二噁英污染物毒性与结构间定量构效关系的探究

摘要

有机环境污染物或其他分子结构污染物毒性的预测是现代毒理学研究的主要方面之一，并且化合物的潜在毒性可以等同于它们的生物化学和物理学性质进行评估。二噁英系列化合物是多卤代/多氯芳香化合物作为各种工业过程的副产物形成的主要有机污染物。二噁英系列化合物包括多氯二苯并-对-二噁英（PCDDs）、多氯二苯并呋喃（PCDFs）和多氯联苯（PCBs）三大类物质。它们都具有极好的疏水性和亲脂性特征，这些特征使得它们富集在脂肪组织和肝脏中，并且可以长时间停留在体内。因此，这些化合物被定义为持久性有机污染物（POPs），可以进入水体并积累在土壤，沉积物，生物群，人类和食物网中，对我们人类，动植物和生态环境构成严重的健康威胁。所以，它们被世界卫生组织认定目前环境污染物中毒性相对较高的持久性有机污染物。
　　定量构效关系（Quantitative Structure-activity Relationships，QSAR）是分析、评估有机分子的生态毒理学的强有力的工具，对有机污染物的毒性研究起到很大的推动作用，特别是在生态环境中的多氯代二苯并呋喃、多氯代二苯-并-对二噁英、多氯联苯等持久性有机污染物的毒性研究方面。
　　通过阅读大量的相关文献，查阅到了35个PCDFs、17个PCDDs、14个PCBs分子及其对应的毒性数据pEC50。我们利用高斯软件（Gaussian09）在密度泛函理论（DFT）的基础之上，通过使用低级组B3LYP/6-31G+(d，p)分别对三组分子进行结构优化，然后在高级组B3LYP/6-311G+(3df，2p)水平下计算三组化合物分子的结构参数，进一步计算整理得到三组化合物分子的结构参数；再应用SPSS（Version19.0）软件的主成分分析（PCA）模块对三组化合物的结构参数做主成分分析，提取出了能够影响二噁英系列化合物毒性的主要结构因子，包括最高占据轨道能、最低空轨道能、苯环电荷、Cl原子的个数、Cl原子的最大电荷以及所有Cl原子的电荷总和、活泼位点的电荷以及极化率等在内的结构参数。
　　最后，再通过Matlab软件设计BP神经网络模型对三组分子的毒性进行预测，并计算误差的平方和（用PRESS值来表示），各组分子对应的PRESS值分别为0.0415、0.01735和0.0020，其结果表明我们建立的网络模型具有一定的可预测性。同时，本研究的结果对于预测和识别其他有毒化合物的毒性、降解有毒的二噁英或者转化无毒二噁英等具有一定的参考价值。

目录

声明

第一章 引言

1.1 课题的背景及意义

1.2 课题的研究现状

1.3 课题的主要内容

第二章 二噁英综述

2.1 二噁英的来源和形成机理

2.1.1 二噁英的主要来源

2.1.2 二噁英的生成机理

2.2 二噁英的污染现状

2.3 二噁英的毒性危害

第三章 基本理论及研究方法简介

3.1 定量构效关系

3.1.1 QSAR的发展历史

3.1.2 QSAR的研究方法

3.1.3 QSAR在化学物质毒性方面研究的意义

3.2 高斯软件（Gaussian）

3.2.1 Gaussian软件简介

3.2.2 基组的选取

3.3 主成分分析方法

3.3.1 SPSS软件简介

3.3.2 主成分分析法的基本原理

3.3.3 主成分分析的主要计算过程

3.4 神经网络

3.4.1 Matlab程序简述

3.4.2 BP神经网络

第四章 二噁英结构参数的选取和计算

4.1 二噁英结构参数与毒性数据的确定

4.2 多氯代二苯并呋喃（PCDFs）构效关系的计算

4.2.1 高斯软件计算多氯代二苯并呋喃的结构参数

4.2.2 多氯代二苯并呋喃的主成分分析

4.2.3 多氯代二苯并呋喃的BP神经网络预测

4.2.4 计算结果

4.3 多氯代二苯并-对-二噁英（PCDDs）的主成分分析

4.3.1 多氯代二苯并-对-二噁英的结构参数的计算

4.3.2 多氯代二苯并-对-二噁英的主成分分析

4.3.3 多氯代二苯-并-二噁英的BP神经网络预测

4.3.4 计算结果

4.4 多氯联苯（PCBs）的构效关系的计算

4.4.1 多氯联苯的结构参数的选择

4.4.2 多氯联苯结构参数的计算

4.4.3 多氯联苯结构参数的主成分分析

4.4.4 多氯联苯的BP神经网络预测

4.4.5 计算结果

第五章 二噁英的分子结构与毒性关系的结果分析

参考文献

致谢