[发明专利]基于金属形态和有效性的水生生物毒性预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境中有毒物质预测领域，具体为基于金属形态和有效性的水生生物毒性预测方法。

背景技术

定量结构活性相关(QSAR)理论已取得重要进展，并在有机污染物的构效关系和毒性预测方面得到广泛应用。金属的定量构效关系研究始于上世纪七八十年代，但由于金属的形态和生物效应的复杂性，导致相关研究遇到了瓶颈，也是金属毒性预测领域的难点和挑战。例如，有效反映致毒机理的结构描述符难于获得，制约着QSAR在金属毒性预测中的应用。目前，获得金属毒性效应数据的唯一途径依然是通过传统毒理学试验测定，不仅耗费大量的人力、物力和财力，也必须面对生态伦理的挑战。进行金属定量构效关系和建模方法的研究对预测和评估生物效应具有广阔的应用前景。

近年来，随着金属形态分析技术的进步和对致毒机理的认识逐渐深入，为金属QSAR研究提供了克服瓶颈的新途径。基于致毒机理相同的科学假设，在相对理想的体系下，可以基于已有的QSAR模型经济、高效地实现一系列金属生物效应的纵向预测。目前的金属毒性预测技术基于金属的物理化学参数初步构建了一系列定量离子特征-毒性模型。然而，已报道的研究工作仅关注于金属自身的结构特点，而忽视了外界水化学条件对金属生物效应的影响，QSAR模型不能实现对不同环境条件下生物效应的横向预测。考虑到金属的形态和生物有效性对金属毒性的影响，已开发出生物配位体(BioticLigandmodel，BLM)模型。模型的主要思想是金属毒性以金属在生物敏感受体-鱼鳃上的累积过程模拟，包括金属形态和竞争性阳离子的防护效应。影响毒性的所有水化学特征包括在内，整合了金属离子与Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、H⁺的竞争作用，与非生物配体DOC、氯化物、碳酸盐和硫化物结合。该模型比较全面地考虑了影响金属生物有效性的因素，和建立在硬度基础上的模型相比，生物配体模型具有更好的预测能力，是一个能够替代生物毒性试验预测金属毒性的有用工具。到目前为止，模型中最全面的数据是关于铜对虹鳟鱼的毒性。Playle等发现鳃膜上的钠离子通道是铜急性毒性效应的生物配位体，通过在宽泛水质条件范围内测定铜在鱼鳃表面的累积来校准BLM模型中铜的吸收。RebortSantore发展了BLM模型，能够预测五种金属对五种水生生物的毒性效应。马义兵等对环境中金属BLM模型研究进展进行了较为全面的综述，并应用BLM模型预测我国多个水体的重金属毒性。Balistrieri等借鉴了生物配位体模型的原理，进一步预测了金属混合物对鳟鱼的复合毒性，同时指出温度、pH、主要离子浓度和溶解有机碳共同影响复合毒性。

但是BLM模型的应用也存在一些限制，主要包括以下方面：多数物种的BLM模型还未开发出来，相关的平衡系数有待率定和评估；针对不同物种的环境条件范围存在差异，超出范围时BLM模型不再适用；痕量金属的吸收要受生物学的控制，急性毒性的预测优于慢性。自然界的重金属并不是单独存在的，模型没有考虑多种重金属的复合效应对这种金属毒性的影响；针对特定金属开发的BLM模型，不能直接通过参数校正预测其他金属的毒性。因此，在BLM模型中引入金属结构特征参数，将有效扩展模型的应用范围。在不同外部环境条件下预测的毒性效应更贴近实际环境背景，使水生生物的保护更有针对性和科学性。

总体而言，以上方法只考虑金属离子结构特征与毒性的定量关系，忽视了水化学特征对毒性的影响。对于金属的生物有效性和原位金属毒性的定量预测，缺乏系统的研究和可靠的预测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于金属形态和有效性的水生生物毒性预测方法，用以解决忽视了水化学特征对毒性的影响而导致预测结果不准确的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于金属形态和有效性的水生生物毒性预测方法，包括以下步骤：

步骤a，建立QSAR耦合模型采集、筛选、运算和汇总毒性数据；

步骤b，构建金属结构描述符数据集和对应的环境条件指标，以金属的结构参数和环境指标的耦合参数为自变量进行线性相关性分析和主成分分析，获得最优的金属结构描述符集合与环境指标耦合参数；

步骤c，构建毒性预测模型及稳健性检验；建立多元回归方程，对耦合参数进行估计，采用F统计量对应的P值进行检验；

步骤d，QSAR耦合模型的内部验证；

步骤e，QSAR耦合模型适用范围计算；经过校验的QSAR耦合模型，以杠杆值h为横坐标，以各数据点的标准方差为纵坐标，绘制Williams图；