http://www.chemistrymag.org/cji/2002/041003pc.htm |
Jan. 1,
2002 Vol.4 No.1 P.3 Copyright |
Liu Xitao, Yuan Xing, Zhao Yuanhui, Zhao
Chuan Gui*
(Environmental Science Department, Northeast Normal University, Changchun,
130024; *Health Supervision and Detection Institute of
Jilin City, Jilin, 132011)
Keywords Substituted aromatic compounds, Quantitative structure-activity relationships, AM1-method 应用AM1法研究取代芳烃化合物对水生生物的急性毒性
刘希涛 袁 星 赵元慧 赵传贵
*（东北师范大学环境科学系，长春，130024；*吉林市卫生局卫生监督所，吉林，132011）
2001年9月19 日收稿
；国家自然科学基金资助项目（29877004） 摘要 本文测定了30种取代芳烃化合物对发光菌的急性毒性，并结合文献报道的该类化合物对呆鲦鱼的毒性数据，采用量子化学半经验Mopac-AM1法进行了定量结构-活性关系（QSARs）研究。结果表明，量子化学参数与疏水性参数相结合，可以较好地预测取代芳烃化合物对水生生物的毒性。关键词 取代芳烃 定量结构-活性关系 Mopac-AM1法 我国第二松花江中取代芳烃类化合物检出率高，是江中主要污染物。本文以发光菌为测试生物，测定了30种取代芳烃化合物对发光菌的15min急性毒性值。量子化学参数对化合物结构的描述全面，而且参数物理意义明确，因而量子化学方法已被应用到定量构效关系（QSAR）研究中[1]。本文采用半经验Mopac-AM1法计算了所研究系列化合物的分子最低空轨道能ELUMO，结合辛醇/水分配系数logKOW，对实验测得的毒性值进行统计分析，得到有意义的结果。 1 实验部分
1.1 标准溶液的配制
差减法准确称取有机物于250mL容量瓶中，加3% NaCl溶液，用超声清洗机溶解并定容，以上溶液浓度均配在有机物溶解度以下。
1.2 菌种的培养
（1）培养液：酵母浸出汁，0.5 g ；胰蛋白胨，0.5 g ；NaCl，3 g ；Na2HPO4，0.5 g ；KH2PO4 ，0.1 g ；甘油，0.3 g ；蒸馏水100 mL ；调pH 7±0.5 ；121oC高压灭菌20 min后备用。
（2）培养：将发光菌(photobaterium phosphoreum)冻干粉用0.5 mL 3 % NaCl溶解，迅速转入50 mL培养液中，20 oC恒温培养，每24 h后转接一次斜面，将培养好的第三代斜面置4 oC冰箱中备用。
将培养好的菌种接入含有50 mL培养液的150 mL三角瓶内，20 oC 恒温振荡培养14-18 h备用。
1.3 半数有效浓度EC50的测定
吸取培养好的菌液1 mL于200 mL溶液中，磁力搅拌该稀释菌液备用。根据预备实验，按等对数间距，用标准溶液和3 % NaCl溶液配制5个浓度组，各吸取2 mL于磨口具塞圆形比色管中（直径1.2 cm，高5 cm），用2 mL 3 % NaCl溶液作空白对照，每个浓度做三个平行。迅速吸取0.5 mL稀释菌液于各比色管中，加塞，上下振摇10次，去塞。在15 min用生物毒性测试仪测定发光强度，计算发光率（发光率=样品发光强度/对照发光强度×100%）。用直线内插法求出15-min EC50值（化学品使发光菌发光抑制为对照的50 % 的浓度值）。 2 参数计算
取代芳烃化合物包括烷基苯、卤代苯、苯酚及苯胺等。辛醇/水分配系数采用ClogP 1.0计算。分子最低空轨道能ELUMO（eV）的计算先用NEMESIS 2.0建立结构，并进行结构优化，之后使用MOPAC 6.0 的AM1算法进行计算。ELUMO与分子对电子亲合力有关，其值越低，表明该分子接受电子被还原的能力越强[4]。算得的物理化学参数及实验数据列于表1。
统计回归采用SPSS统计分析软件包。 表1 化合物毒性数据及理化参数
| 化合物 | logKOW | ELUMO | -logEC50 |
-logLC50* |
||||
| 测定值 | 计算值 | 残差 | 文献值 | 计算值 | 残差 | |||
| 1,2,4,5-四氯苯 | 4.60 |
-0.73 |
5.51 |
5.18 |
0.33 |
5.85 |
5.51 |
0.34 |
| 1,2,4-三氯苯 | 4.05 |
-0.47 |
4.50 |
4.80 |
-0.30 |
5.00 |
5.07 |
-0.07 |
| 1,2,3-三氯苯 | 4.14 |
-0.37 |
4.53 |
4.73 |
-0.20 |
4.89 |
5.02 |
-0.13 |
| 1,4-二氯苯 | 3.44 |
-0.22 |
4.39 |
4.43 |
-0.04 |
4.62 |
4.61 |
0.01 |
| 1,3-二氯苯 | 3.53 |
-0.15 |
4.24 |
4.38 |
-0.14 |
4.30 |
4.59 |
-0.29 |
| 1,2-二氯苯 | 3.43 |
-0.14 |
4.38 |
4.35 |
0.03 |
4.40 |
4.54 |
-0.14 |
| 氯苯 | 2.89 |
0.15 |
3.86 |
3.95 |
-0.09 |
3.77 |
4.08 |
-0.31 |
| 1,3-二溴苯 | 3.75 |
-0.29 |
4.99 |
4.57 |
0.42 |
4.80 |
||
| 对氯溴苯 | 3.72 |
-0.31 |
4.50 |
4.58 |
-0.08 |
4.80 |
||
| 2,4,5-三氯甲苯 | 4.56 |
-0.43 |
4.86 |
4.89 |
-0.03 |
5.24 |
||
| 2,5-二氯甲苯 | 3.97 |
-0.17 |
4.38 |
4.51 |
-0.13 |
4.79 |
||
| 对氯甲苯 | 3.33 |
0.14 |
3.88 |
4.07 |
-0.19 |
4.33 |
4.27 |
0.06 |
| 对二甲苯 | 3.15 |
0.49 |
3.68 |
3.70 |
-0.02 |
4.21 |
3.90 |
0.31 |
| 间二甲苯 | 3.20 |
0.53 |
3.65 |
3.67 |
-0.02 |
3.89 |
||
| 溴苯 | 2.99 |
0.06 |
3.78 |
4.06 |
-0.28 |
3.89 |
4.20 |
-0.31 |
| 苯 | 2.13 |
0.55 |
3.34 |
3.40 |
-0.06 |
3.40 |
3.44 |
-0.04 |
| 2,4,6-三氯苯胺 | 3.69 |
-0.24 |
4.51 |
4.51 |
0.00 |
4.73 |
||
| 2,6-二氯苯胺 | 2.82 |
-0.01 |
4.16 |
4.09 |
0.07 |
4.19 |
||
| 2,4-二氯苯胺 | 2.91 |
0.02 |
4.09 |
4.08 |
0.01 |
4.20 |
||
| 3,4-二氯苯胺 | 2.69 |
0.00 |
4.20 |
4.05 |
0.15 |
4.33 |
4.13 |
0.20 |
| 3-氯-4-氟苯胺 | 2.06 |
-0.05 |
3.28 |
3.94 |
-0.66 |
3.91 |
||
| 对氯苯胺 | 1.88 |
0.30 |
3.57 |
3.57 |
0.00 |
3.55 |
||
| 对溴苯胺 | 2.26 |
0.22 |
3.92 |
3.74 |
0.18 |
3.56 |
3.77 |
-0.21 |
| 苯胺 | 0.90 |
0.64 |
3.28 |
3.03 |
0.25 |
2.84 |
2.86 |
-0.02 |
| 五氯苯酚 | 5.12 |
-0.98 |
5.69 |
5.53 |
0.16 |
6.06 |
5.93 |
0.13 |
2,4-二氯苯酚 |
3.06 |
-0.19 |
4.45 |
4.31 |
0.14 |
4.30 |
4.43 |
-0.13 |
| 邻氯苯酚 | 2.15 |
0.07 |
4.14 |
3.85 |
0.29 |
4.02 |
3.85 |
0.17 |
| 邻甲基苯酚 | 1.95 |
0.40 |
3.75 |
3.50 |
0.25 |
3.77 |
3.49 |
0.28 |
| 间苯二酚 | 0.80 |
0.32 |
3.00 |
3.30 |
-0.30 |
3.04 |
3.09 |
-0.05 |
| 苯酚 | 1.47 |
0.40 |
3.64 |
3.38 |
0.26 |
3.51 |
3.30 |
0.21 |
3 结果与讨论
分子毒理学的研究表明[5,6]，有机物对生物体产生活性效应的过程，主要发生在化合物与生物靶分子相互作用的阶段，对于非特异性反应毒作用，化合物在生物体内的转运过程对毒作用过程也有一定的影响。这种毒作用过程包括分子轨道间由于电荷迁移引起的键合能改变或成键轨道上电子密度的变化。对于系列化合物作用于同类生物靶分子的毒性效应，这些活性特征可用化合物分子的疏/亲水性质、空间结构性质和电性性质来描述。较典型的
- log EC50＝a log P + bd + cp + d （１）
Ｐ为脂/水分配系数，它与化合物进入生物体及其在体内的转运密切相关；δ为分子的电性参数；π为分子的空间结构参数；ｄ为常数项。由于要考虑活性反应物之间电荷迁移的微观定量效应，仅采用经典的分子参数，如溶解度、分子表面积、电离常数等来描述存在一定的局限性[4]；而研究表明[5]，量子化学计算中，分子的前沿轨道能如最高占有轨道能（EHOMO）或最低空轨道能（ELUMO）与生物活性反应中分子的电子亲和力或电离势相关。因而，这些轨道能可较好地描述活性反应中分子的微观电性特征。辛醇/水分配系数（KOW）是化合物的疏/亲水性常数，它能描述化合物进入生物靶分子部位的分配系数与结合难易程度。
本文参照黄庆国[1]介绍的利用前沿分子轨道能预测有机物生物毒性的方法，采用辛醇/水分配系数和Mopac-AM1法算得的最低空轨道能（ＥLUMO）研究取代苯类化合物对水生生物的急性毒性，得到如下方程：
发光菌： -log ECSD＝0.237logKOW 0.929ＥLUMO＋3.408， （２）
n=30， R2=0.856， SE=0.237
呆鲦鱼： -log LCSD＝0.405logKOW 0.837ＥLUMO＋3.036， （３）
n=20， R2=0.929， SE=0.218
方程（2）、（3）都具有较好的相关性。用方程（2）、（3）分别计算了本系列化合物的EC50 和LC50值，计算结果列于表1。大部分化合物的计算值与实验值拟合较好，特别是甲苯类和酚类化合物。考虑到本文化合物结构范围较宽，以及生物活性试验的误差范围较大，用方程（2）、（3）的拟合效果是令人满意的。本文所研究化合物包含-Cl、-Br、-CH3、-OH、-NH2等多种取代基，因此，所得到的QSAR方程在一定范围内具有实用性。
从上述结果可以看出，Kow是表示化合物在生物体和水相中的分配倾向的参数，具有较高Kow的有机物亲脂性较强，容易在生物体内富集；ELUMO是描述化合物由轨道控制的反应倾向的参数，与分子的电子亲合力有关，其值越小，电子进入该轨道后体系能量降低得越多，该分子接受电子发生还原反应的能力越强。由表1和方程（2）、（3）可以看出，取代苯类化合物对发光菌和呆鲦鱼显示出一致的毒性，且毒性值随化合物Kow值的增大、ELUMO值的减小而增强。说明本文所研究的取代芳烃类化合物对水生生物的毒性与有机物分子透过细胞膜进入细胞内, 并与细胞内分子发生作用这两个过程有关。对于含两个卤原子以上的取代苯胺和苯酚化合物，ELUMO为负值，对毒性的贡献较大。例如，2,4,6-三氯苯胺和五氯苯酚的KOW值高于相应的一卤代物,且ELUMO值低于一卤代物, 它们的毒性也相应的高很多，表明对于多卤代苯胺和苯酚, 化合物的分配过程和分子在生物体内获得电子发生反应的过程同样重要。而对于苯胺、苯酚及甲苯酚,由于不含强吸电子的硝基和卤原子, 它们进入生物体后获得电子的能力相对较弱，因而反应活性降低, 分配过程对毒性的贡献更为重要。 4 结论
(1)测定了30种取代芳烃化合物对发光菌的15min急性毒性值;
(2)使用MOPAC-AM1法计算了量化参数ELUMO;
(3)使用统计程序,得到QSAR方程,分析了毒性作用机理。 REFERENCES
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[2] Hall L H, Maynard E L, Kier L B. Environ Toxicol Chem, 1989, 8: 783-788.
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[4] Liu C Q, Quantum Biology and Its Applications (Liangzi Shengwuxue Jiqi Yingyong), Beijing: Senior Education Press, 1990.
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[7] Hansh C. Total Environ, 1991, 109/110: 17-29.