[發明專利]一種重金屬毒性終點和海洋水質基準閾值的預測方法

在審

• 申請號: 202010322812.3
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111554358A
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 穆云松;吳豐昌
• 申請（專利權）人: 中國人民大學
• 主分類號: G16C20/20
• 分類號: G16C20/20;G16C20/30;G16C20/70;G16C20/90
• 代理公司: 北京精金石知識產權代理有限公司 11470
• 代理人: 尉月麗

本發明公開了一種重金屬毒性終點和海洋水質基準閾值的預測方法，基于重金屬結構參數和影響金屬形態的海洋環境理化要素特征，建立多變量的定量結構?毒性相關預測模型，實現了對海洋重金屬“原位”毒性值的預測，并進一步將海洋中代表性水生生物的毒性預測值進行物種敏感度分析(SSD)，獲得保護95％海洋生物的基準閾值。以Sigmoldal?Logistic模型對SSD曲線進行擬合，曲線擬合參數與毒性預測模型中自變量進行多元相關性分析，本發明建立基于重金屬結構和環境要素特征的物種敏感度分析普適模型，“量身定制”不同海洋環境中重金屬的基準閾值，解決了因忽視水化學特征對毒性的影響而導致預測結果不準確的問題。

技術領域

本發明涉及海洋環境中重金屬生物效應和風險評價領域，具體為基于重金屬形態和生物有效性的一種重金屬毒性終點和海洋水質基準閾值的預測方法。

背景技術

定量結構活性相關(QSAR)理論已取得重要進展，并在有機污染物的構效關系和毒性預測方面得到廣泛應用。金屬的定量構效關系研究始于上世紀七八十年代，但由于金屬的形態和生物效應的復雜性，導致相關研究遇到了瓶頸，也是金屬毒性預測領域的難點和挑戰。例如，有效反映致毒機理的結構描述符難于獲得，制約著QSAR在金屬毒性預測中的應用。目前，獲得金屬毒性效應數據的唯一途徑依然是通過傳統毒理學試驗測定，不僅耗費大量的人力、物力和財力，也必須面對生態倫理的挑戰。進行金屬定量構效關系和建模方法的研究對預測和評估生物效應具有廣闊的應用前景。

近年來，隨著金屬形態分析技術的進步和對致毒機理的認識逐漸深入，為金屬QSAR研究提供了克服瓶頸的新途徑。基于致毒機理相同的科學假設，在相對理想的體系下，可以基于已有的QSAR模型經濟、高效地實現一系列金屬生物效應的縱向預測。目前的金屬毒性預測技術基于金屬的物理化學參數初步構建了一系列定量離子特征-毒性模型。然而，已報道的研究工作僅關注于金屬自身的結構特點，而忽視了外界水化學條件對金屬生物效應的影響，QSAR模型不能實現對不同環境條件下生物效應的橫向預測。考慮到金屬的形態和生物有效性對金屬毒性的影響，已開發出生物配位體(Biotic Ligand model，BLM)模型。模型的主要思想是金屬毒性以金屬在生物敏感受體-魚鰓上的累積過程模擬，包括金屬形態和競爭性陽離子的防護效應。影響毒性的所有水化學特征包括在內，整合了金屬離子與Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、H⁺的競爭作用，與非生物配體DOC、氯化物、碳酸鹽和硫化物結合。該模型比較全面地考慮了影響金屬生物有效性的因素，與建立在硬度基礎上的模型相比，生物配體模型具有更好的預測能力，是一個能夠替代生物毒性試驗預測金屬毒性的有用工具。到目前為止，模型中最全面的數據是關于銅對虹鱒魚的毒性。Playle等發現鰓膜上的鈉離子通道是銅急性毒性效應的生物配位體，通過在寬泛水質條件范圍內測定銅在魚鰓表面的累積來校準BLM模型中銅的吸收。Rebort Santore發展了BLM模型，能夠預測五種金屬對五種水生生物的毒性效應。馬義兵等對環境中金屬BLM模型研究進展進行了較為全面的綜述，并應用BLM模型預測我國多個水體的重金屬毒性。Balistrieri等借鑒了生物配位體模型的原理，進一步預測了金屬混合物對鱒魚的復合毒性，同時指出溫度、pH、主要離子濃度和溶解有機碳共同影響復合毒性。

但是BLM模型的應用也存在一些限制，主要包括以下方面：多數物種的BLM模型還未開發出來，相關的平衡系數有待率定和評估；針對不同物種的環境條件范圍存在差異，超出范圍時BLM模型不再適用；痕量金屬的吸收要受生物學的控制，急性毒性的預測優于慢性。自然界的重金屬并不是單獨存在的，模型沒有考慮多種重金屬的復合效應對這種金屬毒性的影響；針對特定金屬開發的BLM模型，不能直接通過參數校正預測其他金屬的毒性。因此，在BLM模型中引入金屬結構特征參數，將有效擴展模型的應用范圍。在不同外部環境條件下預測的毒性效應更貼近實際環境背景，使水生生物的保護更有針對性和科學性。

總體而言，以上方法只考慮海洋環境中金屬離子結構特征與毒性的定量關系，忽視了環境理化要素特征對毒性的影響。對于重金屬“原位”毒性的定量預測，缺乏系統的研究和可靠的預測方法。