全 文 ：第 34 卷　第 2 期 河南师范大学学报(自然科学版) Vol . 34　No. 2
　2006 年 5 月 J ournal of Henan Normal University (Natural S cience) May. 2006　
　　文章编号:1000 - 2367(2006)02 - 0071 - 04
烷基酚对斜生栅藻的毒性效应及构效相关研究
赵　丽1 ,邢梦林2 ,常天俊1 ,刘征涛3 ,冯　流4
(1. 河南理工大学 资源与环境工程学院 , 河南 焦作 454100;2. 河南省环境监测中心站 , 郑州 450000;
3. 中国环境科学研究院 ,北京 100012;4. 北京化工大学 化工学院 ,北京 100029)
摘　要:以斜生栅藻细胞的生长状况为指标 ,研究 8 种烷基酚对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)的急性毒性
效应 ,采用 M opac软件 PM3 法计算化合物的多种理化参数 , 运用 SPSS 软件进行相关回归分析 , 对烷基酚类化合物
的 96h EC50进行构效相关研究(QSAR), 并探讨了化合物的生物蓄积性. 研究结果表明:化合物毒性随着烷基碳数的
增多而加强 ,对于同分异构体 , 一般间位取代基的毒性大于邻位取代基的毒性. 化合物的毒性在一定程度上会受到
化合物的立体效应 、电性效应的影响 , 但与亲脂性参数 Kow 呈显著抛物线相关(r=0. 938 , n=8), 对叔丁基酚 、4 -
辛基酚 、4 - 壬基酚能在人类重要的食物链中发生生物蓄积 , 对人类危害较大.
关键词:斜生栅藻;烷基酚;急性毒性;脂溶性
中图分类号:X327　　　　　　　　　　　　　　　　文献标识码:A
烷基酚类化合物广泛应用于工业原料 、消费产品及医药品 ,这类化合物污染广泛 ,可在茶叶 、水果 、蔬菜
和香烟中监测到这些物质[ 1] .近期研究表明 ,该类化合物大多数是环境内分泌干扰物 ,可促使乳房癌细胞活
性化与增殖 ,导致人类生殖缺陷 、发育异常 、致癌[ 2] ,目前对此类化合物的毒理学研究还不多[ 2 - 5] .
本文以标准测试藻种斜生栅藻(Scenedesmus obl iquus)作为测试生物 ,测定了 8种烷基酚的 96h EC50值
并进行了化合物的毒性定量构效相关研究(QSA R研究),从分子结构水平上探讨影响烷基酚类化合物毒性
大小的主要因素 ,这样既可节省实验经费和时间 ,又可对因缺乏条件而无法进行实验测定的化合物进行研
究.这对研究此类化合物在水生生态环境中的迁移 、转化及进行生态风险评价具有重要意义.
1　实验部分
1. 1　实验材料
斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)购自中国科学院武汉水生生物研究所 ,在实验室用新鲜培养基经 2次
无菌转接作为实验用藻. 毒性实验藻细胞的初始浓度为 105个 /mL 左右.
1. 2　受试化合物
受试化合物为:苯酚 、邻甲酚 、间甲酚 、4 -乙基酚 、2 -正丙基酚 、对叔丁基酚 、4 -辛基酚 、4 -壬基酚 , 均
为分析纯.
1. 3　实验用仪器
藻类生长测试箱(AGP - 150RL , Itho Seisakusho);显微镜(Nikon , X2F - Ph - 21 , Japan );电子分析
天平(AE240 , Mettler - to ledo);血球计数板;高压灭菌锅(SM - 52 - 2 , Yamato);照度计(ANA - F9 , To-
kyo Pho to - elICtric);干燥箱(0 ～ 300 ℃, SG82 , Yamato);恒温干燥箱(0 ～ 70 ℃, SOD - 600 ,SIBA TA);
精密 pH 试纸 (北京化工厂);培养用三角瓶 500 mL 若干;10 mL 磨口比色管若干.
收稿日期:2005 - 12 - 17
基金项目:国家科技攻关项目(2003BA614A - 09 - 03)
作者简介:赵　丽(1977 -), 女 ,河南平舆人 , 河南理工大学讲师 ,主要从事环境有机化学研究及环境影响评价.
DOI牶牨牥牣牨牰牫牰牰牤j牣cnki牣牨牥牥牥牠牪牫牰牱牣牪牥牥牰牣牥牪牣牥牨牴
1. 4　实验条件
水质:无菌纯净水 ,采用水生 4号培养基[ 6] ;pH :7. 0 ～ 8. 5;实验温度(24±0. 5) ℃;光照条件:白色荧光
灯 ,均匀光照 , 12(光):12(暗),光强 4 000 lux;连续机械振荡 ,每分钟(100±10)次;实验周期:96 h.
1. 5　藻类生长抑制实验
预实验和正式实验按照《国家环保局化学品测试准则》中的藻类毒性实验方法要求进行[ 7] .
1. 6　数据处理
将化合物浓度与生长抑制百分率作一元线性回归(用 EXCEL 2000做数据处理),求出 EC50值 ,数据见
表 1 ,藻细胞生长抑制百分率的计算参见文献[ 7] .
表 1　8种酚类化合物的 96h时的 EC50及其参数
No. 化合物名称 96hEC50 /(m g L - 1) 95%置信限 /(mg L - 1) logKow MW ΔH f 1X V 2X V μ Ehomo
1 苯酚 407. 67 407. 67±15. 34 1. 460 94. 113 - 100. 936 2. 134 1. 336 1. 913 - 9. 584
2 邻甲酚 272. 54 272. 54±7. 01 1. 340 108. 140 - 135. 202 2. 551 1. 787 1. 955 - 9. 504
3 间甲酚 235. 51 235. 51±9. 17 1. 980 108. 140 - 139. 679 2. 546 1. 838 2. 052 - 9. 543
4 4-乙基酚 62. 65 62. 65±7. 74 2. 500 122. 166 - 155. 975 3. 252 2. 189 1. 972 - 9. 418
5 2- 正丙基酚 24. 32 24. 32±5. 86 2. 947 136. 193 - 155. 718 3. 495 2. 714 1. 942 - 9. 465
6 对叔丁基酚 16. 95 16. 95±5. 73 3. 640 150. 220 - 184. 083 3. 796 3. 300 1. 996 - 9. 444
7 4-辛基酚 6. 77 6. 77±0. 97 5. 680 206. 327 - 266. 069 6. 106 4. 184 1. 855 - 9. 185
8 4-壬基酚 6. 05 6. 05±0. 43 6. 210 220. 354 - 235. 377 6. 606 4. 538 1. 916 - 9. 363
2　QSA R模型参数计算
用Mopac软件 PM 3法计算得到化合物的分子偶极距μ、分子最高占有轨道能 Ehomo 、ΔH f 和疏水性参数
logKow;并依据文献[ 8]的方法计算了一级价键连接指数1 X V 和二级价键连接指数2 X V . 参数计算结果见
表 1.采用多元线性回归法用 SPSS 11. 0版统计软件进行数据处理. 回归方程的优劣由方程显著性检验(复
相关系数 r表示)及 F 检验来进行评价 ,具体评价标准可参考文献[ 9] .
3　结果与讨论
3. 1　实验质量控制
《国家环保局化学品测试准则》规定了藻类急性毒性实验的质量控制要求:要求 3 d内 ,空白对照藻类增
长要达到 16倍;浓度设置应做到 ,在某一浓度下实验组与对照组相比 ,生长率没有显著下降 ,而另一浓度
96 h的生长抑制应高于 50%.根据实验结果 ,实验用藻 3 d内增长超过 16倍 ,符合实验要求 ,实验期间空白
对照组和助溶剂对照组藻类生长均表现正常 ,助溶剂不会对实验结果造成干扰.
3. 2　实验结果
在预实验的基础上进行正式实验 , 数据处理中分别计算每一个平行组 EC50值后 ,将两个数据求平均 ,最
终获得整个实验的 96h EC50值(表 1),所有数据小数点后均保留两位有效数字 ,其中:
Kow :辛醇-水分配系数.
EC50 :使藻类生长或生长率比对照下降 50%时的受试物浓度 ,单位 mg /L.
实验结果显示 ,随着化合物烷烃取代基碳数的增多 ,其抑制斜生栅藻生长的作用越强 ,其相应的 EC50值
就越小 ,这还与化合物的脂溶性有关.若化合物的 Kow 值小 ,则表明该物质在水中的溶解度比较大 ,此时物
质比较难以进入或者穿过类脂膜或者积累于脂肪中.如果 Kow 值比较大 ,则表明该种物质的脂溶性比较大 ,
就越容易穿过生物细胞膜进入生物体内[ 10] . 而藻细胞的细胞壁由磷脂膜构成 ,化合物能否穿过细胞壁进入
藻细胞体内与其发生作用及作用的大小显然与物质的脂溶性直接相关. 从表 1 中的数据可以看到 , Kow 值
随着化合物分子量的增大逐渐增大 ,测得的 EC50值逐渐减小 ,实际与理论变化趋势相符.
72 河南师范大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　2006 年
对于同分异构体 ,取代基的位置会影响化合物的毒性 ,一般间位取代基的毒性大于邻位取代基的毒性 ,
这与分子极性 、氢键大小相关[ 8] ,但也需要更多的数据来证实. 本实验中测得间甲酚的毒性大于邻甲酚的毒
性 ,符合这个规律 ,并随它们的 Kow 值的增大而增大.
3. 3　酚类化合物的 QSA R研究
以化合物的 96h EC50值为因变量 ,选取化合物的结果参数 MW 、ΔH f 、lo gKow 、1 X V 和2 X V 、μ、Ehomo分别
为自变量进行线性回归 ,得到 QSA R(1)～ (7),详见表 2.
表 2　酚类化合物的 QSA R模型
96h EC50= - 63. 99 logKow+335. 09 (1)
n=8　　r=0. 765　　s=0. 516　　F=8. 451
96h EC50= - 2. 50 M W+486. 51 (5)
n=8　　r=0. 755　　s=0. 499　　F=7. 971
96h EC50= - 923. 92 Ehomo - 8 591. 08 (2)
n=8　　r=0. 740　　s=0. 472　　F=7. 262
96h EC50= - 68. 51+390. 13 (6)
n=8　　r=0. 739　　s=0. 470　　F=7. 211
96h EC50= - 108. 55 +426. 02 (3)
n=8　　r=0. 823　　s=0. 629　　F=12. 581
96h EC50=451. 499μ- 751. 38 (7)
n=8　　r=0. 173　　s=- 0. 132　　F=0. 184
96h EC50=2. 212+508. 651 (4)
n=8　　r=0. 783　　s=0. 548　　F=9. 482
96h EC50=35. 827(logKow)2 - 335. 94logKow+732. 8 (8)
n=8　　r=0. 938　　s=0. 324　　F=18. 20
　　由 QSA R(3)和(6)的回归结果可知 , 2 X V 要比1X V 与 96h EC50相关性显著 ,这是由于2 X V 包含有更多的
有关化合物分子结构上的分枝信息 ,且能反映化合物官能
团的特征 ,而一级连接指数则只包含了更多的原子数方面
的信息未能反映出官能团的特征 ,而烷基酚类化合物的毒
性在很大程度上由羟基(—OH)官能团的性质 、烷烃取代
基的个数 、链的长短及其位置所决定 ,因此从理论上推
断2 X V 更能反映出化合物分子结构的不同 ,从而会与
logKow 有很好的相关性 ,回归统计分析结果也证实了这
点.模型(1)(2)(4)(5)(7)的回归结果显示 MW 、ΔH f 、
logKow 、1X V 和2 X V 、Ehomo与 96h EC50相关性一般(r 值在
0. 73 ～ 0. 83之间),这说明酚类化合物的毒性在一定程度
上会受到化合物的立体效应 、电性效应和亲脂性参数的影
响 ,但影响不显著.
当将 96h EC50与 logKow 进行相关研究时 ,得到最优
模型 QSA R(8),相关系数 r 为 0. 938 ,它表示出化合物的生物毒性与化合物的亲脂性参数 Kow 呈抛物线关
系(图 1):即随着 Kow 的不断增大 ,化合物抑制藻类细胞生长的 96h EC50先随着化合物 Kow 值的增大而减
小 ,达到一个极小值后又随着 Kow 值的增大而增大.
3. 4　生物蓄积性
化学品能否在人类重要的食物链中发生生物蓄积 ,按《国际化学品安全卡手册》中暂定使用标准进行判
断:辛醇 /水分配系数的对数值(lo gKow) ≥3. 0.因此对叔丁基酚 、4 - 辛基酚 、4 -壬基酚易于在人类重要的
食物链中发生生物蓄积 ,对人类及其它生物危害比较大.尤其是 4 -辛基酚和 4 -壬基酚 ,近期研究表明它们
是环境内分泌干扰物 ,雌激素活性很高 ,可促使乳房癌细胞活性化与增殖[ 2] .
4　结　论
(1)参考《国家环保局化学品测试准则》(1990),以 OECD 规定的标准测试藻种斜生栅藻(Scenedesmus
obliquus)作为测试生物 ,在相对无菌条件下 ,通过试验和数据处理得到了 8种烷基酚的 96h EC50值 ,并计算
了96 h EC50的 95%置信限.化合物毒性大小依次为:4 -壬基酚>4 - 辛基酚>对叔丁基酚>2 -正丙基酚>
4 -乙基酚>间甲酚>邻甲酚>苯酚 ,其毒性随着烷基碳数的增多而加强 ,随着代表化合物脂溶性的 Kow 值
的增大而增强;对于同分异构体 ,取代基的位置也影响化合物的毒性 ,一般间位取代基的毒性大于邻位取代
73第 2 期　　　　　　　　　　　　　赵　丽等:烷基酚对斜生栅藻的毒性效应及构效相关研究
基的毒性.
(2)酚类化合物的 QSAR研究结果表明 ,酚类化合物的毒性在一定程度上会受到化合物的立体效应 、电
性效应和亲脂性参数的影响 ,并得到最优 QSA R模型:
96h EC50 =35. 827(logKow)2 - 335. 94logKow +732. 8
n=8　　r=0. 938　　s=0. 324　　F=18. 20
模型表明酚类化合物的毒性与其亲脂性参数 Kow 呈抛物线关系:即随着 Kow 的不断增大 ,化合物抑制
藻类细胞生长的 96h EC50先随着化合物 Kow 值的增大而减小 ,达到一个极小值后又随着 Kow 值的增大而
增大.
(3)由 Kow 值及实验结果判定对叔丁基酚 、4 - 辛基酚 、4 - 壬基酚能在人类重要的食物链中发生生物
蓄积 ,对人类危害比较大.
参　考　文　献
[ 1] 　 Carr J Smith , Thomas A Pe rfetti , Michael J Mo rton , et al. The Relative Toxicity of Substituted Phenols Repo rted in Ciga-
rette Mainstream Smoke[ J] . T oxicological Science s , 2002 , 69 (2) :265 - 278.
[ 2] 　孔立伟 , 吴　笛 ,曲荧荧 , 等.彗星试验检测酚类化合物对小鼠脾脏细胞 DNA 损伤的研究[ J] . 环境科学研究 , 2003 , 16
(1):34 - 36.
[ 3] 　赵　丽 , 刘征涛 ,冯　流 , 等.单歧藻降解 4 -乙基酚的动力学研究[ J] .环境科学研究 , 2003 , 16(6):19 - 22.
[ 4] 　赵　丽 , 刘征涛 ,冯　流 , 等.单歧藻富集和降解烷基酚类化合物的动力学过程研究[ J] . 环境科学研究 , 2004 , 17(2):14
- 17.
[ 5] 　赵　丽 ,刘征涛 ,冯　流 , 等.单歧藻对烷基酚类化合物的生物降解性及 QSBR 研究[ J] . 环境科学研究 , 2005 , 18(23 -
26):14 - 17.
[ 6] 　周永欣 , 韩　梅 ,张大仁 , 等.水生生物毒性实验方法[ M ] . 北京:农业出版社 , 1962:42 - 63.
[ 7] 　王阳祖 , 王汉臣 ,刘培哲 , 等.国家环境保护局化学品测试准则[ M ] . 北京:化学工业出版社 , 1990:21 - 35.
[ 8] 　王连生 , 韩朔睽.有机物定量结构 -活性相关[ M] . 北京:中国环境科学出版社 , 1992:255 - 279.
[ 9] 　汪荣鑫. 数理统计[ M] .西安:西安交通大学出版社 , 1986:250 - 265.
[ 10] 　张锡辉.高等环境化学与微生物学原理及应用[ M ] . 北京:化学工业出版社 , 2001:33 - 46.
Toxic Effect of Restrain Growth of Scenedesmus Obliquus
by Alkyl Phenols and the QSAR Study
ZHAO Li1 , XING M eng-lin2 ,CHANG Tian-jun1 , LIU Zheng-tao3 , FENG Liu4
(1. Departmen t of Resou rce &Envi ronm ental Engineering , H enan Polytechnic University , Jiaozuo 454100 ,C hina;2. Henan Province
Environmental M oni toring Center , Zhengzhou 450000 , China;3. Chinese Research Academ y of E nvi ronmental Sciences ,
Bei jing 100012 , China;4. Col lege of C hemical Engineering , Beijing Universi ty of Chemical T ech nology , Beijing 100029 , China)
Abstract:The acute to xicities o f 8 alky l phenols on the Scenedesmus obliquusg row th we re studied. Besides , we probed
the quantia tive structure-activity rela tionships , or QSARs on to xicity da ta by applying 7 kinds of phy sicochemica l par ame te rs
tha t were calculated using PM3 contained in the semi-empirical mo lecular o rbital package (MOPAC) and by using so ftwa re
S PSS to have reg re ssional analy sis. A t la st the chemicalsbiolo gy cumulation cha racters w ere evaluated. The study indicated
tha t the compounds to xicity increased with the numbe r o f carbon of alkyl and the to xicity of m-substituent wa s g reater than that
of o-substituent. The alky l pheno lstox icity we re related with their electr onic and ste ric pa rameters to some ex tent , while they
were highly r elated with the parame te r Kow in parabo la rela tionship(r=0. 938 , n=8). Being mo re easily cumulated by bio lo gy
than the o ther 5 chemica ls , P - tert - Buty lpheno l , 4 - octy lpheno l and 4 - nonylphenol were mo re harmful to human beings.
Key words:Scenedesmus obliquus;alkyl phenols;acute to xicity;fatsoluble ability
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