全 文 ：第 19卷第 4期
1998年 7月
环　　境　　科　　学
ENV IRONM EN TAL SCIEN CE
Vol. 19, No. 4
Jul. , 1998
偶氮染料对斜生栅藻的毒性作用及
结构活性相关性研究*
孙红文　黄国兰　王春节　宋文华
(南开大学环境科学系 ,天津　 300071　 E-mai l: sunh ong @ pub lic. tju e. com. cn)
摘要　为了揭示不同结构染料对水生生态系统的毒性作用 ,研究 9种偶氮类及 2种蒽醌类染料对斜生栅藻 ( Scenedesmus
obliquus )的生长抑制作用 ,并通过剖析毒性与结构之间的相关关系 ,探讨了偶氮染料的毒作用机理 . 11种染料对斜生栅藻的 48h
EC50在 1. 09— 41. 22mg L- 1之间 .偶氮染料分子中所包含偶氮键的个数及芳香环上取代基的亲水性和电性均影响染料的毒性 .
进一步证实偶氮染料的毒作用机理为 N N键还原为— N H2后 ,形成 N 离子活性形式与生物大分子发生结合 .
关键词　偶氮染料 ,斜生栅藻 ,生长抑制 ,结构活性 ,相关性 .
* 　国家自然科学基金和天津二十一世纪青年基金资助项目
( Project Suppor ted by Nat ional Natu ral Science Founda-
tion of Ch ina and Science Committee of Tianjin )孙红文:女 , 30岁 ,博士 ,副教授
收稿日期: 1997-12-26
Toxic Effect of Azo Dyes to Scenedesmus obliquus and
Relationship between Structure and Activity
Sun Hongw en　 Huang Guo lan　Wang Chunjie　 Song Wenhua
( Department of Envi ronmen tal Science, Nankai University, Tianjin 300071 E-mai l: su nh ong @ public. tju e. com. cn)
Abstract　 In order to disclose the toxic ef fect of st ructural ly dif ferent dyes on aquatic ecosy s-
tem, inhibi tion on th e g row th o f green algae Scenedesmus obl iquus of nine azo dyes and tw o an-
thraquinone dyes wa s studied. The mechanism of toxic effect wa s discussed by analyzing the re-
lationship betw een to xici ty and st ructure. 48h EC50 of the 11dyes w as between 1. 09— 41. 22mg
L- 1 . The number of N N in an a zo molecule and the hydrophi lici ty and the elect ronic property
o f substituted g roups can affect the toxicity of azo dyes. The tox ici ty mechanism w as further
confirmed that N N is fi rst reduced to— N H2 and then activa ted to N ion w hich is the ac-
tiv e form and combine wi th biomacromo lecules.
Keywords　 azo dyes, Scenedesmus obliquus , inhibition o f g row th, st ructure-activ ity, relation-
ship.
　　目前染料的品种和数量不断增加 ,对水生
生态系统产生严重影响 [1 ] .单细胞藻类是整个
水生生态系统的基础 ,它本身易受染料的毒害 ,
并可通过食物链将染料传递给整个生态系统 ,
且目前发现藻类对偶氮染料有一定的降解作
用 [2 ] .最近 Greene J. C.等研究了 46种染料 ( 44
种阴离子染料和 2种阳离子染料 )对淡水绿藻
Selenastrum capricornutum的 96h生长抑制作
用 . 2种阳离子染料的 EC50小于 1mg L- 1;而阴
离子染料的 EC50均大于 1mg L- 1 [3 ] .
目前对偶氮染料毒作用的研究主要集中在
其对细菌和哺乳动物的致突变性和致癌性等方
面 [4, 5 ] .关于其对藻类的毒性研究的不多 .刘金
齐等 [6 ]曾研究了 2种偶氮染料铬蓝 CE和铬黑
T对小球藻的毒性影响 . 2种偶氮染料对小球藻
的生长分裂 ,光合作用及 ATP酶均有一定程
DOI : 10. 13227 /j . hjkx. 1998. 04. 006
度影响 .本研究选定常见的淡水绿藻斜生栅藻
(Scenedesmus obliquus )作为受试生物 ,研究了
11种不同结构的染料对其 48h生长抑制作用 ,
通过剖析毒性大小与分子结构之间的相关关
系 ,探讨了偶氮染料的毒性作用机理 .
1　材料与方法
1. 1　实验生物
纯种斜生栅藻 ( Scenedesmus obliquus )由中
国科学院武汉水生生物研究所提供 .在无菌操
作下由固体培养基上将藻种转移至水生四号培
养液中逐步扩大培养 .
1. 2　化学药品
本实验所选用的 11种染料为:酸性橙Ⅱ ,直
接湖蓝 5B,碱性艳蓝 BO,酸性黑 10B,活性艳蓝
KNR,直接黄 R,直接深棕 NM ,直接耐晒黑 G,
酸性媒介红 B,活性艳蓝 K-2BP,直接橙 S.所
用染料均为工业品 ,未经纯化 .实验前用水生四
号培养液配制成 1000mg L- 1储备液 .
1. 3　染料对斜生栅藻生长抑制试验
试验在 250ml锥形瓶中进行 ,试验液为含
有一定浓度染料的水生四号培养液 ,用无菌膜
封口 .高压灭菌并冷却后 ,接种处于对数生长期
的纯种斜生栅藻 ,使试验液总体积为 50m l,藻
种初始密度 45— 55万个 ml- 1 .
其它实验条件为温度 25± 0. 60℃ ;光照强
度为 4000lx;光暗周期为 12h光照 , 12h黑暗 ,并
在光照期间每隔 3h摇瓶充气 .实验进行 48h,在
0h、 24h、 48h分别对试验液中的藻进行观察和
计数 .首先进行预备试验 ,染料浓度分别为 0、 1、
10、 100、 500、 800mg L- 1 ,找出最小完全抑制浓
度和最大完全不抑制浓度 .然后按等对数间隔
取 6个浓度 , 1个对照做正式实验 ,每个浓度做 2
个平行 .可根据下列公式求出不同浓度染料中
斜生栅藻的生长率 R和生长受抑制率 PI:
R = ln (N t /N 0 ) /t ( 1)
P I = ( R0 - Rx ) /R0 ( 2)
式中 N t和 N 0分别为 t时刻和 0时刻藻的密度 , t
为时间 , R0和 Rx分别为染料浓度为 0和 x 时藻
的生长率 .
2　结果与讨论
2. 1　染料对斜生栅藻的生长抑制
图 1为不同浓度直接橙Ⅱ 中斜生栅藻的
48h生长曲线 .随着染料浓度的增加 ,其对斜生
栅藻的生长抑制作用明显增强 ,至 260mg L- 1
时 ,斜生栅藻的生长基本停止 .
图 1　不同浓度直接橙Ⅱ中斜生栅藻的 48h生长曲线
a. 0mg L- 1　　 b. 10mg L- 1　　 c. 20mg L- 1
d. 35mg L- 1 e. 135mg L- 1 f . 260mg L- 1
不同浓度直接橙Ⅱ中斜生栅藻的生长率 R
及生长受抑制率 PI列于表 1. PI对 lg c进行一
元线性回归得方程 (式 3) ,并可求得生长半数抑
制有效浓度 EC50和毒性值 T .
PI = 53. 65lg c - 31. 42　　　 ( 3)
r = 0. 9590　 EC50 = 32. 93mg L- 1
T = MW /EC50 = 10. 64L mmo l- 1
表 1　不同浓度直接橙Ⅱ中斜生栅藻的生长率 R
及生长受抑制率 PI
浓度 /mg L- 1 0 10 20 35 135 260
R /个 ml- 1 h- 1 231 196 150 75 42 15
P I× 100 0 15. 15 35. 06 67. 53 81. 81 93. 51
　　其它染料对斜生栅藻的生长抑制作用大致
相同 .按上述方法计算出毒性值 T在 10. 64—
436. 75L mmol- 1之间 (表 2) ,相差几十倍 .图 2
为不同结构染料对斜生栅藻的生长抑制毒性比
较框图 .从图 2中可见 ,不同结构的偶氮染料毒
性相差很大 .根据毒性值大小 ,可将 11种染料分
为 5组 .第Ⅰ 组毒性最大 ,只包含一个染料碱性
艳蓝 BO,它是唯一一个在分子结构中包含 N
离子的染料 .第Ⅱ组化合物毒性较大 ,其中直
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接耐晒黑 G含有 4个偶氮键 ,而酸性黑 10B只
包含 2个偶氮键 ,但其芳香环上有强吸电子取代
基— NO2 . 第 Ⅲ 组 的 4个 化 合 物 均 包
含 2个偶氮键 ,组内毒性的差异与染料中亲水
表 2　 11种染料分子结构及 EC50和 T值
编号 名　称 结　　构 EC50
/mg L- 1
T
/L mmol- 1
1 碱性艳蓝 BO C2H5N H
N( C2 H5 ) 2
N
+
( C2H5 ) 2
　　　　　　　　　 Cl- 1. 09 436. 75
2 直接耐晒黑 G H2N
NH2
N N N N
NaO3 S
NH2OH
SO3Na
N N N N
H2N
N H2 4. 66 180. 22
3 酸性黑 10B O 2N N N
NaO3 S
NH2 OH
SO3Na
N N 3. 51 175. 50
4 直接深棕 NM HO
NaOOC
N = N N HCO N = N
NaO3 S
OH
N H2
8. 37 80. 05
5 直接橙 S N = N
NaO 3 S
O H
N HCON H
O H
N = N
SO3Na
13. 61 55. 57
6 直接湖蓝 5B
NaO3 S
NH2O H
N = N
CH3O OCH3
N = N
NaO3 S
O HNH2
SO 3SO Na3Na
18. 24 54. 36
7
活性艳蓝
K-2BP
SO 3Na
N N
NaO 3S
OH
SO3Na
N H
N
N N
Cl
N H
Cl
16. 27 49. 69
8 直接黄 R
- CH = CH
NaO3 S
N = N
O SO3Na
CH= CH
NaO 3 S
NO2
33. 79 12. 61
9 酸性橙Ⅱ NaO3 S N = N
HO
32. 93 10. 64
10 酸性媒介红 B
O
O O H
OH
15. 05 15. 96
11 活性艳蓝 KNR
O
O
N H
SO 2CH2CH2OSO 3Na
N H2
SO3Na
41. 22 15. 19
24 环　　境　　科　　学 19卷
图 2　 11种染料毒性值比较 (染料的编号与表 2中一致 )
基团— SO3Na、— OH、— COONa的多少相关 .
第Ⅳ组染料只含有 1个偶氮键 ,毒性较小 .第Ⅴ
组为 2个蒽醌类染料 ,其毒性与第Ⅳ组相当 .可
见染料分子结构中是否含有 N 离子及 N N
键个数是决定染料毒性的关键因素 ,芳香环上
取代基的电性和亲水性也影响其毒性 .
2. 2　偶氮染料对藻类的毒性作用机理
偶氮染料致毒的致癌和致突变分子水平研
究表明 [7, 8 ] ,偶氮染料可以分为 3类 ,第一类偶氮
染料的毒性来自于芳香胺的毒性 ,偶氮染料在
生物体内首先还原为相应的芳香胺 ,并遵循芳
香胺体内活化机制 ,最终形成 N 离子活性形
式 .第二类偶氮染料不需 N N键还原 ,本身
具有直接毒性 .第三类偶氮染料含有较多的
— SO3Na等亲水基团 ,易被排出体外 ,毒性较
小 .笔者通过对偶氮染料毒性与其分子结构相
关关系的分析 ,认为偶氮染料对藻类的毒作用
机理与其致癌致突变机理相似 ,毒性作用发生
需经 2步:首先染料由水环境进入藻体内 ,具有
较多亲水基团的染料不易进入藻细胞 ,因而具
有较小的毒性 .第二步偶氮染料在藻细胞内 ,偶
氮键首先被还原为— N H2后 ,再形成 N 离子
活性形式与生物大分子的电负中心 (如 DNA
碱基中的 N、 O及蛋白质中的— SH、— OH和
咪脞基等 )发生结合 ,使其丧失其应有的功能 .
如果偶氮染料分子结构中含有 N 离子 ,不需
体内活化 ,直接发生毒性作用 ,则会表现出较大
的毒性 .像碱性艳蓝 BO一类的碱性染料分子结
构中都含 N 离子 ,具有较大的毒性 .其它的偶
氮染料分子所形成 N 离子的数目越多 ,正电
荷密度越高 ,毒性则越大 .
3　结语
偶氮染料和蒽醌类染料对斜生栅藻
( Scenedesmus obliquus )有一定的毒性作用 , 48h
EC50在 1. 09— 41. 22mg L- 1之间 .毒性值随分
子结构不同而发生变化 .偶氮染料对藻类的毒
作用机理为 N N键还原为— NH2后 ,再形成
N 离子活性形式 ,最终与生物大分子发生结
合 .所以一个偶氮染料分子越易产生 N 离子 ,
产生 N 离子越多 ,且所产生 N 离子正电荷
密度越高 ,其生物毒性往往越大 .另外芳香环上
取代基的亲水性对染料的毒性也有一定影响 ,
亲水基团越多 ,生物毒性越低 .目前偶氮染料生
产向具有多个偶氮键的趋势发展 ,因而生物毒
性更大 ,对水生生态系统的危害越大 .
参 考 文 献
1　朱乐辉 ,蒋展鹏 .染料废水及治理 .环境开发 , 1994, 9 ( 3):
321
2　刘厚田等 .藻菌系统降解偶氮染料的机理研究 .环境科学
学报 , 1993, 13( 3): 332
3　 Greene J C, Baughman G L. Toxic Ef fects of 46 dyes on
population of f reshw ater green alga Selenastrum capr icor-
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4　 Kau r A et al. . Screening of azo d yes for mu tagenicity w i th
Ames /Salmonel la as say. Envi ron. Mol. Mu tagen, 1993, 22
( 3): 188
5　 Sob ti R C et al. . Evaluation of genotoxicity of cer tain azo
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sis ter ch romatid exchanges and sperm head abno rmali ty
as says. Med. Sci. Res. , 1992, 20( 10): 373
6　刘金齐 ,刘厚田 .偶氮染料对小球藻的毒性研究 .环境科学
研究 , 1993, 3( 4): 23
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