2024年4月3日发(作者：撒贞芳)
Oct．2011
·120·
现代化工
ModernChemicalIndustry
第
31
卷增刊
（2）
2011
年
10
月
化学品鱼类急性毒性
QSAR
模型研究
12131
益
，
刘济宁
，
王利勇
，
祝社民
，
沈树宝
（1．
南京工业大学国家生化工程研究中心
，
江苏南京
210009；2．
环境保护部南京环境科学研究所
，
江苏南京
210042；3．
南京工业大学材料科学与工程学院
，
江苏南京
210009）
1
范德玲
，
马
摘要
：
为了管理化学物质的使用
，
需要用已知化合物的毒性来预测未知化合物的毒性
。
采用定量构效关系
（QSAR）
方法预
LC
50
）。
综述了
QSAR
的研究进展
、
测一系列环境化合物鱼类急性毒性
（50%LethalConcentration，
方法体系
、
建模的数学方法
、
分子描述符
，
最后用辛醇
/
水分配系数法总结了
119
类化合物对鱼类急性毒性
QSAR
模型
，
对预测环境化合物鱼类毒害
（LC
50
）
提供重要价值
。
关键词
：QSAR
模型
；
鱼类急性毒性
；
辛醇
/
水分配系数法
中图分类号
：X503.2
文献标识码
：A
文章编号
：0253－4320（2011）S2－0120－07
StudyontheacutetoxicityofchemicalstofishbyQSARmodel
FANDe-ling
1
，MAYi
1
，LIUJi-ning
2
，WANGLi-yong
1
，ZHUShe-min
3
，SHENShu-bao
1
（1．NationalEngineeringResearchCentreforBiochemistry，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，
China；2．NanjingInstituteofEnvironmentalSciences，MEP，Nanjing210042，China；
3．CollegeofMaterialScienceandEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）
Abstract：Tomanagetheuseofchemicals，topredictthetoxicityofunknowncompoundsisneeded．Aseriesof
acutetoxicityofenvironmentalchemicalstofishispredictedbyQuantitativestructure-activityrelationship（QSAR）
method．TheprogressinQSARresearch，methodology，mathematicalmodelingandmoleculardescriptorsisreviewed．
Finally，theoctanol/waterpartitioncoefficientmethodisusedtosummarizetheacutetoxicityof119compoundstofish，
whichcanprovidesignificantvalueofpredictingtheacutetoxicityofenvironmentalchemicals．
Keywords：QSARmodel；acutetoxicitytofish；octanol/waterpartitioncoefficientmethod
［1］
近年来
，
随着工业化程度的飞速发展和经济水
平的不断提高
，
排放到环境中的化学物质种类和数
其对生态环境的破坏
、
人类健康的影响量日益增多
，
受到社会各界的广泛关注
，
因此
，
对化学物质的环境
评价显得越来越重要
。
在评价环境污染物生物毒性
中定量构效关系
（QuantitativeStructure－Activity/
PropertyRelationship，QSAR/QSPR）
方法发挥着重要
作用
。
展更促进了
QSAR
的发展
。
QSAR
建模方法是从指定的函数集
f（x，
α
）
α∈Λ中选出最好的函数逼近训练集数据
。QSAR
中
建立模型常用的数学方法主要包括
：
多元线性回归
、
主成分回归
、
偏最小二乘法等
。
1.1
多元线性回归
多元线性回归
（MultipleLinearRegression，
MLR）
建立多个自变量
X
和一个因变量
Y
之间的关
是二维构效关系研究中最为常见的统计方系
，
法
［2－4］
1QSAR
研究进展
定量构效关系是指对有机物分子结构与性质或
。
多元回归方程数学模型为
：
Y=
α
o
+
α
1
X
1
+
α
2
X
2
+……+
α
k
X
k
活性之间关系的研究
。
性质
/
活性是一个广义的概
念
，
包括污染物对不同生物物种和不同层次的测试
终点的生态毒性
。
定量结构
－
活性关系是人体健康
风险评价和化合物环境生态风险评价的重要组成部
分
，
特别是
20
世纪
70
年代后
，
计算机技术的飞速发
收稿日期
：2011－07－06
Y
为化合物分子对蚤类的
lgLC
50
；X
1
，X
2
…X
k
其中
，
代表分子结构参数
；
α
1
，
α
2
…
α
k
为回归系数
。
徐雪等
［5］
分别采用逐步多元线性回归
、
主成分
回归法和偏最小二乘法构建
QSAR
模型预测一系列
环境化合物对大型蚤类的毒害
，
结果表明分子质量
“973”
基金项目
：
国家项目
（2009CB724700）；
国家水体污染控制与治理科技重大专项
（2008ZX07101－003－02－05）；
江苏省环境工程重点实验
室开放课题
（KF2009003）；
江苏省环保科技项目
（2009002）；
南京工业大学青年教师学术基金资助项目
（39708014）；
江苏省科技厅资
助项目
（BE2010196）；
江苏省环保厅资助项目
（2009002）；
环保公益科研专项
（200909086）
025－
作者简介
：
范德玲
（1988－），
女
，
硕士生
；
沈树宝
（1957－），
男
，
博士
，
教授
，
博士生导师
，
主要从事环境科学及工程的研究
，
通讯联系人
，
83587349，zsbshen@126．com。
2011
年
10
月范德玲等
：
化学品鱼类急性毒性
QSAR
模型研究
·121·
参数对化合物的毒性影响最大
。
1.2
主成分回归
主成分回归就是采用主成分分析方法通过选取
对活性
/
性质影响最大的几个主成分来建立定量构
效关系模型
。
主成分分析数学模型为
：
F
2
=a
12
ZX
1
+a
22
ZX
2
+…+a
p2
ZX
p
…
F
p
=a
1m
ZX
1
+a
2m
ZX
2
+…+a
pm
ZX
p
N
i
是
i
取代基的数目
，T
i
是
i
取代基的毒性贡式中
，
T
0
是母体化合物的毒性值
。Todd
等用基团贡献
，
献法预测
397
种有机物对黑头呆鱼的急性毒性
。
建
立多元线性回归和人工神经网络模型
，
模型的相关
2
性达到
R＞0.9。
2.2
分子连接性指数法
（MCI
法
）
［10］
分子连接性指数法是由
Kier
等提出的一种
01
［9］
a
2i
，…，a
pi
（i=1，…，m）
为
X
的协方差阵Σ
其中
a
1i
，
ZX
1
，ZX
2
，…ZX
p
是的特征值对应的多个特征向量
，
经过标准化处理的原始变量值
1.3
偏最小二乘法
［6］
有零阶项
（Xv）、
一阶项
（Xv）、
二阶项拓扑学参数
，
（
2
Xv）
等
。
根据分子中各个骨架原子排列
、
相连接
的方式描述分子的结构性质
。MCI
指数与有机物的
［11－12］
。
于瑞莲等
［13］
毒性数据有较好的相关性
1
用
Xv
分别对卤代苯
、
甲苯
、
苯胺
、
苯酚等对蚤类的
毒性进行预测
，
回归模型相关系数在
0.85
以上
。
。
PLS）
同时偏最小二乘法
（PartialLeastSquare，
考虑了自变量
、
因变量的作用
，
通过折衷各自空间内
使模型较好地描述自变量和因变量作用
。
的因子
，
这种方法在分析化学
、
理化学和医药化学等许多化
学领域得到广泛应用
［7］
2.3
量子化学法
量子化学法在模型参数的选择
、
定量模型的确
定以及毒性机理的解释方面是重点
。
目前常用的量
MOPAC－AMI
分子轨道子化学计算法有
MNDO
法
、
［14］
法等
。
张爱茜等采用
MOPAC－AMI
分子轨道法
建立逐步回归对
16
个氯代芳香族化合物毒性预测
，
模型
。
结果表明引入量子化学参数描述氯代芳香族
化合物的毒性是较为成功的
，
相关性很好
。
2.4
线性自由能法
（LFER
法
）
Hansch
认为
［15］
，
以物质的立体效应
（Taft
常数
Es）、
电子效应
（Hammett
常数σ
）
及疏水效应
（lgP）
建立模型表达式为
：
－logLC
50=
alogP－b（logP）
2
。
2QSAR
方法体系
QSAR
模型的核心问题是建立有机物结构与活
性之间的函数关系
A=f（S）。A
代表有机物的毒
常用半致死浓度的负对数
（－logLC
50
）
表示
；S
代
性
，
表有机物的结构
。QSAR
发展至今
，
普遍实用的
QSAR
法有以下
6
种
［8］
：
2.1
基团贡献法
基团贡献法是由
Free－Wilson
在对有机物亚结
构信息和生物毒性的相关研究基础上建立的
。
数学
表达式
：
－logLC
50
=
Σ
N
i
×T
i
+T
0
（1）
+cEs+d
σ
+e（2）
a，b，c，d，e
为常数
。
式中
，
由于
Hansch
方法的参数较易获得
，
有助于理解
生物活性的作用机制和毒性机理的解释
，
并具有
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
（
上接第
119
页
）
（4）
操作评定
实时对操作过程进行评定
，
对每一步进行评分
，
并给出整个操作过程的综合得分
。
用于多喷嘴对置式水煤浆气化装置操作人员的技能
取得良好的培训效果
。
培训与考核
，
参考文献
［1］
杨永杰
．
化工仿真培训系统技术进展
［J］．
天津化工
，2001，（6）：
15－16．
［2］
马玲
．30
万吨燃料乙醇装置仿真培训系统的开发
［J］．
石油工业
2005，（9）：12－14．
技术监督
，
［3］
杨友麒
，M］．
北京
：
化学工业出版项曙光
．
化工过程模拟与优化
［
2006：267－268．
社
，
［4］
蒋蔚步
．
俞金寿
．
化工过程动态数学模型
［M］．
北京
：
化学工业出
1986．
版社
，
［5］
塞思费尔德
JH，．
南京
：
拉皮德思
．
化工过程数学模型理论
［M］
1981．
■江苏科学技术出版社
，
7
结语
基于过程系统仿真平台开发的多喷嘴对置式气
化炉仿真培训系统能有效模拟多喷嘴对置式水煤浆
气化装置的运行情况及现场工况
，
可以对操作人员
进行操作教学和技能鉴定
，
为广大操作人员提供了
直观的仿真培训平台
，
使操作人员在短期内了解工
艺过程和操作原理
，
提高其实际操作能力
，
缩短培训
周期
，
节省培训费用
。
目前
，
该仿真培训系统已多次
2024年4月3日发(作者：撒贞芳)
Oct．2011
·120·
现代化工
ModernChemicalIndustry
第
31
卷增刊
（2）
2011
年
10
月
化学品鱼类急性毒性
QSAR
模型研究
12131
益
，
刘济宁
，
王利勇
，
祝社民
，
沈树宝
（1．
南京工业大学国家生化工程研究中心
，
江苏南京
210009；2．
环境保护部南京环境科学研究所
，
江苏南京
210042；3．
南京工业大学材料科学与工程学院
，
江苏南京
210009）
1
范德玲
，
马
摘要
：
为了管理化学物质的使用
，
需要用已知化合物的毒性来预测未知化合物的毒性
。
采用定量构效关系
（QSAR）
方法预
LC
50
）。
综述了
QSAR
的研究进展
、
测一系列环境化合物鱼类急性毒性
（50%LethalConcentration，
方法体系
、
建模的数学方法
、
分子描述符
，
最后用辛醇
/
水分配系数法总结了
119
类化合物对鱼类急性毒性
QSAR
模型
，
对预测环境化合物鱼类毒害
（LC
50
）
提供重要价值
。
关键词
：QSAR
模型
；
鱼类急性毒性
；
辛醇
/
水分配系数法
中图分类号
：X503.2
文献标识码
：A
文章编号
：0253－4320（2011）S2－0120－07
StudyontheacutetoxicityofchemicalstofishbyQSARmodel
FANDe-ling
1
，MAYi
1
，LIUJi-ning
2
，WANGLi-yong
1
，ZHUShe-min
3
，SHENShu-bao
1
（1．NationalEngineeringResearchCentreforBiochemistry，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，
China；2．NanjingInstituteofEnvironmentalSciences，MEP，Nanjing210042，China；
3．CollegeofMaterialScienceandEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）
Abstract：Tomanagetheuseofchemicals，topredictthetoxicityofunknowncompoundsisneeded．Aseriesof
acutetoxicityofenvironmentalchemicalstofishispredictedbyQuantitativestructure-activityrelationship（QSAR）
method．TheprogressinQSARresearch，methodology，mathematicalmodelingandmoleculardescriptorsisreviewed．
Finally，theoctanol/waterpartitioncoefficientmethodisusedtosummarizetheacutetoxicityof119compoundstofish，
whichcanprovidesignificantvalueofpredictingtheacutetoxicityofenvironmentalchemicals．
Keywords：QSARmodel；acutetoxicitytofish；octanol/waterpartitioncoefficientmethod
［1］
近年来
，
随着工业化程度的飞速发展和经济水
平的不断提高
，
排放到环境中的化学物质种类和数
其对生态环境的破坏
、
人类健康的影响量日益增多
，
受到社会各界的广泛关注
，
因此
，
对化学物质的环境
评价显得越来越重要
。
在评价环境污染物生物毒性
中定量构效关系
（QuantitativeStructure－Activity/
PropertyRelationship，QSAR/QSPR）
方法发挥着重要
作用
。
展更促进了
QSAR
的发展
。
QSAR
建模方法是从指定的函数集
f（x，
α
）
α∈Λ中选出最好的函数逼近训练集数据
。QSAR
中
建立模型常用的数学方法主要包括
：
多元线性回归
、
主成分回归
、
偏最小二乘法等
。
1.1
多元线性回归
多元线性回归
（MultipleLinearRegression，
MLR）
建立多个自变量
X
和一个因变量
Y
之间的关
是二维构效关系研究中最为常见的统计方系
，
法
［2－4］
1QSAR
研究进展
定量构效关系是指对有机物分子结构与性质或
。
多元回归方程数学模型为
：
Y=
α
o
+
α
1
X
1
+
α
2
X
2
+……+
α
k
X
k
活性之间关系的研究
。
性质
/
活性是一个广义的概
念
，
包括污染物对不同生物物种和不同层次的测试
终点的生态毒性
。
定量结构
－
活性关系是人体健康
风险评价和化合物环境生态风险评价的重要组成部
分
，
特别是
20
世纪
70
年代后
，
计算机技术的飞速发
收稿日期
：2011－07－06
Y
为化合物分子对蚤类的
lgLC
50
；X
1
，X
2
…X
k
其中
，
代表分子结构参数
；
α
1
，
α
2
…
α
k
为回归系数
。
徐雪等
［5］
分别采用逐步多元线性回归
、
主成分
回归法和偏最小二乘法构建
QSAR
模型预测一系列
环境化合物对大型蚤类的毒害
，
结果表明分子质量
“973”
基金项目
：
国家项目
（2009CB724700）；
国家水体污染控制与治理科技重大专项
（2008ZX07101－003－02－05）；
江苏省环境工程重点实验
室开放课题
（KF2009003）；
江苏省环保科技项目
（2009002）；
南京工业大学青年教师学术基金资助项目
（39708014）；
江苏省科技厅资
助项目
（BE2010196）；
江苏省环保厅资助项目
（2009002）；
环保公益科研专项
（200909086）
025－
作者简介
：
范德玲
（1988－），
女
，
硕士生
；
沈树宝
（1957－），
男
，
博士
，
教授
，
博士生导师
，
主要从事环境科学及工程的研究
，
通讯联系人
，
83587349，zsbshen@126．com。
2011
年
10
月范德玲等
：
化学品鱼类急性毒性
QSAR
模型研究
·121·
参数对化合物的毒性影响最大
。
1.2
主成分回归
主成分回归就是采用主成分分析方法通过选取
对活性
/
性质影响最大的几个主成分来建立定量构
效关系模型
。
主成分分析数学模型为
：
F
2
=a
12
ZX
1
+a
22
ZX
2
+…+a
p2
ZX
p
…
F
p
=a
1m
ZX
1
+a
2m
ZX
2
+…+a
pm
ZX
p
N
i
是
i
取代基的数目
，T
i
是
i
取代基的毒性贡式中
，
T
0
是母体化合物的毒性值
。Todd
等用基团贡献
，
献法预测
397
种有机物对黑头呆鱼的急性毒性
。
建
立多元线性回归和人工神经网络模型
，
模型的相关
2
性达到
R＞0.9。
2.2
分子连接性指数法
（MCI
法
）
［10］
分子连接性指数法是由
Kier
等提出的一种
01
［9］
a
2i
，…，a
pi
（i=1，…，m）
为
X
的协方差阵Σ
其中
a
1i
，
ZX
1
，ZX
2
，…ZX
p
是的特征值对应的多个特征向量
，
经过标准化处理的原始变量值
1.3
偏最小二乘法
［6］
有零阶项
（Xv）、
一阶项
（Xv）、
二阶项拓扑学参数
，
（
2
Xv）
等
。
根据分子中各个骨架原子排列
、
相连接
的方式描述分子的结构性质
。MCI
指数与有机物的
［11－12］
。
于瑞莲等
［13］
毒性数据有较好的相关性
1
用
Xv
分别对卤代苯
、
甲苯
、
苯胺
、
苯酚等对蚤类的
毒性进行预测
，
回归模型相关系数在
0.85
以上
。
。
PLS）
同时偏最小二乘法
（PartialLeastSquare，
考虑了自变量
、
因变量的作用
，
通过折衷各自空间内
使模型较好地描述自变量和因变量作用
。
的因子
，
这种方法在分析化学
、
理化学和医药化学等许多化
学领域得到广泛应用
［7］
2.3
量子化学法
量子化学法在模型参数的选择
、
定量模型的确
定以及毒性机理的解释方面是重点
。
目前常用的量
MOPAC－AMI
分子轨道子化学计算法有
MNDO
法
、
［14］
法等
。
张爱茜等采用
MOPAC－AMI
分子轨道法
建立逐步回归对
16
个氯代芳香族化合物毒性预测
，
模型
。
结果表明引入量子化学参数描述氯代芳香族
化合物的毒性是较为成功的
，
相关性很好
。
2.4
线性自由能法
（LFER
法
）
Hansch
认为
［15］
，
以物质的立体效应
（Taft
常数
Es）、
电子效应
（Hammett
常数σ
）
及疏水效应
（lgP）
建立模型表达式为
：
－logLC
50=
alogP－b（logP）
2
。
2QSAR
方法体系
QSAR
模型的核心问题是建立有机物结构与活
性之间的函数关系
A=f（S）。A
代表有机物的毒
常用半致死浓度的负对数
（－logLC
50
）
表示
；S
代
性
，
表有机物的结构
。QSAR
发展至今
，
普遍实用的
QSAR
法有以下
6
种
［8］
：
2.1
基团贡献法
基团贡献法是由
Free－Wilson
在对有机物亚结
构信息和生物毒性的相关研究基础上建立的
。
数学
表达式
：
－logLC
50
=
Σ
N
i
×T
i
+T
0
（1）
+cEs+d
σ
+e（2）
a，b，c，d，e
为常数
。
式中
，
由于
Hansch
方法的参数较易获得
，
有助于理解
生物活性的作用机制和毒性机理的解释
，
并具有
櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆
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119
页
）
（4）
操作评定
实时对操作过程进行评定
，
对每一步进行评分
，
并给出整个操作过程的综合得分
。
用于多喷嘴对置式水煤浆气化装置操作人员的技能
取得良好的培训效果
。
培训与考核
，
参考文献
［1］
杨永杰
．
化工仿真培训系统技术进展
［J］．
天津化工
，2001，（6）：
15－16．
［2］
马玲
．30
万吨燃料乙醇装置仿真培训系统的开发
［J］．
石油工业
2005，（9）：12－14．
技术监督
，
［3］
杨友麒
，M］．
北京
：
化学工业出版项曙光
．
化工过程模拟与优化
［
2006：267－268．
社
，
［4］
蒋蔚步
．
俞金寿
．
化工过程动态数学模型
［M］．
北京
：
化学工业出
1986．
版社
，
［5］
塞思费尔德
JH，．
南京
：
拉皮德思
．
化工过程数学模型理论
［M］
1981．
■江苏科学技术出版社
，
7
结语
基于过程系统仿真平台开发的多喷嘴对置式气
化炉仿真培训系统能有效模拟多喷嘴对置式水煤浆
气化装置的运行情况及现场工况
，
可以对操作人员
进行操作教学和技能鉴定
，
为广大操作人员提供了
直观的仿真培训平台
，
使操作人员在短期内了解工
艺过程和操作原理
，
提高其实际操作能力
，
缩短培训
周期
，
节省培训费用
。
目前
，
该仿真培训系统已多次