賀泳迪，宋金甌，武 斌，王曉文，謝繼標(biāo)，王 斌

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.南華大學(xué)附屬懷化醫(yī)院，湖南 懷化 418000）

硝基烴是一類廣泛存在于燃燒裝置尾氣及城市大氣中的有毒物質(zhì)，具有一定的一般毒性、致癌性、致畸性和致突變性，被認(rèn)為經(jīng)由燃燒尾氣中的氮氧化物和不完全燃燒產(chǎn)物之間的反應(yīng)生成［1-4］。由于硝基為吸電子基團(tuán)，硝基烴及其衍生物一般具有較大的偶極矩、極性和分子間吸引力，液態(tài)化合物的沸點(diǎn)一般較高；硝基烴在中高溫度條件下會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，被認(rèn)為是復(fù)雜的醚、醇和醛等物質(zhì)的前驅(qū)物，也可進(jìn)一步還原生成亞硝基物、羥胺、亞胺和胺［5-6］。在工業(yè)上一般通過烷烴的氣相或液相硝化制取硝基烴，進(jìn)而以硝基烴為底物加工生成其衍生物，目前可生產(chǎn)的硝基烴衍生物多達(dá)2000余種。目前排放標(biāo)準(zhǔn)日漸嚴(yán)格化，提高了對硝基烴等特殊污染物的關(guān)注，國內(nèi)外在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)層面針對硝基烴及其衍生物均展開了廣泛研究［5-9］；同時(shí)，硝基烴及其衍生物作為燃油添加劑［7］、藥品［10］和化學(xué)合成前體［11］的應(yīng)用越來越廣泛。但針對硝基烴及其衍生物毒性、致癌性和致突變性的研究有限，僅有6-硝基聯(lián)苯和1-硝基芘等十余種硝基烴被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（International Agency for Research on Cancer，IARC）納入第二類致癌物名錄，大量同類物質(zhì)，尤其是可能于中高溫環(huán)境下形成的硝基醇和硝基醛等物質(zhì)，未見實(shí)驗(yàn)報(bào)告。因此，亟需推進(jìn)對該類物質(zhì)的危害性研究，并建立毒性數(shù)據(jù)庫，以保障實(shí)驗(yàn)室防護(hù)和生產(chǎn)防護(hù)等需要。

毒性評價(jià)軟件工具（Toxicity Estimation Software Tool，TEST）是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的免費(fèi)毒性預(yù)測軟件之一，具有多種化學(xué)品導(dǎo)入方法和毒性預(yù)測方法：①可通過輸入化學(xué)文摘（chemical abstract service，CAS）登記號(hào)、SMILES碼和系統(tǒng)命名名稱等常見信息查找化學(xué)物，或直接使用軟件內(nèi)置的二維結(jié)構(gòu)圖編輯器繪制特定化學(xué)品的結(jié)構(gòu)，整體便捷、快速；②內(nèi)置查詢數(shù)據(jù)庫，可實(shí)現(xiàn)離線查詢；③用戶可自主選擇需調(diào)用的毒性預(yù)測方法，軟件提供了層次法、最近鄰法和一致法等6種方法以供選擇，避免了單一方法的局限性；④可基于化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征自動(dòng)計(jì)算分子描述符，采用所選方法預(yù)測毒性；⑤可量化評估急性毒性，可預(yù)測帶鰷魚（fathead minnow）半數(shù)致死濃度（lethal concentration 50%，LC50）、大型蚤（Daphnia magna）LC50、梨形四瓣蟲（Tetrahymena phriformis）半數(shù)生長抑制濃 度（inhibition growth concentration 50%，IGC50）、大鼠經(jīng)口半數(shù)致死量（lethal dose 50%，LD50）、發(fā)育毒性、致突變性、生物富集因子和部分理化性質(zhì)，在諸多基于定量結(jié)構(gòu)活性關(guān)系（quantitative structure-activity relationship，QSAR）的毒性預(yù)測軟件中有較高的預(yù)測覆蓋性（涵蓋多種雜環(huán)類和大分子物質(zhì)）。

Toxtree是基于決策樹的推理模型，可通過直接輸入SMILES碼、系統(tǒng)命名名稱查詢化學(xué)物質(zhì)，或采用系統(tǒng)自帶的二維結(jié)構(gòu)圖編輯器繪制化合物結(jié)構(gòu)；界面簡單，使用快捷，內(nèi)存占用小，預(yù)測覆蓋性良好，各步基于規(guī)則的預(yù)測推理均有透明報(bào)告，包含多個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的決策樹；基于特定化合物結(jié)構(gòu)，用戶可選用特定決策樹預(yù)測化合物毒性關(guān)注閾值（threshold of toxicological concern，TTC）、致癌性、致突變性（包括Ames實(shí)驗(yàn)和嚙齒類微核實(shí)驗(yàn)）、皮膚腐蝕性和眼刺激性等。TTC是一項(xiàng)為化學(xué)品制定的人體暴露水平閾值，當(dāng)人體攝入量低于該閾值，則一般認(rèn)為難以造成健康危害［12］。TTC法常被用于預(yù)測化學(xué)品毒性、初步評價(jià)化學(xué)品危害性、評估相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)必要性和優(yōu)先性等［12］。Toxtree提供了多個(gè)預(yù)測TTC的決策樹，如Cramer決策樹、擴(kuò)展的Cramer決策樹、修訂的Cramer決策樹和Kroes決策樹等。Toxtree對于不飽和羰基化合物毒性預(yù)測效果不佳［13］，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜糖類、苷類、醌類和萜類化合物的致癌性和遺傳毒性預(yù)測具有良好靈敏性和準(zhǔn)確性［14］。

此2種毒性預(yù)測軟件在國內(nèi)已被多次用于復(fù)雜有機(jī)物（如中草藥有效成分）的毒性預(yù)測［12，14-17］、農(nóng)業(yè)污染物毒性評估［18-19］等，適合于QSAR預(yù)測毒性數(shù)據(jù)庫的快速建立，但基于兩者毒性預(yù)測應(yīng)用研究在國內(nèi)仍有限，硝基烴及其衍生物數(shù)量數(shù)以千計(jì)，其危害性檢測依賴于大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，難以在短期內(nèi)一一檢測，因此，基于QSAR毒性預(yù)測軟件的快速預(yù)測尤為重要。

鑒于目前針對硝基烴及其衍生物危害性動(dòng)物實(shí)驗(yàn)仍較不足，本研究采用此2種常用毒性預(yù)測軟件預(yù)測硝基烴及其衍生物急性經(jīng)口毒性、發(fā)育毒性、致突變性和致癌性，為建立QSAR預(yù)測毒性數(shù)據(jù)庫的提供預(yù)測數(shù)據(jù)，為后續(xù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室防護(hù)和生產(chǎn)防護(hù)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 研究對象

所選用硝基烴及其衍生物來源于Aladdin和MACKLIN 2個(gè)常用的化學(xué)品商用平臺(tái)，在上述平臺(tái)在售化學(xué)品名錄中，共調(diào)研得此類物質(zhì)1200余種，鑒于TEST軟件對官能團(tuán)種類較少物質(zhì)預(yù)測準(zhǔn)確度較高［18］，且目前對含有多種官能團(tuán)硝基烴衍生物研究和應(yīng)用均相當(dāng)有限，從1200種硝基烴及其衍生物中篩選出硝基烴及除硝基官能團(tuán)外僅含有一種官能團(tuán)的硝基烴衍生物（如鄰硝基苯酚，僅含有硝基官能團(tuán)和羥基官能團(tuán)）共計(jì)449種，為本研究的研究對象，記錄入數(shù)據(jù)庫。其中文名稱、英文名稱和CAS登記號(hào)等信息均來源于對應(yīng)平臺(tái)。數(shù)據(jù)庫的建立結(jié)構(gòu)參考高雅等［15］的建設(shè)模板。根據(jù)硝基烴及其衍生物不同的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)，所選用硝基烴及其衍生物可分為15類，即①硝基烴46種；②硝基烴鹵代物103種；③硝基醇類化合物13種；④硝基酚類化合物25種；⑤硝基醚類化合物27種；⑥硝基醛類化合物6種；⑦硝基酮類化合物10種；⑧硝基羧酸類化合物31種；⑨硝基酯類化合物39種；⑩硝基腈類化合物16種；[11]含氮/含硫雜環(huán)硝基衍生物37種；[12]硝基胺/肼類化合物38種；[13]硝基酰胺/酰肼/酰氯類化合物19種；[14]帶含硫官能團(tuán)的硝基物質(zhì)23種；[15]其他物質(zhì)16種，包含呋喃、酸酐、腙類等物質(zhì)的硝基衍生物。

1.2 預(yù)測方法

TEST（Version 5.1）［20］由美國環(huán)境保護(hù)局（US Environmental Protection Agency，US EPA）開發(fā)，在本研究中用于預(yù)測物質(zhì)的經(jīng)口急性毒性（大鼠經(jīng)口LD50）、發(fā)育毒性和致突變性（Ames實(shí)驗(yàn)）。對急性經(jīng)口毒性的定量預(yù)測，TEST提供了層次法、最近鄰法和一致法，其中一致法預(yù)測結(jié)果為采用其他方法預(yù)測結(jié)果的均值，可平衡不同方法優(yōu)缺點(diǎn)，保證預(yù)測結(jié)果最優(yōu)化［16］。因此本研究采用一致法。對于致突變性和發(fā)育毒性的預(yù)測，TEST僅給出定性預(yù)測結(jié)果（陰性/陽性）。其中對于致突變性預(yù)測TEST提供了層次法、最近鄰法和一致法；對于發(fā)育毒性預(yù)測TEST提供了層次法、最近鄰法、單一模型法和一致法，本研究均采用一致法。特殊情況下，對某些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜物質(zhì)，層次法或最近鄰法若失效，此時(shí)僅記錄其他方法的預(yù)測結(jié)果（如預(yù)測LD50時(shí)，如層次法失效，則僅記錄最近鄰法的預(yù)測結(jié)果）。待分析物質(zhì)通過CAS登記號(hào)進(jìn)行導(dǎo)入，對于TEST內(nèi)置數(shù)據(jù)庫內(nèi)未記錄物質(zhì)，采用二維結(jié)構(gòu)圖編輯器繪制結(jié)構(gòu)。預(yù)測過程采用嚴(yán)碎片約束算法，不進(jìn)行Relax Fragment Constraint優(yōu)化。

Toxtree（Version 3.1.0）由歐盟聯(lián)合研究中心（Joint Research Centre，JRC）開發(fā)，在本研究中用于預(yù)測物質(zhì)的TTC、遺傳毒致癌性結(jié)構(gòu)預(yù)警（genotoxic carcinogenicity structural alert，GC SA）、非遺傳毒致癌性結(jié)構(gòu)預(yù)警（nongenotoxic carcinogenicity structural alert，NGC SA）和致突變性（Ames實(shí)驗(yàn)）。對于TTC預(yù)測，Toxtree內(nèi)置了修訂的Cramer和Kroes TTC等多個(gè)決策樹，本研究采用簡潔、常用的修訂Cramer決策樹；對于致癌性預(yù)測，本研究采用內(nèi)置的“通過判別分析和結(jié)構(gòu)規(guī)則預(yù)測致癌性/致突變性概率（predicts the possibility of carcinogenicity and mutagenicity by discriminant analysis and structural rules）”決策樹；對于致突變性預(yù)測，本研究采用內(nèi)置的“ISS體外誘變警報(bào)〔in vitromutagenicity（Ames test）alerts by ISS〕”決策樹。各決策樹在預(yù)測前未做修改。待分析物質(zhì)通過輸入物質(zhì)系統(tǒng)命名名稱導(dǎo)入，對于內(nèi)置數(shù)據(jù)庫未能識(shí)別的物質(zhì)，通過二維結(jié)構(gòu)圖編輯器繪制結(jié)構(gòu)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對不同結(jié)構(gòu)的硝基烴及其衍生物的急性毒性采用全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度分類法（Globally Harmonized System，GHS）和Hodge/Sterner（H/S）分類法進(jìn)行分類，對分類結(jié)果進(jìn)行有序分類變量的秩和檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以明確各結(jié)構(gòu)分類的物質(zhì)的大鼠經(jīng)口LD50在GHS和H/S急性毒性分類中的差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。鑒于本研究同時(shí)采用TEST和Toxtree 2個(gè)軟件預(yù)測了致突變性（Ames實(shí)驗(yàn)），對于2個(gè)軟件的定性預(yù)測結(jié)果進(jìn)行Kappa一致性檢驗(yàn)。部分研究報(bào)告了硝基烴或其衍生物的大鼠經(jīng)口LD50的實(shí)驗(yàn)值及相應(yīng)急性毒性分類，對于同一物質(zhì)大鼠經(jīng)口LD50所屬毒性分類的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行Kappa一致性檢驗(yàn)。當(dāng)Kappa值介于0～0.4之間時(shí)，認(rèn)為一致性較差；介于0.4～0.75之間時(shí)，認(rèn)為一致性一般；介于0.75～1.0之間時(shí)，認(rèn)為一致性較好。

對于致突變性和致癌性等陰性/陽性分類型數(shù)據(jù)，基于貝葉斯逆概率定律，主要的評價(jià)指標(biāo)采用Cooper統(tǒng)計(jì)量［15，21］，包括靈敏性、特異性和準(zhǔn)確性。其中，靈敏性=預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值均為陽性的樣本數(shù)/實(shí)驗(yàn)值為陽性的樣本數(shù)，特異性=預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值均為陰性的樣本數(shù)/實(shí)驗(yàn)值為陰性樣本數(shù)，準(zhǔn)確性=預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值一致的樣本數(shù)/總樣本數(shù)。急性毒性分類計(jì)算準(zhǔn)確率（%）=實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測值毒性分類一致樣本數(shù)/總樣本數(shù)的比率×100%。

2 結(jié)果

2.1 軟件預(yù)測結(jié)果

修訂的Cramer決策樹根據(jù)29個(gè)化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將化學(xué)品分為3類，即Ⅰ類物質(zhì)（結(jié)構(gòu)簡單，存在有效代謝途徑）、Ⅱ類物質(zhì)（其結(jié)構(gòu)對應(yīng)的無害性次于Ⅰ類物質(zhì)，但不存在Ⅲ類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）和Ⅲ類物質(zhì)（存在不可推定為安全的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或含有高反應(yīng)活性的官能團(tuán)，可能存在顯著毒性）。由于修訂的Cramer決策樹將硝基官能團(tuán)認(rèn)定為一種加強(qiáng)毒性的官能團(tuán)（functional group associated with enhanced toxicity），本研究中數(shù)據(jù)庫中449種硝基烴及其衍生物均被Toxtree認(rèn)定為毒理學(xué)關(guān)注閾值Ⅲ類物質(zhì)，即均不可預(yù)設(shè)為安全的物質(zhì)，可能具有顯著的經(jīng)口毒性［22］。

本研究選用的2種急性毒性分類方法中，GHS分類法中將毒性分為5類，大鼠經(jīng)口LD50分別為第1類0～5 mg·kg-1，第2類5～50 mg·kg-1，第3類50～300 mg·kg-1，第 4 類 300～2000 mg·kg-1，第5類≥2000 mg·kg-1；H/S分類法則分為6類，大鼠經(jīng)口LD50分別為極毒0～1 mg·kg-1、高毒1～50 mg·kg-1、中毒50～500 mg·kg-1、低毒500～5000 mg·kg-1、基本無毒5000～15 000 mg·kg-1和相對無害≥15 000 mg·kg-1）。TEST對大鼠經(jīng)口LD50的預(yù)測結(jié)果（圖1，表1）顯示，298種（66.4%）硝基烴及其衍生物的大鼠經(jīng)口LD50屬GHS急性毒性第4類，104種（23.2%）屬GHS急性毒性第5類；354種（78.8%）硝基烴及其衍生物大鼠經(jīng)口LD50預(yù)測值屬H/S分類法“低毒”類，82種（18.3%）屬H/S分類法“中毒”類。絕大多數(shù)硝基烴及其衍生物屬中低毒性物質(zhì)。1-硝基-2，5-雙三氟甲基苯、4-叔丁基-2，6-二硝基苯酚、4-（硝基芐基）膦酸二乙酯、6-硝基吲哚、3-硝基-7-氮雜吲哚和3-硝基鄰苯二甲酰肼的大鼠經(jīng)口LD50預(yù)測值顯示，屬H/S分類法的高毒物質(zhì)（或GHS急性毒性第2類物質(zhì)），表明在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室使用和生產(chǎn)過程中需著重注意防護(hù)工作。對不同結(jié)構(gòu)分類的硝基烴及其衍生物的LD50的GHS分類進(jìn)行有序多分類樣本比較秩和檢驗(yàn)，表明不同結(jié)構(gòu)分類的硝基烴及其衍生物急性毒性分類預(yù)測差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。

Fig.1 Dot plot of results of acute oral toxicity of nitro-organic compounds predicted by Toxicity Estimation Software Tool（TEST）.Dots in the figure represent the oral rat LD50data predicted by TEST.Data points in Fig.1A and Fig.1B are located in the same positions.Fig.1（A）and Fig.1（B）show the toxicity classifications according to Globally Harmonized System（GHS）standard and Hodge/sterner（H/S）standard，respectively.

Tab.1 Predicted results of acute toxicity classifications（LD50），developmental toxicity，mutagenicity and carcinogenicity of nitro-organic compounds

TEST和Toxtree軟件對不同結(jié)構(gòu)分類的硝基烴及其衍生物的發(fā)育毒性、致突變性（Ames實(shí)驗(yàn)）、GC SA和NGC SA預(yù)測結(jié)果見表1。由于本研究的分析對象中脂鏈硝基烴（及其衍生物）僅占3%，大多數(shù)導(dǎo)入預(yù)測軟件的硝基烴及其衍生物均為硝基芳烴的衍生物或含氮/含硫雜環(huán)物質(zhì)的硝基衍生物，而Toxtree內(nèi)置的“通過判別分析和結(jié)構(gòu)規(guī)則預(yù)測致癌性/致突變性概率”決策樹將硝基苯結(jié)構(gòu)認(rèn)定為遺傳毒致癌性結(jié)構(gòu)和致突變性結(jié)構(gòu)之一，因此396種（88.2%）硝基烴及其衍生物的預(yù)測結(jié)果（表1）顯示有GC SA，396種（88.2%）被Toxtree提示有Ames實(shí)驗(yàn)致突變性結(jié)構(gòu)預(yù)警。對于部分結(jié)構(gòu)特殊的硝基烴及其衍生物，如硝基官能團(tuán)的鄰位均有取代基（如2，6-二氟硝基苯），或硝基官能團(tuán)的鄰位存在羧酸取代基，或硝基官能團(tuán)所在環(huán)上存在磺酸基團(tuán)時(shí)，前述決策樹將排除此類物質(zhì)的GC SA和致突變性結(jié)構(gòu)預(yù)警。此類硝基烴及其衍生物的預(yù)測結(jié)果未顯示致癌性陽性或致突變性陽性。少數(shù)硝基烴及其衍生物具有鄰苯二甲酸、鄰苯二甲酸二酯、咪唑、苯并咪唑、二甲酰亞胺和鄰苯基苯酚等結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)被前述決策樹認(rèn)為具有不涉及DNA損傷的致癌模式，被Toxtree預(yù)測為具有非遺傳毒致癌性，因此僅13種（2.9%）硝基烴及其衍生物的預(yù)測結(jié)果顯示有NGC SA。

被TEST預(yù)測為致突變性陽性的硝基烴及其衍生物有284種，占全部物質(zhì)的63.3%，而被Toxtree預(yù)測為致突變性陽性的物質(zhì)有396種（88.2%）。2個(gè)軟件對于285種（63.5%）物質(zhì)的預(yù)測結(jié)果一致；在被TEST預(yù)測為致突變性陽性的硝基烴及其衍生物中，258種（占比90.8%）同樣被Toxtree預(yù)測為致突變性陽性，2個(gè)軟件在陽性預(yù)測上一致性較高。相較于TEST致突變性預(yù)測中結(jié)合最近鄰法和層次法的預(yù)測邏輯，Toxtree的“ISS體外誘變警報(bào)”決策樹簡單地將硝基苯結(jié)構(gòu)認(rèn)定為致突變性結(jié)構(gòu)，僅根據(jù)碎片結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，導(dǎo)致其在致突變性預(yù)測中相比于TEST更為嚴(yán)格，因此，有137種硝基烴及其衍生物被TEST預(yù)測為致突變性陰性，但被Toxtree內(nèi)置決策樹提示具有致突變性結(jié)構(gòu)預(yù)警。相對于TEST，Toxtree的預(yù)測邏輯較為武斷，導(dǎo)致Toxtree和TEST對于致突變性的預(yù)測一致性較差（Kappa系數(shù)=0.09）。綜合2個(gè)軟件的預(yù)測結(jié)果，數(shù)據(jù)庫中442種（94.0%）硝基烴及其衍生物被記錄為致突變性陽性。

213種（47.4%）硝基烴及其衍生物的TEST預(yù)測結(jié)果為發(fā)育毒性陽性，其中，硝基烴（60.9%）、硝基醚類（74.1%）、硝基酯類（64.1%）和帶含硫官能團(tuán)的硝基物質(zhì)（65.2%）的發(fā)育毒性陽性率均達(dá)60%。

硝基烴大鼠經(jīng)口LD50、發(fā)育毒性、致突變性和致癌性的預(yù)測結(jié)果（表2）顯示，苊、芴、萘、聯(lián)苯和萘等PAH前驅(qū)物［23］的硝基衍生物的發(fā)育毒性和致突變性的預(yù)測結(jié)果基本均為陽性，所有此類物質(zhì)均被Toxtree提示具有GC SA；相比于單硝基烴，結(jié)構(gòu)相似的二硝基烴的大鼠經(jīng)口LD50預(yù)測值明顯更高。

Tab.2 Predicted and experimental results of acute toxicity classifications（LD50），developmental toxicity，mutagenicity and carcinogenicity of nitro-hydrocarbons

Tab.2(Continued)

2.2 預(yù)測結(jié)果評價(jià)

ChemidPlus數(shù)據(jù)庫有大鼠經(jīng)口LD50實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的硝基烴及其衍生物共66種，對比大鼠經(jīng)口LD50預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果（圖2，表3）顯示，大鼠經(jīng)口LD50的實(shí)驗(yàn)值為TEST預(yù)測值的0.01～16.39倍，33種（50.0%）硝基烴及其衍生物的預(yù)測相對誤差在±50%以內(nèi)，22種（33.3%）物質(zhì)的預(yù)測相對誤差在±30%以內(nèi)；對于部分取代基復(fù)雜的物質(zhì)，如5-硝間苯二甲酸二甲酯和雙（4-硝苯）硫醚，預(yù)測誤差較大；40種（60.6%）硝基烴及其衍生物的LD50預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值所屬的GHS急性毒性分類一致，49種（74.2%）物質(zhì)預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值所屬的H/S急性毒性分類一致，整體預(yù)測準(zhǔn)確率尚可。LD50預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值所屬的GHS急性毒性分類的一致性不佳（Kappa系數(shù)=0.28），對于H/S急性毒性分類的一致性一般（Kappa系數(shù)=0.56），明顯優(yōu)于GHS分類。ChemidPlus數(shù)據(jù)庫中有Ames實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的硝基烴及其衍生物共151種，TEST預(yù)測致突變性（Ames實(shí)驗(yàn)）的靈敏性、特異性和準(zhǔn)確性（Cooper統(tǒng)計(jì)量［15，21］）分別為86.6%，63.2%和80.7%，Toxtree預(yù)測的靈敏性、特異性和準(zhǔn)確性分別為93.8%，21.1%和75.5%，Toxtree對致突變性的預(yù)測呈現(xiàn)低特異性的原因如上文所述；Lhasa數(shù)據(jù)庫中有致癌性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的硝基烴及其衍生物共27種，Toxtree預(yù)測的靈敏性、特異性和準(zhǔn)確性分別為84.2%，62.5%和77.8%。由于各QSAR平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫對于發(fā)育毒性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一，通常難以給出可靠性評價(jià)［14］。

Fig.2 Dot plot of oral rat LD50of nitro-organic compounds predicted by TEST（hollow circles）and reported in literature（solid squares）.

Tab.3 TEST predictions and experimental values reported in literature on oral rat LD50of nitro-organic compounds

Tab.3(Continued)

對于46種硝基烴的大鼠經(jīng)口LD50（表2），除硝基甲烷（LD50預(yù)測值 3138.51 mg·kg-1，實(shí)驗(yàn)值941.21mg·kg-1）、硝基乙烷（LD50預(yù)測值553.02mg·kg-1，實(shí)驗(yàn)值1100.33 mg·kg-1）、2-硝基聯(lián)苯（LD50預(yù)測值1908.01 mg·kg-1，實(shí)驗(yàn)值1231.21 mg·kg-1）和 1，3-二硝基苯（LD50預(yù)測值201.21 mg·kg-1，實(shí)驗(yàn)值59.51 mg·kg-1）外，硝基烴的預(yù)測相對誤差均＜40.0%；其中，1-硝基丙烷、硝基苯、鄰硝基甲苯等常用硝基烴的預(yù)測誤差＜10.0%。硝基烴大鼠經(jīng)口LD50的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)值所屬的H/S急性毒性分類的一致性較好（Kappa系數(shù)=0.85）；TEST和Toxtree軟件對硝基烴致突變性的預(yù)測準(zhǔn)確性均為67.9%。

綜上所述，除Toxtree預(yù)測致突變性特異性不佳外，TEST和Toxtree整體預(yù)測可靠性尚佳，優(yōu)于同類數(shù)據(jù)庫的評估結(jié)果［14］。

3 討論

針對硝基烴及其衍生物的致毒、致病機(jī)制，目前存在多種說法，但均與硝基官能團(tuán)緊密相關(guān)。魏桐等［24］和閆秀芬等［25］提出，與體內(nèi)蛋白形成共價(jià)加合物是硝基烴的重要致毒機(jī)制之一。對于加合物的生成機(jī)制，目前尚有不同觀點(diǎn)：①單電子還原酶作用促進(jìn)硝基自由基的形成，進(jìn)而啟動(dòng)氧化應(yīng)激機(jī)制；②雙電子還原酶促使硝基烴生成亞硝基產(chǎn)物。該毒性機(jī)制被認(rèn)為與硝基官能團(tuán)自身的強(qiáng)氧化性、親電性，電荷和前線軌道能級(jí)差［25-26］以及C-N鍵的低鍵能有關(guān)。硝基烴及其衍生物均帶有硝基官能團(tuán)，可能廣泛存在上述致毒機(jī)制。本研究預(yù)測結(jié)果同樣顯示，絕大多數(shù)（98.4%）硝基烴及其衍生物具有低毒及以上的急性經(jīng)口毒性，多硝基物質(zhì)的急性經(jīng)口毒性預(yù)測值明顯高于具有類似結(jié)構(gòu)的單硝基物質(zhì)。此外，本研究預(yù)測結(jié)果顯示，硝基胺類的急性經(jīng)口毒性普遍較低，由于苯環(huán)上的氨基則增加苯環(huán)和硝基上的負(fù)電性［25］，進(jìn)而使急性經(jīng)口毒性降低。

Yin等［27］針對鹵代硝基烴的研究表明，鹵代硝基甲烷可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)而造成DNA損傷，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，但是在胃腸道的快速脫鹵將導(dǎo)致其急性經(jīng)口毒性快速降低；與此對應(yīng)，本研究發(fā)現(xiàn)，79.6%硝基烴鹵代物的急性經(jīng)口毒性預(yù)測結(jié)果為低毒，大多數(shù)硝基烴鹵代物表現(xiàn)出的低毒性可能與上述胃腸道脫鹵機(jī)理有關(guān)；預(yù)測結(jié)果顯示，86.4%硝基烴鹵代物被Toxtree提示有GC SA，94.2%硝基烴鹵代物為致突變性陽性，這一定程度表明，本研究所分析的大分子鹵代硝基烴，也存在與鹵代硝基甲烷類似的誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)而造成DNA損傷，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的致癌、致突變機(jī)制。

綜上所述，由于硝基官能團(tuán)的存在，硝基烴及其衍生物可能普遍存在一定急性經(jīng)口毒性，其毒性大小與硝基官能團(tuán)的數(shù)量、電荷、前線軌道能級(jí)差、所對應(yīng)C-N鍵鍵能有關(guān)；硝基烴鹵代物可能會(huì)導(dǎo)致DNA損傷，表現(xiàn)為致突變性和致癌性；鹵代官能團(tuán)和氨基官能團(tuán)的引入可能使急性經(jīng)口毒性下降。而其他硝基烴及其衍生物的風(fēng)險(xiǎn)評估仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)毒理學(xué)、計(jì)算化學(xué)研究。

由本研究預(yù)測結(jié)果可見，大部分硝基烴及其衍生物具有急性經(jīng)口毒性，相當(dāng)一部分硝基烴及其衍生物具有致癌性和發(fā)育毒性，這與目前學(xué)界對于硝基烴的共識(shí)一致。但需要注意的是，一部分硝基烴及其衍生物具有中高毒性，包括目前應(yīng)用廣泛的吸熱碳?xì)淙剂弦l(fā)劑硝基丙烷［5-7］和常見于大氣中的二硝基取代芳烴，在這些物質(zhì)的生產(chǎn)流程及其排污后處理過程中需要著重注意硝基烴及其衍生物的檢測、處理，及對應(yīng)的生產(chǎn)防護(hù)；鑒于硝基烴來源于碳?xì)湮廴疚锖偷趸镏g的反應(yīng)［1-4］，來源尤為廣泛，預(yù)測結(jié)果顯示的廣泛存在的急性經(jīng)口毒性表明，對此類物質(zhì)進(jìn)行針對性的大氣監(jiān)測具有必要性；預(yù)測結(jié)果提示硝基烴及其衍生物在發(fā)育毒性方面存在高發(fā)性，Kroes等［22］和高雅等［16］曾提出，發(fā)育毒性與致畸性具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，因此，需要開展進(jìn)一步的致畸性、發(fā)育毒性研究。綜上所述，硝基烴及其衍生物預(yù)測結(jié)果顯示的高發(fā)存在的中高急性經(jīng)口毒性、致癌性、致突變性和發(fā)育毒性表明了展開進(jìn)一步化學(xué)、毒理學(xué)研究的必要性，同時(shí)也為風(fēng)險(xiǎn)評估提供了重要參考；TEST和Toxtree整體上的預(yù)測準(zhǔn)確性一定程度上表明了基于該2個(gè)QSAR預(yù)測軟件進(jìn)行硝基烴及其衍生物的危害性評估的可行性，但對于部分取代基復(fù)雜的衍生物，預(yù)測準(zhǔn)確性仍較為有限。