应用Abraham方程研究二苯甲酮类紫外防晒剂对三种水生生物的毒性

闻 洋，李 琪，鲍文启，勾佳琳，胡梓轩

(吉林师范大学 环境科学与工程学院，吉林 四平 136000)

0 引言

个人护理品(personal care products，PCPs)是一类广泛使用和具有特殊物理化学特性的新型环境污染物，最早由C.G.Daughton于1999年提出，包括了麝香、化妆品、有机紫外防晒剂、杀菌剂等[1].人类在沐浴、洗涤、游泳过程中会直接将个人护理品排入环境，并不经过人体代谢.大部分个人护理品的性质相对稳定，不易于生物降解，因此，现有的城市污水处理厂处理工艺很难将其全部除去.随着经济和社会的发展，个人护理品的产量和用量日趋巨大，并且能够在水环境中持续低浓度地存在，对水生生态系统具有潜在风险，它们对水生生物的毒性应引起广泛的重视.

二苯甲酮类紫外防晒剂作为一类典型的个人护理品，性质非常稳定，已在环境中(河水、湖泊、污水处理厂、海水、沉积物等)被广泛检出，并且残留时间非常长[2-4].已有研究表明二苯甲酮类紫外防晒剂对鱼具有内分泌干扰效应[5-6]，对无脊椎动物、藻类等水生生物具有一定的毒性效应[7-8].发光菌、大型溞和真涡虫作为3种不同的水生生物代表，已被广泛应用于毒理学的研究[9-11]，比较它们的种间差异有助于分析二苯甲酮类紫外防晒剂对不同水生生物的毒性机理.本文收集了13种二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性数据，应用回归分析建立了毒性数据与辛醇/水分配系数、Abraham参数相关方程，并根据Abraham方程的回归系数研究分子体积、极化率和氢键作用对生物毒性的影响，同时根据物种间毒性的相关方程讨论二苯甲酮类紫外防晒剂对水生生物的毒性作用机理.

1 材料与方法

1.1 生物毒性数据

本文所用的生物毒性数据均来自文献[12]，其中包括了13种二苯甲酮类紫外防晒剂对发光菌(P.phosphoreum)、大型溞(D.magna)和真涡虫(D.japonica)的毒性数据，均用半数抑制浓度来表示(pEC50，mol/L)(见表1).

表1 二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性数据及分子描述符Tab.1 Toxicity data to three aquatic organisms and molecular descriptor of benzophenone UV filters

1.2 分子描述符

本文计算了6种分子结构描述符，应用EPI Suite 4.1软件计算了辛醇/水分配系数(logKow)和应用Pharma Algorithms软件计算了Abraham描述符，包括氢键供体酸度(A)、氢键受体碱度(B)、摩尔折射率(E)、极化率(S)和分子体积(V).

1.3 统计分析

应用SPSS 20.0软件对毒性数据和各分子描述符进行一元或多元线性回归分析，每个回归方程的评价指标包括，化合物的数据(n)，决定系数(R2)，标准偏差(S)，Fisher检验值(F).同时使用SPSS 20.0软件对3种水生生物的Abraham模型系数进行主成分分析，用以研究3种水生生物的种间相关性.

2 结果与讨论

2.1 生物毒性与疏水性的相关性

辛醇/水分配系数常用来描述污染物在水相和环境有机相之间的分配行为，是评价化合物在环境中迁移转化能力和生物蓄积性的环境参数.生物毒性与辛醇/水分配系数具有较好的相关性已有研究报道，本文分别对二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性数据与辛醇/水分配系数进行线性回归分析，所建立模型见表2.结果表明，二苯甲酮类紫外防晒剂对大型溞和真涡虫的毒性与辛醇/水分配系数均具有显著的相关性，决定系数均为0.836，但是对发光菌的毒性与辛醇/水分配系数的相关性并不理想，决定系数小于0.4.图1显示了二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性与辛醇/水分配系数的相关性，其中对发光菌的毒性随着辛醇/水分配系数的增加并没有呈现出增加的趋势，毒性值均接近于4.00(除2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸基-二苯甲酮外)，导致其相关性并不理想.二苯甲酮类紫外防晒剂对大型溞和真涡虫的毒性随着辛醇/水分配系数的增加呈现出增加的趋势，与大型溞的毒性模型(表2中模型2)相比，真涡虫的毒性模型(表2中模型3)的斜率要小于大型溞的毒性模型，而截距要大于大型溞的毒性模型，该结果表明对于亲水性化合物来说(logKow<2的化合物)，二苯甲酮类紫外防晒剂对真涡虫的毒性要大于大型溞，而对于疏水性化合物来说(logKow>2的化合物)，对真涡虫的毒性与对大型溞的毒性越来越接近.

表2 生物毒性与辛醇/水分配系数的回归模型Tab.2 Regression models between toxicity and octanol/water partition coefficient

图1 二苯甲酮类紫外防晒剂对不同物种的毒性与辛醇/水分配系数的关系Fig.1 Plot of the toxicity to different species against octanol/water partition coefficient for benzophenone UV filters

2.2 生物毒性与Abraham参数的相关性

辛醇/水分配系数是一个复合参数，利用它很难判断有机污染物与生物受体靶位的作用方式，而线性溶解能关系(linear solvation energy relationship，LSER)可以预测与化学物质过程有关的平衡常数或自由能项.Abraham等进一步发展了LSER理论，提出了六套参数的LSER模型来表征凝聚相-凝聚相分配行为，建立了一个分析有机污染物的物理化学性质的模型[13]：

SP=c+eE+sS+aA+bB+vV.

其中：SP为有机污染物的理化性质或毒性，在本文为半数抑制时，有机污染摩尔浓度的负对数(pEC50，mol/L)；c、e、s、a、b、v为系数，由多元线性回归分析得到；E表示分子摩尔折射率；S表示分子偶极/极化性的参数；A表示分子氢键质子供体能力的参数；B表示分子氢键质子受体能力的参数；V表示McGowan分子体积.

应用Abraham模型分别对3种水生生物的毒性数据进行相关分析，发现二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性数据与Abraham参数具有很好的相关性，决定系数(R2)均大于0.93(见表3).

表3 生物毒性与Abraham参数的回归模型Tab.3 Regression models between toxicity and Abraham parameter

根据Abraham模型的回归系数可以分析二苯甲酮类紫外防晒剂与所研究体系的相互作用.从模型的回归系数可以观察到，对于发光菌、大型溞和真涡虫来说，方程系数v具有较大的系数值(表3中模型4—6)，说明二苯甲酮类紫外防晒剂的结构和疏水性对生物毒性影响较大，随着疏水性增加，毒性也会呈现增加的趋势.对于发光菌和大型溞来说，二苯甲酮类紫外防晒剂的极性对生物毒性具有较大的贡献，随着极性增加，毒性会呈现出下降的趋势，这说明增加二苯甲酮类紫外防晒剂的极性会导致其在水中的溶解度也增加，进而降低了其与发光菌和大型溞生物受体靶位的相互作用.对于大型溞和真涡虫来说，方程系数b为负值，增加二苯甲酮类紫外防晒剂的氢键受体碱度导致两种水生生物的毒性减少，尤其是真涡虫(见表3中模型5)，这说明和水相比，生物体内形成氢键的能力较弱，导致随着氢键受体碱度的增加，二苯甲酮类紫外防晒剂对大型溞和真涡虫的毒性是降低的.氢键供体酸度的系数(a)均为正值，二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性均随着氢键供体酸度的增加而增加，尤其是真涡虫，同时也说明3种水生生物体系的氢键受体碱度要强于水的碱度.

2.3 种间毒性机理

从二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的Abraham模型的回归系数(表3中模型4—6)可以发现，二苯甲酮类紫外防晒剂对发光菌和大型溞具有相似的毒性作用机理，而与真涡虫具有较大的差异，为了进一步分析二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物毒性机理的差异，对表3中3种水生生物的Abraham模型的回归系数c、e、s、a、b、v进行主成分分析，得到两个主成分(PC1和PC2)，如图2所示.主成分分析表明二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性具有一定的差异性，其中真涡虫与大型溞和发光菌的毒性作用机理具有显著性差异.

图2 主成分分析Fig.2 Principal component analysis

根据主成分分析的结果，对二苯甲酮类紫外防晒剂对不同水生生物的毒性进行了种间相关分析，相关方程见表4.结果表明二苯甲酮类紫外防晒剂对发光菌的毒性与大型溞和真涡虫的毒性相关性均较差(表4中模型7和8)，说明它们之间的毒性机理具有显著性差异，发光菌是浮游生物，有机化合物对发光菌的毒性是抑制参与发光反应的酶类活动或者抑制细胞内与发光反应有关的代谢过程，与大型溞和真涡虫具有完全不同的生理结构，因此导致二苯甲酮类紫外防晒剂对发光菌的毒性与其他两种水生生物具有显著性的差异.表4中模型9表明二苯甲酮类紫外防晒剂对真涡虫和大型溞的毒性具有一定的相关性，与文献中报道的相一致[12]，但是主成分分析显示二者的毒性作用机理仍具有一定的差异.分析真涡虫和大型溞的毒性数据发现，羟基取代的二苯甲酮类紫外防晒剂对真涡虫的毒性要明显高于对大型溞的毒性，解释了为什么二苯甲酮类紫外防晒剂对真涡虫的毒性与大型溞毒性有一定的相关性，但相关性并不理想.

表4 种间相关模型Tab.4 Models for interspecies correlation

3 结论

研究二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性数据与辛醇/水分配系数的相关性发现大型溞和真涡虫的毒性与辛醇/水分配系数具有显著的相关性，而发光菌的毒性与辛醇/水分配系数的拟合结果较差.Abraham模型的结果表明，对于发光菌、大型溞和真涡虫，二苯甲酮类紫外防晒剂的分子体积对水生生物的毒性影响较大，增加化合物的疏水性可以显著地增加其毒性；对于发光菌和大型溞，二苯甲酮类紫外防晒剂的分子极性对生物毒性的影响也很大，降低了二苯甲酮类紫外防晒剂与发光菌和大型溞生物受体靶位的相互作用；对于大型溞和真涡虫，生物体系与水相比较，形成氢键的能力较弱；氢键供体酸度的系数均为正值，说明了3种水生生物体系的氢键受体碱度要强于水的碱度.二苯甲酮类紫外防晒剂对3种水生生物的毒性具有一定的种间差异性，大型溞的毒性和真涡虫的毒性具有一定的相关性，但是结果不理想，羟基取代的二苯甲酮类紫外防晒剂真涡虫的毒性要明显高于大型溞的毒性，发光菌与大型溞、真涡虫的毒性机理具有显著性差异.