3种离子液体与甲霜灵二元混合物的联合毒性

王成林 ,张 瑾 ,刘树深 *,刘海玲 (.同济大学环境科学与工程学院,长江水环境教育部重点实验室,上海0009；.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 0009)

3种离子液体与甲霜灵二元混合物的联合毒性

王成林1,张 瑾1,刘树深1*,刘海玲2(1.同济大学环境科学与工程学院,长江水环境教育部重点实验室,上海200092；2.同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092)

选择3种咪唑类离子液体(ILs): C10H19ClN2(IL1), C12H23ClN2(IL2), C16H31ClN2(IL3)和一种杀菌剂甲霜灵(MET)为混合物组分,以直接均分射线法构建3组二元混合物体系:MET-IL1, MET-IL2和MET-IL3. 应用微板毒性分析法(MTA)测定二元混合物对青海弧菌Q67 (Vibrio qinghaiensis sp.–Q67)的联合毒性.通过比较实验毒性数据与浓度加和(CA)参考模型分析混合物的毒性相互作用,并利用半数效应浓度(EC50)水平下的等效线图分析毒性变化规律.结果表明 3组二元混合物的相互作用明显不同.在 MET-IL1和 MET-IL2 2组二元体系中,MET浓度比例越高,拮抗作用越明显;在MET-IL3二元体系中,随着MET浓度比例的减小,MET与IL3的相互作用由加和变为协同,并且MET比例越小,协同作用越明显.

离子液体(ILs)；甲霜灵；二元混合物；协同；拮抗；联合毒性

离子液体(ILs)是一类在室温下具有蒸汽压低、不易燃、不挥发、不污染大气等优良特性的有机液态盐[1-2].因而, ILs被作为一种“绿色”溶剂取代传统的有机溶剂而广泛应用于合成、提取、催化等化工领域中[3].有关 ILs的毒性研究,目前的研究工作主要集中在以下两个问题:一是 ILs对生态系统中各类生物的毒性作用情况;二是ILs的各部分组成对 ILs毒性的影响[4-6].尽管多种 ILs对水生生物的毒性效应已有报道,然而水环境中与ILs共存的其他污染物对ILs的毒性有何影响或 ILs与这些污染物共存时毒性如何变化却很少报道.本课题组曾就 ILs与农药二元混合物对Q67的发光抑制毒性做过初步研究[7],发现有些ILs对农药产生拮抗或者协同作用.

本文选择了 3种结构相似的咪唑类 ILs:1-己基-3-甲基咪唑氯盐(IL1),1-辛基-3-甲基咪唑氯盐(IL2),1-十二烷基-3-甲基咪唑氯盐(IL3)和一种酰苯胺类高效内吸性杀菌剂甲霜灵(MET)[8]为混合物组分,应用直接均分射线法(EquRay)[9]构建了3组二元混合物:MET-IL1、MET-IL2和MET-IL3;以青海弧菌Q67为检测生物,应用微板毒性分析法(MTA)[10]测定这 4个组分及其二元混合物(15组)的浓度-效应数据,结合基于浓度加和(CA)参考模型下的二元混合物等效线图,分析各组二元混合物的毒性效应变化,以期为 ILs与其他污染物的相互作用提供参考.

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

PowerWave微孔板分光光度计(美国BIO-TEK公司);实验所用菌种为青海弧菌 Q67 (Vibrio qinghaiense sp.–Q67),购自北京滨松光子技术股份有限公司;3种ILs全部购自德国Merck公司,甲霜灵(MET)购自德国 Dr Ehrenstorfer GmbH公司,它们的基本信息见表1.

表1 3种咪唑类离子液体和甲霜灵的基本性质及EC50Table 1 The properties and median effective concentrations (EC50) of ILs and MET

1.2 毒性测试与浓度-效应曲线拟合

发光菌Q67的培养方法,毒物对Q67发光抑制率采用微板毒性分析法(MTA)测定[10].单个化合物或混合物对发光菌的浓度-响应曲线(CRC)非线性模拟参照文献[11]进行.

1.3 混合物设计方法

为系统考察混合物的毒性变化规律,对每组二元混合物采用直接均分射线法[9]设计5条具有不同浓度比(pi, i=1,2,3,4,5)的混合物射线(Ri),每条射线安排12个浓度点(表2).

1.4 混合物毒性相互作用分析

以 CA模型为加和参考模型,从整个混合物的CRC曲线分析比较不同浓度范围内的毒性相互作用,如观测毒性符合加和参考模型预测毒性的为加和作用,大于加和参考模型预测毒性的为协同作用,小于加和参考模型预测毒性的为拮抗作用.

CA模型公式表达为[12-13]:

式中: ci表示混合物中产生某一效应x%时组分i的浓度, ECx,i表示混合物中第i个化合物单独存在时所产生的效应与混合物总效应x%相同时的浓度.

等效线图[14]以直角坐标系统表达二元混合物在某个效应(如半数效应等)时各混合物组分的浓度分布,以加和参考模型预测线为基础分析混合物的联合作用类型(加和、协同或拮抗).

2 结果与讨论

2.1 3种ILs与MET对Q67的毒性

通过MTA法测得的3种咪唑类ILs和甲霜灵(MET)对Q67的浓度-效应关系如图1,对4种物质均采用Logit函数[6]拟合,其相关参数及根据拟合曲线得到的EC50值见表1.结果表明,3种ILs对Q67的毒性具有烷基链越长,其毒性越大的规律,这也与文献[6,15]中报道的结果吻合.

2.2 混合物的浓度-效应分析

通过MTA法测得的MET-IL1,MET-IL2和MET-IL3等二元混合物射线(共 15条)的浓度-效应数据点及拟合曲线如图 2,其相关参数见表2.为更好地比较不同浓度配比(pi)下二元混合体系的拟合浓度-效应曲线,在拟合误差没有显著性差异的情况下,对所有的二元混合物体系采用相同的拟合函数.由表2可知,MET-IL1, METIL2和MET-IL3的所有混合物射线均可用Logit函数拟合.所有混合物射线的 R均大于 0.994, RMSE均在 0.034以下,说明拟合具有显著的统计意义.

图1 3种ILs和MET的浓度-效应关系Fig.1 The concentration-response data and fitted curves of three ILs and MET

表2 3组二元混合物的浓度比和拟合CRC模型Table 2 The concentration ratios and fitted CRC models of three binary mixture rays

以 CA为加和参考模型,如果实验拟合效应高于、等于与低于 CA预测效应,则混合物呈协同、加和与拮抗作用.从图2可知,在不同的浓度配比下,拟合的CRC偏离CA模型预测线的程度不同,即相互作用不同.在 MET-IL1二元混合物中,4条射线(MET-IL1-R1, MET-IL1-R2,METIL1-R3和MET-IL1-R4)在整个CRC范围内,均表现出拮抗作用,而MET-IL1-R5则表现为低浓度和高浓度呈加和作用,其余浓度范围内呈拮抗作用.在 MET-IL2二元混合物中,4条射线(MET-IL2-R1,MET-IL2-R2,MET-IL2-R3 和MET-IL2-R4)也表现出较明显的拮抗作用, MET-IL2-R5则表现出加和作用.在MET-IL3二元混合物中,2条射线(MET-IL3-R1, METIL3-R2)表现出加和作用,而另外 3条射线(MET-IL3-R3,MET-IL3-R4和MET-IL3-R5)则表现为明显协同作用.

由上述结果可知,在MET-IL1和MET-IL2两组二元体系中,MET所占的浓度比例越大,即IL的浓度比例越小,MET与IL的拮抗作用越明显.在MET-IL3的二元混合物体系中,随着IL的浓度比例的增加,MET与IL的相互作用由加和变为协同作用.

2.3 等效线图评价混合物的毒性效应

从图3中可以看出,在不同浓度配比下,ILs与MET的相互作用呈明显不同.这种现象文献中也曾报道过,即2种药物以一种比例混合时表现为相加,而以另一种比例混合时表现为协同或拮抗[16].从图3中可以看出,随着 ILs浓度的增加,MET与IL1,MET与IL2的相互作用表现为拮抗作用逐渐减弱,MET与IL3的相互作用则是由加和变为协同.

3 结论

3.1 不同烷基链的3种咪唑类ILs(C10H19ClN2, C12H23ClN2和C16H31ClN2)对发光菌Q67的发光抑制毒性具有烷基链越长其毒性越大的规律.

3.2 不同浓度比例下, IL与MET的相互作用会明显不同,在 MET-C10H19ClN2和 METC12H23ClN2两组二元体系中,MET浓度比例越高,拮抗作用越明显,在 MET-C16H31ClN2二元体系中,随着 MET浓度比例的减小,MET与 C16H31ClN2的相互作用由加和变为协同,并且 MET比例越小,协同作用越明显.

图2 3组二元混合物5种浓度配比下的浓度-效应曲线Fig.2 The concentration-response relationship of 15 mixture rays for three sets of binary mixtures

图3 3组二元混合物半数效应浓度水平下的等效线Fig.3 Isobolograms of binary mixtures at the median effect concentration (EC50) levels

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Joint toxicities of three binary mixture between metalaxyl and ionic liquid.

WANG Cheng-lin1, ZHANG Jin1, LIU Shu-shen1*, LIU Hai-ling2(1.Key Laboratory of Yangtze River Water Environment, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2012,32(11)：2090～2094

Selecting three imidazolium-based ionic liquids (ILs), C10H19ClN2(IL1), C12H23ClN2(IL2), and C16H31ClN2(IL3), and metalaxyl (MET) as the mixture components, three groups of binary mixture, MET-IL1, MET -IL2, and MET-IL3, were designed by using the direct equipartition ray design procedure. The toxicities of the individual chemicals and binary mixtures to Vibrio qinghaiensis sp.–Q67 were determined by the microplate toxicity analysis (MTA). The toxicity interaction was evaluated by comparing the toxicity observed to that predicted by the concentration addition (CA) model and employing the isobologram at median effect concentration (EC50). The toxicity interactions of three groups of binary mixtures were significantly different. In the binary mixtures of MET-IL1 and MET-IL2, the higher the concentration ratio of MET was, the more obvious the antagonism. However, the toxicity interaction in the MET-IL3 mixtures was additive for the high concentration ratio of MET and synergistic for the low concentration ratio of MET. The lower the ratio of MET was, the stronger the synergistic action was.

ionic liquids (ILs)；metalaxyl；binary mixture；synergism；antagonism；joint toxicities

2012-03-13

国家自然科学基金资助项目(20977065, 21177097)

* 责任作者, 教授, ssliuhl@263.net

X503.225

A

1000-6923(2012)11-2090-05

王成林(1987-),男,河南郑州人,同济大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事混合污染物毒理研究.发表论文1篇.