基于模型預測的生物毒性預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境中有毒物質(zhì)預測領域，具體為基于模型預測的生物毒性預測方 法。
【背景技術】
[0002] 污染物生物毒性數(shù)據(jù)一般通過實驗獲得，但是在很多情況下，生物毒性數(shù)據(jù)很難 獲取。一方面，有些污染物的毒性效應終點很難判斷，尤其對于一些新型污染物，因此毒性 實驗很難開展，無法獲取其生物毒性數(shù)據(jù)；另一方面，考慮到對動物保護的需求，一些稀有 生物已經(jīng)禁止開展其毒性實驗，如稀有生物和瀕危生物等，因此也很難獲取其生物毒性數(shù) 據(jù)。而這些稀缺的生物毒性數(shù)據(jù)在水質(zhì)基準和風險評估的研究中是必不可少的，如何在數(shù) 據(jù)缺乏的情況下開展這方面的相關研究，是一個極具挑戰(zhàn)的問題。因此模型預測的方法獲 得污染物的生物毒性數(shù)據(jù)就顯得尤為重要。
[0003] 關于生物毒性預測的模型，比較傳統(tǒng)的模型預測方法是定量結構活性相關 (quantitativestructureactivityrelationship,QSAR)模型，QSAR模型主要是根據(jù)物 質(zhì)的物理化學性質(zhì)跟其毒性的定量關系獲得的，這種模型在有機物的毒性預測中已經(jīng)廣泛 應用。但是QSAR的方法也有它的局限性，當物質(zhì)的物理化學參數(shù)很難獲得時，這種預測的 準確性值得商榷。另外，QSAR模型在預測污染物對高等生物毒性方面，也存在很多不確定 性。種間關系預測（interspeciescorrelationestimation,ICE)模型是一種基于物種之 間毒性的相關關系而構建的，ICE模型是用已知的生物毒性數(shù)據(jù)來預測物質(zhì)對未知物種毒 性的一種方法。種間關系預測可以用簡單低等生物毒性試驗來代替高等生物毒性測試，用 簡單毒性測試體系代替復雜的毒性測試體系。
[0004]ICE模型最初是由美國環(huán)保局（USEPA)開發(fā)出來的一種用已知物種的毒性數(shù)據(jù) 來預測未知物種毒性的方法。但由于模型的內(nèi)置的數(shù)據(jù)均為北美地區(qū)的生物毒性數(shù)據(jù)，并 不包括中國的本地特有物種，因此在應用上有很大的局限性。
[0005] 本發(fā)明涉及到的一些相關名詞解釋：
[0006] ICE :Interspecies Correlation Estimation(種間關系預測）；
[0007] LC5Q:Lethal Concentration to50%of Test Organisms(半數(shù)致死濃度）；
[0008] EC5Q:Effective Concentration to5〇%of Test Organisms(半數(shù)致死效應）；
[0009]LD5Q:Lethal dose to5〇%of Test Organisms(半數(shù)致死劑量）；
[0010]SSD :Species Sensitivity Distribution(物種敏感度分布）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于模型預測的生物毒性預測方法，針對ICE模型僅 僅局限于北美地區(qū)的生物毒性預測的缺陷，本發(fā)明通過對模型參數(shù)進行優(yōu)化，將中國的本 地物種生物毒性數(shù)據(jù)添加到模型中，進一步驗證了模型在中國的可應用性，擴大了模型的 應用范圍。
[0012] 為了解決以上問題，本發(fā)明采用的技術方案如下，一種基于模型預測的生物毒性 預測方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟一，替代物種的選擇：
[0014] 針對某一種物質(zhì)，收集整理該物質(zhì)已有的的生物毒性數(shù)據(jù)，在所有的物種毒性數(shù) 據(jù)中，選擇當?shù)卮硇缘奈锓N作為替代物種，將物種對應的所有毒性數(shù)據(jù)進行處理，取幾何 均值，作為模型預測輸入數(shù)據(jù)備用；
[0015] 步驟二，用替代物種進行毒性預測，獲得未知物種的毒性數(shù)據(jù)：
[0016] 根據(jù)步驟一篩選出的物種，在模型里輸入數(shù)據(jù)，選擇預測物種，獲得預測物種的毒 性數(shù)據(jù)；
[0017] 步驟三，預測數(shù)據(jù)的篩選。
[0018] 作為優(yōu)選，替代物種需要滿足以下兩個條件：（1)同一物種的毒性數(shù)據(jù)至少5個； (2)物種有代表性，能夠代表某一個營養(yǎng)級，共選擇2-3個物種。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟一，數(shù)據(jù)的篩選標準如下：（1)對于化學性質(zhì)較為穩(wěn)定的物質(zhì)，使 用流水實驗得出的數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)缺乏時，使用半靜態(tài)和靜態(tài)實驗得出的數(shù)據(jù)；(2)實驗中必 須設置對照實驗，對照組和實驗組的實驗條件完全一樣，如果對照組中的物種大量死亡或 表現(xiàn)出脅迫和疾病癥狀，不能使用該實驗得出的結果；（3)在實驗開始和結束時必須測定 實驗目標物的濃度，在整個實驗過程中實驗目標物的濃度應保持不變；(4)實驗過程中應 嚴格控制各個理化參數(shù)，包括實驗溫度應盡量維持在受試物種的最適生長溫度范圍之內(nèi)， 溶解氧濃度應是其飽和濃度的60 %~105 %，顆粒物濃度應< 20mg?L\總有機碳濃度 彡5mg?L% (5)不能使用以蒸餾水或去離子水作為實驗用水的實驗所得出的數(shù)據(jù)；(6)使 用同一物種所做的急性/慢性毒性實驗，如果得出的急性/慢性值相差10倍以上，需要將 邊界外的值剔除，如果針對同一受體且暴露終點相同的數(shù)據(jù)則選用這些數(shù)據(jù)的幾何均值。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟三，具體的篩選原則如下：（1)均方差〈0. 22 ; (2)替代物種和預測 物種的分類學距離< 3,即必須是至少屬于同一目；（3)交叉驗證率大于85%;(4)置信區(qū) 間95% -99% ; (5)自由度df> 8,毒性數(shù)據(jù)的個數(shù)N> 10,即構建模型的數(shù)據(jù)量必需大于 10 ; (6)相關系數(shù)R2 > 0. 6 ; (7)顯著性水平p< 0. 01。
[0021] 作為優(yōu)選，幾何均值的具體公式如下：n個數(shù)al，a2，...，an的幾何平均數(shù)為 ，即n個值連乘積的n次方根。
[0022] 本發(fā)明將生物毒性預測的方法應用于物種的毒性研究，鋅的水質(zhì)基準推導案例研 究從側面證明了ICE模型對物種的毒性進行預測的可行性，這也就解決了部分污染物的毒 性數(shù)據(jù)不足導致水質(zhì)基準無法準確推導的難題。并避免了對實驗生物的損害，減輕環(huán)境污 染，從而提供了一種快速的、簡單且境友好的生物毒性研究方法。在面臨水質(zhì)基準和風險評 估等需要大量生物毒性數(shù)據(jù)進行分析的情況下，面對部分污染物數(shù)據(jù)不足的情況，毒性預 測的方法則成為一種更經(jīng)濟、更便捷的方法。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的預測方法的流程示意圖；
[0024] 圖2為ICE概念模型示意圖；
[0025] 圖3為實測和預測的SSD分布比較。
【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術特征和優(yōu)點作更詳細的說明。
[0027] 步驟一，替代物種（surrogatespecies)的選擇：
[0028] 針對某一種物質(zhì)，收集整理該物質(zhì)已有的的生物毒性數(shù)據(jù)，在所有包含的毒性數(shù) 據(jù)中，水生動物毒性數(shù)據(jù)主要包括48或96h的EC50/LC50,毒性終點主要是致死或者運動 抑制效應；藻類的毒性數(shù)據(jù)主要是72或96h的EC50 ;野生生物（主要是鳥類和哺乳類）的 毒性數(shù)據(jù)主要是96h的LD50。數(shù)據(jù)的篩選標準如下：（1)對于化學性質(zhì)較為穩(wěn)定的物質(zhì)，使 用流水實驗得出的數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)缺乏時，也可使用半靜態(tài)和靜態(tài)實驗得出的數(shù)據(jù)；（2)實驗 中必須設置對照實驗，對照組和實驗組的實驗條件完全一樣，如果對照組中的物種大量死 亡或表現(xiàn)出脅迫和疾病癥狀，不能使用該實驗得出的結果；（3)在實驗開始和結束時必須 測定實驗目標物的濃度，在整個實驗過程中實驗目標物的濃度應保持不變；(4)實驗過程 中應嚴格控制各個理化參數(shù)，包括實驗溫度應盡量維持在受試物種的最適生長溫度范圍之 內(nèi)，溶解氧濃度應是其飽和濃度的60%~105%，顆粒物濃度應< 20mg?L\總有機碳濃度 彡5mg?L% (5)不能使用以蒸餾水或去離子水作為實驗用水的實驗所得出的數(shù)據(jù)；(6)使 用同一物種所做的急性/慢性毒性實驗，如果得出的急性/慢性值相差10倍以上，需要將 邊界外的值剔除。如果針對同一受體且暴露終點相同的數(shù)據(jù)則選用這些數(shù)據(jù)的幾何均值。
[0029] 在所有的物種毒性數(shù)據(jù)中，選擇中國代表性的物種作為替代物種，替代物種需要 滿足以下兩個條件：（1)已有的毒性數(shù)據(jù)相對較多；(2)物種有代表性，能夠代表某一個營 養(yǎng)級，比如魚類、無脊椎類等。共選擇2-3個物種，作為替代物種，將物種對應的所有毒性數(shù) 據(jù)進行處理，取幾何均值，作為模型預測輸入數(shù)據(jù)備用。
[0030] 步驟二，用替代物種進行毒性預測，獲得未知物種的毒性數(shù)據(jù)：
[0031] 根據(jù)步驟一篩選出的物種，在模型里輸入數(shù)據(jù)，選擇預測物種，獲得預測物種的毒 性數(shù)據(jù)。
[0032] 在ICE模型中，替代物種的毒性值和預測物種的毒性值存在最小二乘法線性回歸 的關系。目前的在線預測平臺中，包含了 5000多個急性毒性值，其中涵蓋了接近200個物 種、1000多種化學品的毒性數(shù)據(jù)