QSARs方法在有机物持久性评估中的应用

中国新化学物质
2011年5月19日

持久性、生物累积性、有毒物质(PBT),由于具有持久性、生 物累积性、高毒性, 并能通过环境介质(水,大气或生物等)迁移, 严重危害人类健康和环境,而备受世界各国关注。日本的化学品登记 审查制度是以PBT 物质为评价和管理核心的。加拿大1995年提出的 有毒物质管理政策(TSMP)将PBT物质的环境管理列为其核心内 容。美国1998年提出在TSCA 的新化学品申报制度中专门列出PBT 这一类别,并确定了PBT 危害鉴别标准,同时提出"优先PBT物质 综合控制战略"。2007年实施的欧盟REACH法规,也将PBT物质单 独列出,优先评估[1-5]。

多氯联苯类物质,是联苯在不同程度上由氯原子取代后生成的人 工有机化合物总称,共有209种同系物。由于该类物质具有持久性、 生物累积性和毒性,因此,2001年联合国《关于持久性有机污染物的 斯德哥尔摩公约》中,明确将多氯联苯(PCBs)在内的12种持久性 有机污染物作为优先环境管理对象[6-9]。

随着人们化学品安全意识和动物保护意识的增强,也为能缩短化学品风险评估的进程,西方发达国家投入大量人力和财力,开始非测 试方法的研究。目前,国内QSAR等非测试方法对生态毒理学研究比 较多,但对于PBT或POP评估的研究鲜少报道[10-12]。本文瑞欧科 技 专 家 ( REACH24H CHINA)综 述 了 国 外 成 熟 的 PBT profiler,EPISUITE和TOXTREE模型,并以此为基础对多氯联苯类 物质进行有机物持久性的预测研究,期望能对我国重点环境管理类物 质的筛选有一定的借鉴作用。

1 测试模型简介

1.1 PBT profiler

预测模型PBT profiler 是一个实时更新的在线系统,由美国科学 中心为美国环境保护署开发的,主要通过结构-活性关系、回归方程 和其它计算方法,对PBT物质进行筛选。通过输入物质CAS号或 SMILES编码,系统可以直接计算出物质在环境介质中的半衰期,通 过与模型内部的标准进行比对,得出结论。

1.2 TOXTREE

预测模型TOXTREE(version 2.1 ),是运用决策树方法确定 物质的危害。其START biodegradation and persistence 插件, 是由德国Molecular Networks GmbH公司为欧洲委员会联合研究中 心开发的。基于加拿大环境保护署编撰的物质结构提醒(structure alert),通过输入物质的SMILE编码或二维结构式,可以直接确定物 质是否"持久性物质"。

1.3 EPISUITE

预测模型EPISUITE (version 4.0)由美国环境保护署开发, 有多个子模型,运用其子模型"BIOWIN",输入物质名称、CAS号 或SMILES编码,可以直接得出"物质是否易于降解"的结论。

2 预测物质

预测物质选为多氯联苯类物质,以任意选取的普通化学物质甲醛为 参照。物质基本信息见表1

Table 1 overviews of the predicted substances

表1 测试物质基本信息表[8]

QSARs方法在有机物持久性评估中的应用

3 结果与讨论

世界各个国家和地区,对物质"持久性"的定义标准不一样,经常会导致同一个物质在不同标准下得出的结论不一样。各个国家或地区对物 质持久性的鉴别标准如表2[4,5,9,13,14]。从表2可以看出,欧盟REACH法规对物质持久性的定义标准比美国和《斯德哥尔摩公约》中POP的标 准都要严格,而加拿大CEPA中对于持久性物质的定义标准最低。

Table 2 Criteria of PBT/Persistent

表2 PBT/Persistent的鉴别标准

QSARs方法在有机物持久性评估中的应用

在本文所采用的三个模型中,PBT profiler模型,是采用美国 EPA的 " 物 质 持 久 性 " 定 义 标 准 , 而 EPISUITE 4.0 模 型 和 TOXTREE2.1模型都是采纳欧盟REACH法规的筛选标准。2,3',4- Trichlorobiphenyl(CAS :55712-37-3)物质,在美国EPA、欧盟 REACH法规以及联合国斯德哥尔摩公约标准下,都属于持久性物 质,但若在加拿大CEPA标准下不属于持久性物质。因此,使用 QSAR模型前,一定要明确该物质持久性评估所适用的标准。 判断一个物质是否在环境介质中持久残留,除了测试该物质在环 境介质中的半衰期外,还可以通过其降解性和降解所需时间进行定性 判断。从表3可以看出,PBT profiler模型是基于物质结构,计算出物 质在不同环境介质中的半衰期;TOXTREE2.1模型是基于物质的结 构,运用决策树方法定性判断物质是否具有生物降解性;EPISUITE 4.0 模型是通过判断物质的生物降解性以及降解所需时间进行定性评 估的。三个模型,所预测的结果表现形式不一样,但结论均表明我们 选择的多氯联苯类物质具有持久特性,与《关于持久性有机污染物的 斯德哥尔摩公约》中的结论一致。

4 结论

QSARs作为一种重要的数据获取手段,由于其成本低,周期短, 不需要复杂的实验设备,无环境污染等因素,越来越受到西方发达国 家的重视。但QSARs方法并不是万能的,每个模型都有其适用性,需 要 和 实 验 测 试 数 据 不 断 交 互 验 证 , 才 得 以 发 展 。 PBT profiler,EPISUITE 4.0和TOXTREE2.1,是当前比较常用的预测 物质"持久性"的模型工具,可以用于初步筛选PBT或POP物质。这 三个QSARs模型工具在有机物持久性的预测中表现出了较高的可信 度。在《新化学物质环境管理办法》下,对于管理者而言,可以根据 我国的国情,应用此类模型初步筛选具有持久特性或潜在持久特性的 物质,从而为重点环境管理类物质的筛选提供重要的参考。

参考文献(reference):

[1] 刘建国,唐孝炎,胡建信,持久性生物累积性有毒污染物与国际相关控 制策略和行动[J].环境保护,2003 (4):52-56.

[2] 刘建国,唐孝炎,胡建信,化学品环境管理的原理与制度的框架思考 [J].环境保护,2005 (4):7-10

[3] C.J.van, Leeuwen, T.G. Vermeire, risk assessment of chemicals an introduction 2nd edition [B].

[4] Environmental Canada. Toxic Substances Management Policy. Government of Canada,1995.

[5] US EPA. A Multimedia Strategy for Priority Persistent, Bioaccumulative, and Toxic (PBT) Pollutants, 1998.

[6] 黄相国,邢峰,陈果等, 浅谈我国多氯联苯污染控制现状及对策[J].环 境保护科学,2009,volume35,(6):29-54.

[7] 胡本涛,马丽,刘蕊等, 环境中多氯联苯来源、结构关系与处理方法 [J].化学与黏合, 2009,volume31,(4):44-46.

[8] Tala R. Henry and Michael J. DeVito, NON-DIOXIN- LIKE PCBs: EFFECTS AND CONSIDERATION IN ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT [R]. 2003

[9] 斯德哥尔摩公约.

[10] 刘纯新,杨力,周红等,试论QSAR 技术在中国新化学物质管理决 策中的应用[J].现代化工,2007 volume 27,增(2).

[11] 聂晶磊,刘纯新,高桂华等, 重视QSARs有效性研究,支持我国化学 品行政管理,第五届全国环境化学大会会议论文.

[12] 程艳, 陈会明,于文莲等, QSAR技术对高关注化学物质生态环境 毒理风险预测[J]. 环境科学研究,2009 volume 22(7): 817-822.

[13] Guidance on information requirements and chemical safety assessment, Chapter R11 PBT assessment

[14] Guidance on information requirements and chemical safety assessment, Chapter R6. QSARs and grouping of chemicals.

特约专家


QSARs方法在有机物持久性评估中的应用

李秋菊 Linda 工学硕士 瑞欧首席技术专家
  • 拥有环境工程和化学工程专业背景,在环境保护和人类健康保护方面有多年经验,是中国早期研究欧盟REACH法规专家之一;
  • 主要研究领域是化学品风险评估,包含欧盟REACH法规的CSR、中国新化学物质环境管理办法的新化学物质风险评估,以及中国化妆品新原料安全性评估等。

联系方式:0571-87007571;info@reach24h.cn


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