量子化學(xué)在農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險評估中應(yīng)用潛力

姜 靜，李宇森，馬鏡博，羅梁鋒，張俊峰，呂軍民 編譯

(1.東華大學(xué)，上海 210620；2.澄城中學(xué)，陜西省澄城縣 715200；3.陜西省澄城縣農(nóng)技中心，陜西省澄城縣715200)

人口數(shù)量增長，導(dǎo)致了糧食需求的增長及集約型農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，近而使農(nóng)藥被更廣泛地應(yīng)用。然而，農(nóng)藥管理不善會導(dǎo)致一系列人畜健康和環(huán)境問題。監(jiān)管部門要求理性使用農(nóng)藥，減少農(nóng)藥在食物及環(huán)境中的殘留，并公開更多關(guān)于農(nóng)藥及其殘留物的危害信息。國際權(quán)威組織和環(huán)保組織都加強了農(nóng)藥對公眾健康和環(huán)境影響的監(jiān)管。

農(nóng)藥用于土地后，就會完全或者部分降解形成新的化合物。有時，降解產(chǎn)物與母體活性物質(zhì)相似，或比母體活性物質(zhì)遷移性更大、更穩(wěn)定或者毒性高，如1,4-苯二酚可被氧化為高毒的醌類。但是，一些農(nóng)藥的降解產(chǎn)物對環(huán)境影響的信息十分有限。事實上，大部分研究者對大量使用農(nóng)藥的研究都只集中于母體活性成分。最近，一些農(nóng)藥的降解產(chǎn)物被認為是“新型污染物”，因為長久以來，人們并不知道環(huán)境中存在這些污染物，或者這些污染物對環(huán)境中人類健康和其他生物有潛在風(fēng)險。隨著科技進步以及進行環(huán)境風(fēng)險評估的分析技術(shù)的發(fā)展，這些問題逐漸受到人們關(guān)注。

1 農(nóng)藥管理

為了得到農(nóng)藥對人類安全的數(shù)據(jù)，并代替動物實驗，歐洲食品安全局(EFSA)和美國環(huán)保局(US-EPA)等監(jiān)管部門開始推動非試驗性方法的發(fā)展。農(nóng)化工業(yè)采取的策略之一就是應(yīng)用定量構(gòu)-效關(guān)系模型(QSARs)。用這些方法可以預(yù)測農(nóng)藥及其降解產(chǎn)物的理化性質(zhì)、生物特性及環(huán)境歸宿。QSAR結(jié)果的正確性主要取決于起始數(shù)據(jù)(輸入?yún)?shù))的數(shù)量和質(zhì)量、描述符的選擇(數(shù)學(xué)方程)和應(yīng)用模型。

典型的QSAR研究主要采用特定的描述符，如描述分子量、分子折射率、疏水性等理化性質(zhì)的描述符。這些描述符已經(jīng)成功用于QSAR研究中確定化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境歸宿等。但采用這些描述符不能很好地定量化合物分子的電子結(jié)構(gòu)的變化，故其實用性常遭到質(zhì)疑。應(yīng)用QSAR對化合物的特性進行預(yù)測雖然有時候要進行大量試驗工作，但較簡單。如果采用定義明確的由量子化學(xué)方法得到的前線軌道能、電子密度、分子表面靜電勢等理論描述符，QSAR就會有更好的應(yīng)用空間。這些理論描述符能用于設(shè)計QSAR研究的訓(xùn)練集，而且量子化學(xué)方法比經(jīng)驗法能更精確、更詳盡描述電子效應(yīng)。據(jù)我們所知，農(nóng)用化學(xué)品界還沒有把量子化學(xué)描述符用于開發(fā)評估農(nóng)藥風(fēng)險的QSAR模型。大部分應(yīng)用量子化學(xué)描述符的研究主要集中于制藥領(lǐng)域。

在不同國家農(nóng)藥風(fēng)險評估法規(guī)與指南不同，且難以協(xié)調(diào)。比如，在美國，農(nóng)藥殘留的法定閾值由環(huán)保局制定；而在歐盟，歐洲委員會根據(jù)歐盟食品安全局(EFSA)的風(fēng)險評估結(jié)果進行監(jiān)管。在美國，指南適用于聯(lián)邦政府，而在歐洲，指南在歐盟范圍內(nèi)通用。所有農(nóng)藥法規(guī)規(guī)定農(nóng)藥生產(chǎn)商和/或銷售商必須證明其投入市場的農(nóng)藥及其降解產(chǎn)物對人畜健康沒有危害，對環(huán)境不存在不可接受的影響。此規(guī)定的目的是確保對良好農(nóng)業(yè)規(guī)范的保護，并捍衛(wèi)農(nóng)業(yè)在各自領(lǐng)域內(nèi)的競爭力。

2 計算分子特性的理論近似法

薛定諤方程被用于確定原子和分子體系的特性，但僅可以用于非常小的體系，但是現(xiàn)代量子化學(xué)技術(shù)可以以高的精確度來處理大的體系(幾百個原子)。

計算分子特性最常用的近似法有從頭計算法(由量子力學(xué)第一性原理衍生而來的方法)和半經(jīng)驗計算法(從試驗數(shù)據(jù)獲得的參數(shù)用于簡化方程)。從頭計算法能夠產(chǎn)生很精確的結(jié)果，但計算成本很高。半經(jīng)驗量子化學(xué)法計算時間大幅減少，而且可以處理較大體系，但是準確度低。從頭計算法是確定有機化合物的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的有效且可靠的工具，而且也是確定與環(huán)境最相關(guān)的反應(yīng)途徑有效且可靠的工具，即獲得在水解、光解等降解過程中可能穩(wěn)定的中間產(chǎn)物和反應(yīng)勢壘。從頭計算法也能提供化學(xué)反應(yīng)性和毒性之間的質(zhì)相關(guān)性，來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)修飾和取代。該方法對于預(yù)測沒有經(jīng)過試驗研究的化合物的特性是一個非常有價值的工具。例如，與經(jīng)典的QSAR相比，在配體的QSAR研究中應(yīng)用量子化學(xué)反應(yīng)描述符可以更精確地評估焓對配體-靶標相互作用的貢獻。

在最近50年，開發(fā)了多種從頭計算法，由于與本文內(nèi)容相關(guān)性不大，在此不進行介紹，但用這些方法都可以得到化合物體系的總能量和電子波函數(shù)。由此可以評估與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)的體系特性。故此，筆者將集中介紹基于密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)的一系列特別方法，這些方法已被證明可靠，并能被應(yīng)用以合理的計算時間計算標準農(nóng)藥分子大小的(即達到幾百個原子的大小)化合物。

2.1 密度泛函理論(DFT)計算

密度泛函理論是在已證明定理的基礎(chǔ)上建立的，此定理為分子的電子基態(tài)的能量和特性僅由電子密度決定。因此，體系的準確能量可以電子密度函數(shù)表示，但電子密度和總能量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(泛函)未知。文獻已提供了許多可能的關(guān)系(函數(shù))，要根據(jù)研究的體系選擇最適用的函數(shù)。選擇適宜的函數(shù)對于很好地描述研究中的體系很重要。對于有機分子來說，最精確、廣泛使用的函數(shù)之一是B3LYP?；诖死碚摰挠嬎悻F(xiàn)如今被用作優(yōu)化幾何形狀和得到各種基態(tài)體系的不同平穩(wěn)點最終能量的標準技術(shù)，其計算結(jié)果與試驗值一致。因此，預(yù)期DFT方法，特別是B3LYP泛函，能很精確地描述許多農(nóng)藥電子基態(tài)的特性。

如果一個農(nóng)藥是通過光化學(xué)反應(yīng)分解，描述分子在電子激發(fā)態(tài)下的特性是不可避免的，可以通過時間依賴密度泛函理論(TD-DFT)來進行。這個理論是DFT的擴展，用于處理激發(fā)態(tài)，而且能夠以合理的計算時間處理大體系。例如，菊酸是除蟲菊素光分解的主要產(chǎn)物，而除蟲菊素是一個重要類別的農(nóng)藥化合物。要用TD-DFT來表明這些反應(yīng)發(fā)生在基態(tài)，而不是激發(fā)態(tài)，用TD-DFT得到了精確的吸收、發(fā)射(熒光和磷光)和絕熱能(吸收/熒光計算產(chǎn)生)的計算結(jié)果。通過TD-DFT計算得到的百菌清殺菌劑的光譜特征與試驗得到的在線型和相對強勢方面一致。

值得一提的是，雖然在過去的幾年中累積的經(jīng)驗表明DFT計算的結(jié)果很精確，但是當開始研究新的體系時，為了確保用所選擇的方法得到精確的結(jié)果，比較此方法與試驗或者更精確的從頭算法的數(shù)據(jù)，是一個好措施，特別是對于選擇應(yīng)用泛函很重要。

2.2 量子化學(xué)描述符

電子密度是描述基態(tài)的主要特點。在密度的基礎(chǔ)上又提出了數(shù)個描述符，如整體硬度(η)、軟度(S)、電負性(χ)、親電性(ω)。硬度是1個原子或分子體系電子云的密集程度，而軟度是指電子密度可下降幅度，電負性是指分子中的1個原子吸引成鍵電子的能力，可以定義為電離能和電子親和性的函數(shù)。親電性代表了化合物的親電子能力，被定義為電負性或化學(xué)勢與硬度的比率。在量子化學(xué)中這些已被定義為體系的整體描述符，已被報道與許多有機化合物的反應(yīng)性有很好的相關(guān)性。這個與DFT相關(guān)的量子化學(xué)分支叫做“概念密度泛函理論”(CDFT)，已被證明是了解分子反應(yīng)性的權(quán)威理論工具。

一般來說，分子作為一個整體，CDFT為其提供了整體反應(yīng)性描述符，但是可被重新定義為描述分子的一部分(比如一個活性位點)。用這些描述符預(yù)測了多環(huán)芳烴的光致毒性，并且對此預(yù)測進行了分析。這些新產(chǎn)生的污染物對大型水蚤(Daphnia magna)和藻(Scenedemus vacuolatus)的光毒性表明硬度和LogEC50具有正相關(guān)；而軟度與對大型水蚤的活性只有低相關(guān)性，與對藻的活性有負相關(guān)性。以電負性為量子化學(xué)描述符，進行不同化學(xué)品對大型水蚤的急性毒性建模研究。親和性(philicity)(ωα(r))被定義為局部親電性，有人已提出可作為包括單個或多個反應(yīng)中心的分子間及分子內(nèi)反應(yīng)性的可信的描述符。這些反應(yīng)性描述符的量級是由理論水平(比如特定泛函的選擇)和計算中軌道的數(shù)量(一般稱為基組)決定。因此，需要學(xué)習(xí)掌握有關(guān)這兩個參數(shù)選擇方面的知識。

3 用于預(yù)測農(nóng)藥的光化學(xué)行為的方法

要了解光降解的機理，就需要對反應(yīng)物和產(chǎn)物的同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)和其相對穩(wěn)定性進行預(yù)測。第一步，用理論量子化學(xué)找出正在研究化合物的構(gòu)象異構(gòu)體和同分異構(gòu)體，并比較預(yù)測的化合物特性和試驗數(shù)據(jù)。第二步，反應(yīng)過程的中間階段和過渡態(tài)的定位可以提供更多相關(guān)信息。這個階段研究首先應(yīng)該在基態(tài)、DFT水平通過優(yōu)化所有可能幾何形狀來進行。為了確定這些結(jié)構(gòu)是否是能量最低的狀態(tài)(也就是穩(wěn)態(tài))或者過渡態(tài)，以及評估相應(yīng)的振動能，計算以同一理論水平優(yōu)化其幾何形狀的所有結(jié)構(gòu)的諧振動頻率是必要的。一旦獲得反應(yīng)物、中間階段、過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)，常規(guī)做法就是通過提高理論水平獲得更穩(wěn)定的能量并降低誤差。

在進行基態(tài)研究后，TD-DFT可作為首選的近似法，用來計算農(nóng)藥和其降解產(chǎn)物的低激發(fā)態(tài)和振子強度。

4 用于研究農(nóng)藥生態(tài)毒理學(xué)的方法

利用理論量子化學(xué)可為農(nóng)藥及其降解產(chǎn)物對一些生物毒性關(guān)系建模。大型水蚤和藻可被選作代表性的生物把農(nóng)藥及其降解產(chǎn)物的生態(tài)毒理的理論和試驗值關(guān)聯(lián)起來。從這個角度講，可以得到農(nóng)藥對這兩個生物的試驗毒性EC50。

目前有數(shù)個軟件包可進行DFT計算，而且其中大多數(shù)都可進行CDFT分析。DFT作為首要的方法，選擇最常規(guī)的描述符。可以應(yīng)用多元線性回歸來生成線性模型。因為可從DFT計算獲得大量的分子描述符，為了建立更有價值的描述符可應(yīng)用主成分分析。去除不適用的描述符后，基于向前選擇和向后淘汰的逐步多元線性回歸法可被用于確定最佳回歸模型。最后，應(yīng)用一系列未用于開發(fā)模型的化合物對QSAR模型的預(yù)測能力進行外部驗證。然后選取具有高于先前研究中確定的閾值的R2、低均方根誤差及低的平均絕對誤差值的QSAR模型。目前，自動模型不適宜用于此程序。為了提高這些模型的預(yù)測能力，需要培訓(xùn)的專業(yè)人員。

為了提供經(jīng)試驗結(jié)果驗證的適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)—活性/毒性相關(guān)性，應(yīng)當評估理論水平和分子基組。

5 結(jié) 論

理論計算是預(yù)測農(nóng)藥和其代謝物/副產(chǎn)物特性的極為有價值的工具。這些工具現(xiàn)在主要被用于支持試驗數(shù)據(jù)和通過經(jīng)驗所知的信息。然而，在最近10年，計算的發(fā)展表明利用量子化學(xué)作為研究農(nóng)藥和其殘留的有效方法將會在短期內(nèi)得到進一步的發(fā)展。從此角度講，DFT方法可能被用于很好地描述農(nóng)藥在環(huán)境中的反應(yīng)性，用TD-DFT法來評估農(nóng)藥的光化學(xué)降解性，而農(nóng)藥的生態(tài)毒性與從CDFT得到的參數(shù)有相關(guān)性。

農(nóng)藥法規(guī)的主要目的應(yīng)是確保高水平保護人畜健康和環(huán)境。因此，也需要關(guān)注農(nóng)藥對環(huán)境影響的研究。預(yù)測農(nóng)藥和其副產(chǎn)物對甲殼類動物或綠藻的有害作用的計算方法的開發(fā)也及有必要，也是向預(yù)測農(nóng)藥對高等生物作用邁出的第一步。特別是在無法商業(yè)獲得農(nóng)藥副產(chǎn)物進行試驗研究的情況下，以上方法的建立就尤為重要。

EFSA等官方機構(gòu)正在不斷推進標準理論化學(xué)法的使用，這可能促進對化合物進行最初篩選工具的開發(fā)，經(jīng)初步篩選后再決定是否進行毒理試驗研究，就會提高風(fēng)險評估效率。故呼吁科研界繼續(xù)對這一策略在農(nóng)化領(lǐng)域的應(yīng)用進行研究。