多溴聯(lián)苯醚生物富集系數(shù)的定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系

李吉安，薛秀玲，盧桂寧

（1.華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門(mén)361021；2.華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州510006）

多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）是溴代阻燃劑類化合物，共有209種同系物，常作為阻燃添加劑加入到樹(shù)脂、聚苯乙烯和聚氨酯泡沫等高分子合成材料中，廣泛應(yīng)用于塑料制品、紡織品、電路板和建筑材料等領(lǐng)域［1-3］.PBDEs相對(duì)分子質(zhì)量大、熔點(diǎn)高、蒸氣壓低、水溶性低及辛醇-水分配系數(shù)高，因而具有親脂性和生物易累積等特點(diǎn)［4］，能在生物體內(nèi)的脂肪和蛋白質(zhì)中蓄積，并通過(guò)食物鏈放大，對(duì)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物造成影響.PBDEs作為一種新型的全球性、持久性有機(jī)污染物，對(duì)環(huán)境生物以及人體健康的造成危害，并引起了廣泛的關(guān)注.生物富集因子（BCF）是評(píng)價(jià)有機(jī)污染物生物累積性的重要指標(biāo)［5］.在PBDEs的環(huán)境評(píng)估中，生物富集因子是一個(gè)重要的參數(shù).雖然對(duì)于PBDEs的生物富集因子的測(cè)定有標(biāo)準(zhǔn)的方法，但要測(cè)定209種PBDEs的BCF值，實(shí)驗(yàn)顯然耗時(shí)、耗力，測(cè)定費(fèi)用高.因此，目前由實(shí)驗(yàn)測(cè)定PBDEs的BCF極其有限.定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系（QSAR）指化合物的分子結(jié)構(gòu)與其活性之間的定量預(yù)測(cè)模型［6-8］.QSAR可以根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)其活性，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)的缺失，降低昂貴的測(cè)試費(fèi)用.本文擬通過(guò)Gaussian 03［9］將PBDEs進(jìn)行 B3LYP／6-31G＊水平上的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從中提取相關(guān)量子化學(xué)參數(shù).

1 材料與方法

1.1 BCF文獻(xiàn)值的選取

圖1 PBDEs的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Chemical structure of PBDEs

多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）通用結(jié)構(gòu)式，如圖1所示，圖1中：m＋n的范圍是1～10.本研究所用19種PBDEs的BCF實(shí)測(cè)值取自 Mansouri等［10］的工作，其數(shù)據(jù)從寡毛綱淡水生物正顫蚓獲得，生物富集系數(shù)，如表1所示.表1中：隨機(jī)選取的13種PBDEs組成模型訓(xùn)練組，其他6種PBDEs則作為模型檢驗(yàn)組（見(jiàn)＊標(biāo)注）.

1.2 量子化學(xué)參數(shù)選取

應(yīng)用量子化學(xué)軟件包Gaussian 03，以密度泛函理論的方法計(jì)算，選擇考察包括22個(gè)量子化學(xué)參數(shù)在內(nèi)的24種變量，所涉及的量子化學(xué)參數(shù)包括：最高占有軌道能量（EHOMO）、最低空軌道能量（ELUMO）、次高占有軌道能量（ENHOMO）、次低空軌道能量（ENLUMO）、分子總能量（ET）、電子空間廣度（Re）、分子偶極矩（μ）、1，1′號(hào)碳原子與氧原子間的鍵長(zhǎng)（RC1-O、RO-C1′）、分子骨架中13個(gè)原子的帶電量（QC1，QC2，QC3，QC4，QC5，QC6，QO，QC1′，QC2′，QC3′，QC4′，QC5′，QC6′）.此外還考察了ELUMO-ENHOMO，ELUMO＋ENHOMO兩種前線軌道能量的組合.

表1 PBDEs的生物富集系數(shù)Tab.1 Log BCF of the PBDEs

1.3 模型的優(yōu)化建立

考慮到PBDE溴取代的個(gè)數(shù)（NBr）對(duì)PBDEs的BCF可能有影響，為了獲得統(tǒng)計(jì)學(xué)上合理的模型，將log BCF與NBr進(jìn)行組合，log BCF，log（BCF＋NBr），log（BCF-NBr），log（BCF×NBr）和log（BCF／NBr）作為因變量，采用PLS方法擬合建立模型.

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的建立

表2 不同因變量的PLS模型擬合參數(shù)Tab.2 Fitting results of different dependent variables in PLS model

2.2 模型的驗(yàn)證

為了確定最優(yōu)模型，本研究對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證.將所有樣本（模型訓(xùn)練組和模型檢驗(yàn)組）的自變量分別帶入到各PLS模型中，并將得到的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行比較［10］，結(jié)果如表3所示.表3中：＊為模型檢驗(yàn)組的數(shù)據(jù)，殘差指預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)值之差.由表3可知：log（BCF＋NBr），log（BCFNBr），log（BCF×NBr）和log（BCF／NBr）4個(gè)模型均具有一定的預(yù)測(cè)能力，其殘差范圍分別為-0.60～0.69，-0.49～0.96，-1.53～1.13，0.21～6.02.從殘差范圍來(lái)看，log（BCF＋NBr）與log（BCF-NBr）的預(yù)測(cè)效果明顯優(yōu)于其他兩個(gè)模型，預(yù)測(cè)效果較好.PBDEs4個(gè)模型檢驗(yàn)組的殘差，如圖2所示.

表3 各因變量預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Tab.3 Comparison of predictive value and experimental value of different dependent variables

圖2 實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值殘差的比較Fig.2 Residual comparison of the observed value and predicted value

從圖2可以看出：log（BCF-NBr）模型檢驗(yàn)組的殘差值相對(duì)較低（log（BCF＋NBr），log（BCF×NBr）和log（BCF／NBr）檢驗(yàn)組的殘差絕對(duì)值分別為2.59，2.95和16.95），其殘差絕對(duì)值之和為2.12，是4種模型中最低的.這也說(shuō)明了以log（BCFNBr）為因變量建立的PLS模型為本研究的最佳預(yù)測(cè)模型.

2.3 BCF影響因素的分析

以log（BCF-NBr）為因變量建立的模型，如表4所示.表4中：x為自變量；a為系數(shù).表4列出該最優(yōu)模型的自變量在方程中對(duì)應(yīng)的系數(shù)及相應(yīng)的VIP值，所得回歸模型為

上式中：系數(shù)a為各自變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)值；常數(shù)為C.

表4 自變量在模型方程中的系數(shù)及其重要性指標(biāo)Tab.4 Variable importance in the projection and variable coefficient in the model equation

在PLS建模中，VIP是一個(gè)反應(yīng)自變量重要性相對(duì)大小的參數(shù)，自變量的VIP值越大，說(shuō)明該自變量對(duì)因變量的影響越大.由表4可知：分子總能量ET與電子空間廣度Re的VIP值分別為1.71，1.48，遠(yuǎn)高于其他自變量的VIP值，說(shuō)明這兩個(gè)自變量對(duì)PBDEs的BCF有著重要的控制作用；Re在同系物中可用于表征不同分子間分子體積的大小，雖然某些情況下Re與分子體積間的相關(guān)性不好，但對(duì)PBDEs這類結(jié)構(gòu)上非常相似的同系物而言卻具有較好的相關(guān)性［11］；ET數(shù)值上的較大變化意味著分子組成中取代溴原子個(gè)數(shù)的變化，而相同分子組成的同分異構(gòu)體之間也存在著微小的差異；Re的系數(shù)為正，ET的系數(shù)為負(fù)，說(shuō)明在PBDEs的溴取代基數(shù)目相同的情況下，隨著Re數(shù)值的減小或ET數(shù)值的增大，log（BCF-NBr）的值逐漸減小，即相應(yīng)的PBDEs更不易富集在土壤、沉淀物、生物體中.

Harrie等［12］和Qin等［13］對(duì)二噁英及多氯聯(lián)苯富集情況的研究，也說(shuō)明了鹵素（氯和溴）取代基數(shù)目對(duì)有機(jī)化合物的BCF數(shù)值有較大的影響.

3 結(jié)論

通過(guò)Gaussian 03將PBDEs進(jìn)行B3LYP／6-31G＊水平上的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)用PLS分析，建立了PBDEs生物富集系數(shù)的QSAR模型.結(jié)果表明：溴取代基個(gè)數(shù)對(duì)PBDEs的BCF有較大影響，直接用log BCF建模無(wú)法得到較好的預(yù)測(cè)模型.

以log（BCF＋NBr），log（BCF-NBr），log（BCF×NBr）和log（BCF／NBr）作為4種因變量Y建模，發(fā)現(xiàn)用log（BCF-NBr）建立的模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，并通過(guò)log（BCF-NB）模型建模，得到其擬合相關(guān)系數(shù)平方和累積交叉有效性判別系數(shù)分別為0.980和0.921，可有效預(yù)測(cè)PBDEs的生物富集系數(shù).此外研究發(fā)現(xiàn)ET，Re以及NBr對(duì)PBDEs的BCF有著較大的影響.較低ET，較大Re的PBDEs呈現(xiàn)出較低的BCF，隨著溴原子數(shù)的遞增，BCF呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

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