黄河中酚类化合物的QSBR模型及生物降解性评价研究

摘要

黄河是一条酚污染较为严重的河流，严重的酚污染已经给沿黄流域的工农业生产和城镇居民生活带来了一系列危害。酚污染物在黄河中可以通过多种途径降解，生物降解是其中一条重要的方式。 对于种类繁多的酚污染物，采用定量结构一生物降解相关(QSBR)法研究其在黄河中的生物降解性是一条捷径。但是，酚类的生物降解性受到分子的结构特征和降解外部环境条件两方面因素的影响。已知的酚类QSBR模型所采用的数据多为实验室条件下的数据，跟酚类在实际环境中的降解环境差异较大。所以，目前已知的有关酚类化合物的QSBR模型能否应用于预测黄河中酚的生物降解性，仍然是一个值得探讨的问题。因此，在酚污染最为严重的黄河花园口水质和底泥环境条件的基础上，研究了酚类化合物的定量结构和生物降解性之间的关系，建立酚类化合物在黄河水中的QSBR模型和在黄河底泥中的QSBR模型，对黄河的酚污染防治与黄河生态环境保护具有重要的意义。 论文以生化需氧量(BOD)作为检测指标，分别测定了17种酚在黄河原水和黄河底泥中的生物降解过程，并计算了它们的理论耗氧量(THOD)，最终以BOD<,5>/THOD值作为衡量酚的生物降解性参数。然后：(1)采用线性自由能相关法，以分子量大小(Mw)、酸离解常数的负对数(pKa)、分子最高轨道占有能(E<,homo>)作为酚类化合物的分子结构特征参数，以BOD<,5>/THOD值作为生物降解性参数，建立了酚污染物在黄河水中和黄河底泥中的QSBR模型；(2)采用基团贡献法，以不同取代基作为酚类化合物的分子结构特征参数，以BOD<,5>/THOD值作为生物降解性参数，建立了为酚类化合物在黄河水中和黄河底泥中的QSBR模型；(3)采用BP人工神经网络法，较好地预测了酚污染物在黄河水中和黄河底泥中的生物降解性。上述建模过程使用了SPSS 13.0、Matlab 6.5等计算机软件。 黄河水中和黄河底泥中酚类的QSBR模型显示：黄河中酚类污染物的生物降解性主要受到分子大小(Mw)、酸离解常数的负对数(pKa)、分子最高轨道占有能(E<,homo>)三个主要因素的影响，即酚类的可生物降解性主要受到分子空间特征和电性特征的影响。酚类化合物取代基的种类、位置、数量对酚的生物降解性影响很大，其降解性的难易程度为：-NH<,2>>-NO<,2>>-C1>-CH<,3>>-OH；取代基位置对酚降解能力的影响随取代基团的不同而不同；通常情况下除了-OH外，基团的数量增加将会降低其生物降解性。最后论文根据17种酚的BOD<,5>/THOD值，对17种酚在黄河中的生物降解性进行了评价和分类。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章黄河酚污染及其生物降解性研究意义

1.1酚类化合物的污染源及其生物毒性

1.2黄河酚污染现状及其危害

1.3黄河中酚的生物降解性研究意义

第2章有机化合物定量结构与生物降解性相关研究

2.1有机化合物定量结构与生物降解性相关(QSBR)

2.2有机化合物生物降解测定方法

2.3有机化合物定量结构参数

2.3.1分子描述符及其分类

2.3.2常用的经验分子结构描述符

2.3.3常用的理论分子结构描述符

2.3.4分子结构描述符的发展趋势

2.4 QSBR建模步骤

2.5本文采用的技术路线

2.6国外对酚类QSBR模型的研究

2.7国内对酚类QSBR的研究

2.8 QSBR研究中存在的问题

第3章QSBR模型主要建模方法简述

3.1线性自由能相关法

3.2基团贡献法

3.3分子连接性指数法

3.4比较分子力场分析

3.5专家系统

3.6人工神经网络法

第4章黄河中酚类化合物生物降解性实验

4.1实验材料

4.1.1.实验仪器

4.1.2.实验试剂

4.1.3.实验样品的采集与处理

4.2实验方法

4.2.1酚类化合物在黄河水中的生物降解性实验

4.2.2酚类化合物在黄河底泥中的生物降解性实验

4.3实验结果

4.3.1计算酚类化合物的理论耗氧量(THOD)

4.3.2酚类化合物在黄河中的生物降解(BOD)实验结果

第5章黄河中酚类化合物的QSBR模型研究

5.1线性自由能相关法建模

5.1.1获得分子结构参数

5.1.2参数的优化与选取

5.1.3黄河水中QSBR模型的建立与检验

5.1.4黄河底泥中QSBR模型的建立与检验

5.1.5模型特征分析

5.2基团贡献法建模

5.2.1编码基团参数

5.2.2黄河水中QSBR模型的建立与检验

5.2.3黄河底泥中QSBR模型的建立与检验

5.2.4模型特征分析

5.3人工神经网络(ANN)法建模

5.3.1选定网络结构

5.3.2建立神经网络

5.3.3黄河水中QSBR人工神经网络建模与预测

5.3.4黄河底泥中QSBR人工神经网络建模与检验

5.4三种建模方法对比

5.5与其它河流中酚类化合物的QSBR模型比较

5.6本章小结

第6章黄河中酚类化合物生物降解性评价与分析

6.1酚类化合物在黄河中的可生物降解性评价

6.2酚类化合物在黄河水中与底泥中的可生物降解性异同

6.3酚类化合物在黄河中的可生物降解性特征

6.4与其它河流中酚类化合物的可生物降解性比较

6.5与驯化微生物对酚类化物的可生物降解性的比较

6.6本章小结

结论与展望

1.结论

2.展望

研究生期间发表的论文及参加项目

致谢

参考文献