在形态( 如金属) ，因此p h 值对联合作用的影响 不容忽视。铜和锌的结构相似同时暴露在土壤中时，没有竞争结合位主要是因为 它们结合的机理不一样，氯化钙萃取法得到的结果显示：铜主要发生化学吸附， 当土壤的p h 值较低时，锌主要发生静电吸附，但是随着p h 值的上升，锌的化 学吸附将会变得越来越明显，从而与铜竞争结合位。土壤中重金属类别的不同以 及浓度的变化都将导致土壤p h 值的改变，从而影响实际可生物利用的金属浓度 【1 2 1 。金属不仅仅相互反应，而且它们的联合毒性也依赖于环境因素如p h 值、盐 度、特别是溶解的有机物的种类与浓度，它们影响着金属的形态。同海洋水相比， 港湾水的p h 值和盐度经常变化，当它们降低时将会增加金属的联合毒性】。因 此在进行混合物联合作用风险评价时，要综合考虑各种环境因素的影响，使其更 具环境真实性。 ( 5 ) 染毒时间 随着染毒时间的延长联合作用的类型可能会随之发生变化。修瑞琴等瞄1 研究 了氟硒共存对斑马鱼的联合毒性，结果表明在氟硒浓度1 ：l 情况下短效应试验， 2 4 h 为拮抗作用，4 8 h 为相加作用，9 6 h 为协同作用，鱼类长效应快速测定结果 也表现为协同作用。侯丽萍等闲发现镉与锌按毒性1 ：1 配比，对草鱼种的联合 毒性2 4 h 、4 8 h 均为拮抗作用，但这种作用随时间延长而减弱，在9 6 h 表现为协 同作用。即随着染毒时间的延长，联合作用的类型和程度都可能发生变化。然而 目前对于混合物联合作用的研究大多进行的是急性实验，对于慢性和亚急性实验 开展的较少，这必然会导致评价结果的偏差。 1 4 联合毒性作用的分类与评价 复合污染的研究最早源于药物学中两种药物联合毒性的研究，后来逐渐推广 到化学物质联合毒性的研究【l l 】，而真正的联合效应的研究始5 = 2 0 世纪7 0 年代初， 第一章绪论 主要用于评价水中多种化学物共存的联合毒性效应【2 刀。随着对环境问题的认识和 研究不断深入，污染物的联合效应逐渐为人们所重视。 1 4 1 联合作用类型 最早提出联合作用理论的是b l i s s ，1 9 3 9 年，他把联合作用分成三种类型， 即相似联合作用( 又称相加联合作用) 、独立联合作用与协同和拮抗联合作用【2 s 】。 ( 1 ) 相似联合作用：假定两种化学物质作用于机体的同一受体，其效果为两 者分别作用时的总和。 ( 2 ) 独立联合作用：多种化学物作用于机体的不同靶位，产生互不相同的效 应。 ( 3 ) 协同和拮抗联合作用：指两种化学物的效应分别大于或小于相加作用。 1 9 8 1 年，世界卫生组织专家委员会把联合作用划分三类【2 7 】；独立作用：是 指各化学物以不同的作用方式产生效应；拮抗作用；是指总效应小于各化学物单 独作用时产生的效应的总和；协同作用：又分为相加作用和加强作用：相加作 用时指总效应为各化学物单独作用时的总和；加强作用是指总效应大于各化学 物单独作用时的总和。 p l a e k e a 和h e w l e t t 2 9 在研究二元混合物的联合效应时，把联合作用划分四种 类型。根据两种化学物的最初作用方式于作用部位是否影响另一种化学物的生物 作用，确定其反应性。这种联合作用进一步划分为简单相加、大于相加、小于相 加和无相互作用四种类型嗍。 ( 1 ) 简单相加作用( s i m p l ea d d i t i o n ) ：几种毒物联合作用的毒性等于其中各 毒物成分单独作用毒性的总和，该联合作用成为相加作用。即混合物中一种毒物 被同等比例另一毒物成分所取代，而混合物毒性均物改变3 “。化学结构比较相近、 或同系物、或毒作用靶器官相同、作用机理类似的化学物同时存在时，多易发生 相加作用。 ( 2 ) 协同作用或增强作用( s y n e r g i s mo rp o t e n t i a t i o n ) ：即大于相加( m o r et h a n a d d i t i v e ) ，联合作用的毒性大于其中各毒物成分单独作用毒性总和。协同作用的 靶器官可以不一致，但最终的生物学效应一致。如果一种物质本身无毒，但与另 一些毒物同时存在可使毒性增强，则称为增强作用 3 2 1 。 ( 3 ) 拮抗作用( a n t a g o n i s m ) ：即小于相加( 1 e s st h a na d d i t i v e ) ，联合作用的 6 河海大学硕士学位论文 苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 毒性小于其中各毒物成分单独作用毒性的总和。即一种化合物可以抑制另一种化 合物的毒性，所以也称抑制作用( i n h i b i t i o n ) 口2 】。 ( 4 ) 独立作用( i n d e p e n d e n c e ) ：即无相互作用( n o n i n t e r a c t i v e ) ，各毒物对 机体的侵入途径，作用部位、作用机理等均不相同，毒物对机体产生的生物学效 应彼此无关、互不影响，只有在剂量很大时，有一个致死的共同结局，这种联合 作用成为独立作用。独立作用的毒性低于相加作用。但高于其中单项毒物的毒性。 联合毒性作用由最大毒性成分引起。 有些评价过程把联合作用细分为拮抗作用、独立作用、部分相加作用、简单 相加作用和协同作用【3 】。 1 4 2 联合毒性的评价方法 对于水中多化学物质联合毒性的评价起始于2 0 世纪7 0 年代【2 刀，由于不同混 合物的作用机理可能不同，导致联合作用类型也可能不同，而且混合物所含组分 越多，其相互作用越复杂，这就决定了平均方法的多样性，下面介绍几种常见的 方法。 ( 1 ) 毒性单位法( m ) 毒性单位法( t o x i c u n i t ) 这一概念最早由s p m g u e 和r r m s a y 3 3 提出，用于 测定特定反应水平( 例如：l c i o ，l c 5 0 ，l c l ) 上混合物的毒性的一种方法。 他们在研究铜锌混合物对大马哈幼鱼的联合毒性时首次用毒性单位来表示化学 物的浓度。1 9 7 5 年，m a r k i n g 和d a w s o n l 3 4 1 将这一概念推广到混合物的相加作用。 规定：毒性单位等于混合物在半数抑制效应时i 组分在混合物中的浓度与该组分 单一半数抑制浓度的比值，即混合物中第i 组分的毒性单位为 1 1 j i = c i e c s o ，i ( 1 1 ) 式中，c i 为混合物在半抑制效应时第i 组分的浓度，e c 5 0 i 为第i 组分单独作用 时的半抑制浓度。 混合物的毒性单位等于各组分的毒性单位之和m ，若令m o = m ，n ，蛔。( t u m 。表示混合物中各组分毒性单位的最大值) ，根据m 值和m o 值可以评价混合 物的作用类型，具体评价标准是1 3 3 1 ：当m = i 时，为简单相加作用；当m m o 时，为拮抗作用；当m m 1 时，为部分相加作用。 毒性单位法应用最多的是研究多组分、低剂量的相加作用，即m = 1 。如果 n 组分混合物中各组分的毒性单位都相等，那么该混合物为等毒性混合物，也叫 均匀混合物，否则为非均匀混合物。在均匀混合物中，如果己知为相加作用，那 么混合物中i 组分的浓度c i 可通过下式求得：c j = l c 5 0 加。该方法简单易行， 因而得到了广泛的应用 3 , 3 5 1 。 ( 2 ) 相加指数法( a 1 ) 相加指数法( a i ) 是在毒性单位概念的基础发展起来的。其基本原理是：化 合物对生物的作用性质或方法是相似的，因而一种毒物产生的毒性可被一定量的 另一毒物所代替，当毒物的有效浓度以相同的单位表示时，混合物的有效浓度为 各毒物有效浓度之和。1 9 7 7 年m a r k i n g 3 6 将a i 定义为： 当m = i 时，a i - - - - m - 1 ；当m l 时，a i = i - m 。 a i 的评价标准是：当a i = 0 时，为简单相加作用；当a i 0 时，为协同作用。 ( 3 ) 相似性参数法( x ) 1 9 8 9 年，c h r i s t e n s e n 和c h e n l 3 7 在分析二元和多元混合物的联合效应时提出 了相似性参数的评价方法。对于n 组分的混合物，有如下方程： 0 v ，) ”4 = l ( 1 2 ) t = l 式中，九是相似性参数，可通过尝试法求得。相似性参数的评价标准为：当 九= l 时，为简单相加作用；当九 1 时，为协同作用；当0 z i 时，为拮抗作 用；当k = 0 时，为独立作用。 ( 4 ) 混合毒性指数法( m t i ) 1 9 8 1 年，k o n e m 猢【3 8 】首次使用混合毒性指数( m t i ) 评价多元混合物对鱼 的联合毒性作用。k o n e m a n n 将m t i 定义为： m t i = i l g m l g m o ( 1 3 ) m 1 1 的评价标准为： 当m n = l 时，为简单相加作用；m t i 1 时， 河海大学硕士学位论文苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 为协同作用；当m t i = 0 时，为独立作用；当0 m t i 0 0 5 时，差异不显著，说明联合效应是理论模型所 定义的作用类型，即为相加作用；相反，当p 0 0 5 时，两种剂量反应曲线的 斜率有显著的不同，说明一种物质不能作为另一种物质的稀释剂，因此不是相加 作用 4 6 , 4 ：5 。 1 5 定量结构活性相关( q s a r ) 研究 1 5 1q s a r 的榻 述 定量结构一活性相关( q s a r ，q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p ) 是建立有机物的活性与结构参数的相关性，通过测量或计算有机物的特征参数， 预测有机物对生物活性影响的一种研究方法。 定量结构一活性相关( q s a r ) 除了可以定量计算相关性外，还可以得到以 下信息h 8 l ： ( 1 ) 相关分析可以帮助判断毒物的作用机理； ( 2 ) 相关性可以内推和外推，内推可以预测结构类型非常相似的化合物的活 性，外推可以预测化合物对人体的活性。 河海大学硕士学位论文苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 ( 3 ) 可以预测改变被分析化合物的结构是否可行。 目前，q s a r 法在国际上已发展成为一个相当活跃的研究领域，是环境化学、 药物化学、计算机化学及农药化学中的一个前沿课题 4 9 1 。q s a r 定量描述有机物 的分子结构与其活性( 反应活性和生物活性) 之间的关系，不仅可以预期有机物 的化学行为，而且使计算机辅助设计合成具有特定生物活性的有机分子成为可 能。有机污染物在环境中的行为，尤其是在生物体内的富集和致毒是环境化学和 环境毒理学的主要研究方向之一。q s a r 方法可以从已有的大量情报中最大量的 提取有关环境污染物结构一活性关系之间的信息，用于预测、预报中。而且，对 有机污染物与其环境活性关系的深入研究，可望构成有机污染物理论环境化学的 基础【5 0 1 。 1 5 2q s a r 的结构参数 影响有机物活性的参数大致有以下三类： ( 1 ) 琉水性参数 “疏水”的概念最早是由k a u z m a n n ( 1 9 5 9 ) 提出的。k a u z m a n n 认为有机物 首先必须溶解在生物的脂组织中才能致毒；疏水性越强，有机物越倾向于溶解在 脂中。上个世纪末，m e y e r 和o v e r t o n 就发现醇类等的油水分配系数会影响其生 物麻醉性能，并且能够比当时常用的溶解度更好地表示有机物的生物活性，更好 地预示有机物穿过生物膜的能力。h a n s c h 和l e o 等更认为在所有可能因素中， 化合物的分配行为最能影响其生物活性 5 h 。 辛醇，水分配系数l g p 定义为： l g p f f i l g 鼍篙篙鬻n s ，瓦否丽萌丽下雨旷 u 。 生物活性与l g p 之间具有良好的相关性，但并不简单地呈线性关系。若l g p 过低或过高的有机物，化合物分子则难以进入或离开脂组织，其生物活性均不高。 ( 2 ) 电性参数 分子( 或离子) 间的相互作用会影响化合物与生物组织作用的强度和范围。 这些相互作用力包括取向力、诱导力和色散力等，其强度可用电性参数来描述。 q s a r 中常用的电性参数有取代基参数、全分子参数和量子化学参数三类。 第一章绪论 取代基参数有h a r n n a e t t 取代基常数盯、分子折射系数m r 和氢键指数i h ； 全分子指数包括酸解离常数p k a 、偶极矩、溶剂光谱参数取a 、屈量子化学 参数包括分子轨道能( e l t i m o 、e h o m o ) 、原子电荷、前线轨道电子密度以及超离 域能量( & ) 等。 ( 3 ) 空间参数 空间参数反映物质分子的大小、基团或原子之间的空间排列及变形情况，可 影响物质的传递和酶与反应中心的接触【5 2 3 。常用的空间参数有分子量m w 、摩尔 体积m v 、范德华半径、分子表面积t s a 、t a f t 空间参数风以及分子连接性指数 等。 1 5 3q s a r 的建模方法 q s a r 的建模方法有很多种，而且发展很快。目前，比较普遍使用的q s a r 法主要有以下几种： ( 1 ) 辛醇，水分配系数法 在毒理学研究中，辛醇，水分配系数( 1 9 p ) 是最普通的理化参数，它反映有 机物的亲脂性。一般而言，随着l e e 值的增大，毒性增强；但对于低水溶性的化 学物质，当l g p 增大到一定值时，毒性会减弱。通常用l e e 表达的q s a r 模型用 下式表示【5 3 】： l g l e c 5 0 = a z e e - b ( 1 9 p ) 2 + c ( 1 6 ) 式中，a 、b 为系数，c 为常数项。对许多物质，l e e 的实验测定是很容易的，也 可以用碎片常数法进行估算5 4 1 ，也可以用h a n s c h 和l e o 编制的计算机程序( c l o g p 3 ) 计算得到，计算值通常比较准确，用起来很方便。 l e e 与麻醉毒性有较高的相关性已被许多学者所证实。h u a n g 等网对1 2 种 苯酚衍生物对蝌蚪( r a n a j a p o n i c a ) 的2 4 h 半数致死浓度及2 3 组苯酚类化合物 的二元混合物对蝌蚪( r a n a j a p o n i c a ) 的联合毒性与辛醇水分配系数l e e 进行回 归分析，得到方程( 1 7 ) ( 1 8 ) ： l g l l c s o - - o 7 7 8 1 酣i 4 8 8 ( 1 7 ) n = 1 2 ，舻= o 9 3 7 ，s e = 0 1 5 6 ，f = 1 4 9 ，p 0 0 0 0 0 0 1 河海大学硕士学位论文苯酚苯胺类对绿藻的联合毒性及q s a r 研究 l g l l c s o n l i x = 0 8 7 6l 鲥0 m 呔+ 1 4 4 5 ( 1 8 ) r f = - - 2 3 ，x a = 0 8 8 ，s 脚0 8 9 ，f = 1 6 0 ，p 0 0 0 0 0 0 1 式中，拧为方程所含化合物的个数，萨为相关系数的平方，s e 为标准误差，f 为方差比，p 为相应的显著性水平。两个方程表明作为极性麻醉剂的苯酚类化合 物的急性毒性主要与其亲脂性有关，同样苯酚类化合物的二元混合物的联合毒性 也与混合物的混合辛醇水分配系数成正相关。 ( 2 ) 分子连接性指数法( m o l e c a l a re o n a e e t i v i t ym e t h o d ) 分子连接性指数是目前已知的对有机分子结构进行数字化表达的最简单和 适用的方式 5 6 1 。最早提出分子连接性指数的是r a n d i e ，随后经过k i e r 和h a l l 以 及其他许多学者的进一步发展，形成了一个比较完整的系统【期。分子连接性指数 是一种拓扑学参数，它是根据分子中各个骨架原子排列或相连的方式来描述分子 的结构性质，而不是用分子的理化参数。对于某一给定的分子结构，可以计算不 同类型和阶项，用点价乘积的平方根的倒数来表示。分子连接性指数能够较强地 反映分子的立体结构，但反映分子电子结构的能力较弱，因此缺乏明确的物理意 义，使其在实践应用中受到了限制。但由于其方便、简单且不依赖于实验等优点， 近年来得到广泛的应用和发展 4 9 l 。 张爱茜等【5 8 】将氯代芳香族化合物对绿藻的毒性值1 9 e c 5 0 与其分子连接性指 数! j ，。z 7 ，叼”进行逐步回归得到： 1 9 1 厄c 5 0 = - 2 0 2 6 ( o 8 5 0 ) + o 5 4 9 ( o 1 3 5 ) o j ，p ( 1 9 ) 刀= 1 6 ，r = 0 7 3 9 ，露= 0 5 4 1 ，s = 0 4 8 9 ，f = 1 6 5 0 l g l e c s o = 一3 1 5 2 ( o 6 1 5 ) - 0 9 7 6 ( o 2 8 9 ) a o x 7 + 0 6 8 5 ( o 0 9 2 ) o j ，p ( 1 1 0 ) n = 1 6 ，五2 = o 8 1 2 ，r 2 = o 7 8 3 ，s = 0 3 2 2 ，j 7 宅8 1 2 其研究结果表明，氯代芳香族化合物对绿藻的毒性主要取决于分子体积的大小， 与化合物极性官能团与水分子问的非色散作用也有一定关系。于瑞莲等【5 9 l 用表征 分子内部分支情况的一阶价分子连接性指数。x 7 分别对卤代苯、甲苯、苯胺、苯 酚及其几类物质的总体对发光菌和大型蚤的毒性进行了回归，所得模型相关系数