持久性有機(jī)污染物多氯聯(lián)苯(PCBs)生物毒性的灰色理論研究

張 旭，謝修銀 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

持久性有機(jī)污染物多氯聯(lián)苯(PCBs)生物毒性的灰色理論研究

張 旭，謝修銀 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

運(yùn)用灰色理論對10種多氯聯(lián)苯(PCBs)的生物毒性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了其灰色預(yù)測模型，通過構(gòu)建灰色預(yù)測模型，計(jì)算了各化合物的生物毒性值，并對模型進(jìn)行了精度檢驗(yàn)和分析。研究結(jié)果表明，所建立的模型精度為一級(好)，且該模型較一般的線性回歸模型具有更好的預(yù)測能力，為定量構(gòu)效關(guān)系研究提供了一種新的方法。

持久性有機(jī)污染物；多氯聯(lián)苯(PCBs)；灰色理論；定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)； 生物毒性

持久性有機(jī)污染物多氯聯(lián)苯(Polychlorinated biphenyls，PCBs)是人工合成有機(jī)物，PCBs的全部異構(gòu)體有209個，已確定結(jié)構(gòu)的有102種；PCBs易溶于脂肪、有機(jī)溶劑，極難溶于水，極難分解，易在生物體的脂肪內(nèi)大量富集。全世界已生產(chǎn)和應(yīng)用的PCBs有1百萬噸，其中1/4～1/3已進(jìn)入人類環(huán)境造成公害。1968年，日本發(fā)生的米油糠污染就是多氯聯(lián)苯的污染造成的，PCBs可經(jīng)皮膚、呼吸道和消化道而被有機(jī)體吸收，消化道的吸收率最高。PCBs的毒性因動物種屬、健康狀況等的不同而異，也與其本身的含氯量、化學(xué)結(jié)構(gòu)、各種異構(gòu)體的混合比以及其他雜質(zhì)的存在與否而有很大差別。

PCBs在生物體內(nèi)的降解速率很低，只通過生物降解實(shí)驗(yàn)來收集能反映PCBs在生物體內(nèi)降解轉(zhuǎn)化的速率數(shù)據(jù)是不容易的。目前的研究重點(diǎn)可以放在降解模型的建立，即利用生物、物理和化學(xué)等學(xué)科的知識和現(xiàn)代化的模擬、計(jì)算手段把一些多變的信息綜合成生物降解動力學(xué)速率常數(shù)，建立有效的生物降解模型。

灰色系統(tǒng)理論用嶄新的科學(xué)方法對系統(tǒng)信息進(jìn)行處理、分析和建模?；疑７椒ㄊ峭ㄟ^處理灰信息來揭示事物內(nèi)部的物征和規(guī)律。它利用系統(tǒng)信息，使抽象概念量化，量化的概念模型化，最后進(jìn)行模型優(yōu)化。它不但考慮通過輸出信息去同構(gòu)系統(tǒng)模型，同時十分重視關(guān)聯(lián)分析。下面，筆者將運(yùn)用灰色理論對10種多氯聯(lián)苯(PCBs)的生物毒性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 灰色理論

1.1GM(1,1)模型

GM(1,1)模型是最常用的一種灰色模型，它是由一個只包含單變量的一階微分方程構(gòu)成的模型。下面筆者利用連續(xù)非等時空距GM(1,1)灰色模型[1,2]來進(jìn)行建模和預(yù)測。具體方法如下：

設(shè)自變量x具有指數(shù)連接性，原始數(shù)據(jù)列為：

Y(0)(x)={Y(0)(x1)，Y(0)(x2)，…，Y(0)(xn)} (x=1，2，…，n)

用AGO[3]生成一階累加生成模塊Y(1)(x)：

dY(1)/dx+aY(1)=u

響應(yīng)方程為：

(1)

式(1)即為GM(1,1)模型灰色預(yù)測的具體計(jì)算公式。式中的參數(shù)a、b、c采用2步最小二乘法即可求出。

1.2模型精度檢驗(yàn)

模型精度[4]由后驗(yàn)差比值C和小誤差概率P共同確定：

一般將模型精度等級[5～8]分為4級，Ⅰ級最好，Ⅳ級最差。當(dāng)C≤0.35且P≥0.95時模型精度為Ⅰ級。

2 PCBs生物毒性的研究

2.1數(shù)據(jù)來源及關(guān)聯(lián)分析

PCBs半效應(yīng)濃度的負(fù)對數(shù)(-logEc50)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[9]，相關(guān)參數(shù)logKow(正辛醇/水分配系數(shù))，Vmc/100(分子范德華體積)， π1(極化比率分子)，εB(共價鍵)，q-(靜電堿性電荷)，q+(靜電酸性電荷)均來源于文獻(xiàn)[10]。相關(guān)數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 多氯聯(lián)苯類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)及關(guān)聯(lián)度

從表1很容易看出，表中各化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)與半效應(yīng)濃度的負(fù)對數(shù)的關(guān)聯(lián)度大小順序依次為:

r-logEc50-logKowgt;r-logEc50-Vmc/100gt;r-logEc50-q+gt;r-logEc50-εBgt;r-logEc50-π1gt;r-logEc50-q-

將logKow參數(shù)值與-logEc50值作灰色關(guān)聯(lián)分析圖，如圖1所示。

2.2PCBs實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模型計(jì)算結(jié)果

利用表1中10種PCBs化合物的-logEc50值與正辛醇/水分配系數(shù)的對數(shù)值logKow建模得到的系數(shù)a的值為0.000147，同時計(jì)算出c和b的值為-6072.23和6071.753。

將數(shù)據(jù)代入式(1)，得：

按模型方程計(jì)算得出10種多氯聯(lián)苯類化合物的-logEc50的計(jì)算值、誤差和平均值，以及文獻(xiàn)的預(yù)測值、誤差和平均值與實(shí)驗(yàn)值的比較列于表2中。-logEc50的實(shí)驗(yàn)值、文獻(xiàn)預(yù)測值與計(jì)算值關(guān)聯(lián)分析見圖2。

2.3模型精度檢驗(yàn)

利用表2中數(shù)據(jù)計(jì)算得S1=0.196028，S2=0.741351，則后驗(yàn)差比值C和小誤差頻率P為：

C=S1/S2=0.264421lt;0.35

故該模型為Ⅰ級(好)。

注： -logEc50的exp、cal*來源于文獻(xiàn)[7] ；cal△為模型計(jì)算值。

圖1 -logEc50與logKow的關(guān)聯(lián)度分析 圖2 -logEc50計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值、文獻(xiàn)值的關(guān)聯(lián)分析

2.4誤差分析

根據(jù)表2中列出的文獻(xiàn)預(yù)測值和計(jì)算值可得2種方法計(jì)算結(jié)果的誤差，如表3。

表3 多氯聯(lián)苯類化合物2種方法預(yù)測結(jié)果誤差

由表3可知，筆者所建模型的最大絕對誤差、平均絕對誤差、最大相對誤差、平均相對誤差和均方根誤差均小于文獻(xiàn)[9,10]方法，可見建立的模型明顯優(yōu)于文獻(xiàn)方法，具有很好的預(yù)測能力。

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[編輯] 洪云飛

O621.13

A

1673-1409(2009)01-N041-03

2008-12-25

張旭(1979-)，男，2001年大學(xué)畢業(yè)，講師，碩士生，現(xiàn)主要從事構(gòu)效學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。