评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法技术

本发明专利技术提供评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，属于生态风险评估策略领域。包括以下步骤：通过交流阻抗法测定了16种典型OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值，阻抗值大小用于表征对膜的损伤程度。采用逐步回归和偏最小二乘法筛选分子描述符并构建了QSAR模型，用于解释OPFRs与模拟生物膜相互作用的微观作用机理，评估和预测应用域内OPFRs对模拟生物膜的损伤。本发明专利技术建立的QSAR模型具有良好的拟合优度和稳健性。本发明专利技术方法的数据易于获取，成本低廉，方便快捷，节省大量人力、物力和实验时间，能够准确分析OPFRs与膜的作用机制，为OPFRs的海洋监测和生态风险评估提供基础理论数据。

Evaluation and prediction of the damage of organic phosphate flame retardants to simulated biofilms

The invention provides a method for evaluating and predicting the damage of organic phosphate flame retardant to simulated biofilm, belonging to the field of ecological risk assessment strategy. It includes the following steps: The impedance values of 16 typical OPFRs to simulated biofilm were measured by AC impedance method, and the impedance values were used to characterize the degree of damage to the biofilm. The molecular descriptors were screened by stepwise regression and partial least squares method, and a QSAR model was constructed to explain the micro-mechanism of the interaction between OPFRs and simulated biofilms, and to evaluate and predict the damage of OPFRs to simulated biofilms in application domain. The QSAR model established by the invention has good goodness of fit and robustness. The method has the advantages of easy acquisition, low cost, convenience and rapidity, saves a lot of manpower, material resources and experimental time, can accurately analyze the interaction mechanism between OPFRs and membranes, and provides basic theoretical data for ocean monitoring and ecological risk assessment of OPFRs.

【技术实现步骤摘要】
评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法
本专利技术属于面向生态风险评价的测试策略和海洋监测领域，具体涉及一种评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法。
技术介绍
随着海洋资源的开发，海洋污染日益严重。某些新兴污染物质在海洋以及海洋生物体内被陆续检出。由于污染物质环境浓度较低，目前不足以引起明显的生物效应。但由于污染物自身的持久性和生物积累性，使得化合物存在巨大的环境风险。其中，有机磷酸酯阻燃剂（OPFRs）作为典型的新兴污染物质，其在海洋水体及生物（青鱼，鲈鱼，贝类）脂肪中有明显检出。目前关于OPFRs环境暴露监测的报道日益增多，其生态环境风险引起了广泛关注。由于OPFRs本身结构复杂，作用机制多样，描述每一种OPFRs对海洋生物的影响需要消耗大量的人力和物力，所以专利技术一种便捷准确的方法评估OPFRs的生态风险是极为必要的。作为溴代阻燃剂（BFRs）的主要替代材料，OPFRs凭借其优良的阻燃和增塑特性，其生产和使用量逐渐增加，成为新兴的环境污染物质。由于OPFRs不与主体聚合物材料化学键合，从而更易通过挥发，浸出或磨损等方式扩散到环境介质中，导致大量OPFRs在环境中普遍存在。研究表明，OPFRs对神经系统和免疫系统具有毒性作用，磷酸三（1,3-二氯异丙基）酯（TDCPP）通过抑制PC12细胞的DNA合成，减少细胞数量并改变神经分化从而引起神经发育毒性；TDCPP通过改变斑马鱼胚胎/幼虫中下丘脑-垂体-甲状腺（HPT）轴的mRNA表达进而改变全身甲状腺激素浓度。生物膜作为生物体抵御外界的第一道屏障，膜系统的完整性对于细胞正常的生命活动来说至关重要。有研究表明，在200倍相差显微镜下观察到高浓度的磷酸三丁酯（TBP）和三（2-丁氧基乙基）磷酸酯（TBEP）暴露会造成细胞畸形，破坏膜结构。在海洋生物脂肪内检出的高浓度OPFRs可能会对生物体产生毒性作用。OPFRs是否通过破坏细胞膜或者其他方式与膜相互作用，进而产生毒性作用是个亟待解决的问题。生物膜复杂的结构和功能不利于研究膜与物质间的相互作用，构建模拟生物膜系统是研究生物膜的基础和前提。生物膜系统包括双层类脂膜、自组装单分子层膜、固体支撑双分子层类脂膜等，其中固体支撑双分子层类脂膜相较于传统的类酯膜，具有良好的电化学特性和稳定性，适合用于研究膜与化合物之间的相互作用。采用电化学技术能够表征模拟生物膜的结构变化。目前使用的电化学技术主要包括循环伏安法（CV）和电化学交流阻抗法（EIS）。其中EIS是通过输入小振幅的电信号扰动体系产生相应的输出信号，进而线性拟合得到频响函数。在一系列不同的频率下测得的一组频响函数值形成电化学阻抗谱，能够用于探测膜结构的变化。QSAR模型在化合物毒性机理解释和预测方面的应用日益广泛。模型通过研究化合物的分子结构信息如结构编码、拓扑学参数、量子化学参数、理化性质参数等分析化合物的环境行为和毒理作用。目前，OPFRs与生物膜间的相互作用研究多基于实验测试，例如通过荧光探针和电镜等实验手段研究OPFRs对膜的影响。但是测定多种具有不同取代基的OPFRs需要消耗大量的人力和物力。急需专利技术一种简便快捷的评估OPFRs对模拟生物膜损伤的方法，用于评估OPFRs的生态风险。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种方便、高效、省时省力的方法评估和预测OPFRs对模拟生物膜的损伤，为OPFRs的海洋监测和生态风险评估提供基础理论数据。本专利技术采用的技术方案是：评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，根据OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值构建QSAR模型；根据软件计算表征待测OPFRs的分子结构的分子描述符，通过QSAR模型进行OPFRs对模拟生物膜损伤的评估和预测。所述OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值通过电化学交流阻抗法测定。所述模拟生物膜为磷脂双分子层生物膜。所述OPFRs为16种，包括8个苯环取代的OPFRs、2个氯取代的OPFRs、5个含烷基取代的OPFRs和1个烷氧基取代的OPFRs。所述QSAR模型如下：logY=-1.82×DLS_04-4.35×10-2CATS2D_05_PL+1.22×10-1Mor04V-9.33×10-3RDF080m-4.80×10-1GATS6m+3.00×10-1GATS7p+1.70其中，logY为OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值的对数，DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p为分子描述符；DLS_04表示类药性指数，RDF080m表示原子质量加权的径向分布函数，GATS6m、GATS7p分别为表示质量加权、极化率加权的Geary自相关指数，CATS2D_05_PL表示分子亲油亲脂特性，Mor04V表示基于原子范德华体积加权的三维分子结构。所述分子描述符DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p通过以下步骤得到：对OPFRs的分子结构进行优化，利用Dragon软件计算分子结构描述符，通过逐步回归得到9个描述符；1）首先，建立包含9个变量的偏最小二乘模型，得到对应的因变量方差比例Q2CUM；2）随后，将每个描述符依次从偏最小二乘模型中剔除，得到一系列包含8个描述符的偏最小二乘模型和相对应的Q2CUM，比较Q2CUM值与阈值的大小，Q2CUM值越大，模型的性能越好；3）随后在步骤2）所得的一系列偏最小二乘模型，选择Q2CUM大于设定值的某个模型，继续剔除一个变量即描述符，得到新的偏最小二乘方程和Q2CUM，返回步骤3），遍历所有的8个偏最小二乘模型；4）对于每个新的偏最小二乘方程，依次剔除不同的变量，得到一系列偏最小二乘方程和Q2CUM值，比较每个偏最小二乘方程对应的Q2CUM值，选择最大的Q2CUM所对应的DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p6个描述符构建QSAR模型，用于解释作用机制。所述根据软件计算表征待测OPFRs的分子结构的分子描述符通过QSAR模型进行OPFRs对模拟生物膜损伤的评估和预测包括以下步骤：将待测OPFRs的分子结构进行优化，利用Dragon软件得到待测OPFRs的分子描述符：DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p；将分子描述符代入QSAR模型，得到待测OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值的对数logY；根据logY和分子描述符评估和预测OPFRs对模拟生物膜的损伤。所述根据logY和分子描述符评估和预测OPFRs对模拟生物膜的损伤具体为：阻抗值的大小代表电解液中的铁氰化钾分子探针到达金电极表面时受到的阻力大小；logY值越小，分子探针到达金电极表面时受到的阻力越小，化合物越容易侵入细胞膜内层，破坏生物膜的完整性，使得其他化合物更易进入膜造成机体损伤；logY值越大，分子探针到达金电极表面时受到的阻力越大，更容易与膜上的生物大分子发生较强的偶极-诱导偶极作用，与受体蛋白产生相互作用，干扰膜上的信号传递及相关通路。所述根据对数和分子描述符评估和预测OPFRs对模拟生物膜的损伤具体如下：首先，DLS_04和GATS7p本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于：根据有机磷酸酯阻燃剂即OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值构建QSAR模型；根据软件计算表征待测OPFRs的分子结构的分子描述符，通过QSAR模型进行OPFRs对模拟生物膜损伤的评估和预测。

【技术特征摘要】
1.评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于：根据有机磷酸酯阻燃剂即OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值构建QSAR模型；根据软件计算表征待测OPFRs的分子结构的分子描述符，通过QSAR模型进行OPFRs对模拟生物膜损伤的评估和预测。2.根据权利要求1所述的评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于，所述OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值通过电化学交流阻抗法测定。3.根据权利要求1所述的评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于，所述模拟生物膜为磷脂双分子层生物膜。4.根据权利要求1所述的评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于，所述OPFRs为16种，包括8个苯环取代的OPFRs、2个氯取代的OPFRs、5个含烷基取代的OPFRs和1个烷氧基取代的OPFRs。5.根据权利要求1所述的评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于，所述QSAR模型如下：logY=-1.82×DLS_04-4.35×10-2CATS2D_05_PL+1.22×10-1Mor04V-9.33×10-3RDF080m-4.80×10-1GATS6m+3.00×10-1GATS7p+1.70其中，logY为OPFRs对模拟生物膜作用的阻抗值的对数，DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p为分子描述符；DLS_04表示类药性指数，RDF080m表示原子质量加权的径向分布函数，GATS6m、GATS7p分别为表示质量加权、极化率加权的Geary自相关指数，CATS2D_05_PL表示分子亲油亲脂特性，Mor04V表示基于原子范德华体积加权的三维分子结构。6.根据权利要求5所述的评估和预测有机磷酸酯阻燃剂对模拟生物膜损伤的方法，其特征在于，所述分子描述符DLS_04、CATS2D_05_PL、Mor04V、RDF080m、GATS6m、GATS7p通过以下步骤得到：对OPFRs的分子结构进行优化，利用Dragon软件计算分子结构描述符，通过逐步回归得到9个描述符；1）首先，建立包含9个变量的偏最小二乘模型，得到对应的因变量方差比例Q2CUM；2）随后，将每个描述符依次从偏最小二乘模型中剔除，得到一系列包含8个描述符的偏最小二乘模型和相对应的Q2CUM，比较Q2CUM值与阈值的大小，Q2CUM值越大，模型的性能越好；3）随后在步骤2）所得的一系列偏最小二乘模型，选择Q2CUM大于设定值的某个模型，继续剔除一个变量即描述符，得到新的偏最小二乘方程和Q2CUM，返回步骤3），遍历所有的8个偏最小二乘模型；4）对于每个新的偏最小二乘方程，依次剔除不同的变量，得到一系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓晴，李斐，刘佳琳，吴惠丰，吉成龙，
申请(专利权)人：中国科学院烟台海岸带研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37