有机化合物KOC片段常数估算模型的误差与稳健性分析-环境科学
面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径
生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第16卷第5期2021年10月V ol.16,No.5Oct.2021㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFD0800701,2016YFD0200208)㊀㊀第一作者:于洋(1982 ),男,博士,高级工程师,研究方向为计算毒理学模型的评估与应用以及化学物质环境风险评估技术方法等,E -mail:****************㊀㊀*通讯作者(Corresponding author ),E -mail:****************DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20210225002于洋,郑玉婷,张丽丽,等.面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径[J].生态毒理学报,2021,16(5):24-32Yu Y ,Zheng Y T,Zhang L L,et al.Evaluation thoughts of computational toxicological models and constructional path for environmental management of chemicals in China [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2021,16(5):24-32(in Chinese)面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径于洋*,郑玉婷,张丽丽,高子竣,林军生态环境部固体废物与化学品管理技术中心,北京100029收稿日期:2021-02-25㊀㊀录用日期:2021-05-19摘要:计算毒理学模型正逐渐成为我国化学物质环境管理的重要工具之一㊂为了推动建立面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估方法体系,掌握模型评估核心技术,本文分析了我国发展和评估计算毒理学模型的必要性,总结了我国计算毒理学模型评估的管理需求,系统梳理了美国㊁欧盟㊁国际经济合作与发展组织(OECD)的模型评估方法㊂研究发现,发达国家普遍建立了一套相对完善的计算毒理学模型评估技术,构建了包含模型开发㊁评估㊁验证和应用的模型生命周期评估体系㊂当前,我国尚未建立计算毒理学模型评估技术方法,借鉴发达国家的经验做法,构建具有我国国情特征的计算毒理学模型评估体系,指导我国计算毒理学模型征集与评估工作,具有重要意义㊂关键词:计算毒理学;模型;评估思路;建设路径文章编号:1673-5897(2021)5-024-09㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:AEvaluation Thoughts of Computational Toxicological Models and Con-structional Path for Environmental Management of Chemicals in ChinaYu Yang *,Zheng Yuting,Zhang Lili,Gao Zijun,Lin JunSolid Waste and Chemicals Management Center,Ministry of Ecology and Environment,Beijing 100029,ChinaReceived 25February 2021㊀㊀accepted 19May 2021Abstract :Computational toxicological models are gradually becoming one of the most important tools for chemi -cal environmental management in China.In order to promote the establishment of the evaluation method system of computational toxicology models for chemical environmental management in China and master the core technology of model evaluation,this paper analyzed the necessity of developing and evaluating computational toxicology mod -els,summarized the management requirements of computational toxicology model evaluation in China,and system -atically reviewed the model evaluation methods of the United States,the European Union and the Organization for Economic Co -operation and Development (OECD).It was found that in developed countries,a set of relatively per -fect computational toxicology model assessment technology had been established,and a model life cycle assessment system including model development,assessment,validation and application had been constructed.At present,com . All Rights Reserved.第5期于洋等:面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径25㊀putational toxicology model evaluation techniques of China has not been established.It is of great significance to build a computational toxicology model evaluation system based on the experience of developed countries,and to guide the collection and evaluation of computational toxicology models in China.Keywords:computational toxicology;model;evaluation thoughts;constructional path㊀㊀当前,我国化学工业规模大于欧盟和美国总和,化学物质的环境释放是对生态环境安全的重大挑战㊂从数以万计的化学物质中识别出那些高风险的化学物质并加以管控,成为世界各国不得不面临的问题㊂风险评估是化学物质环境管理的核心,然而数据缺失使得这项工作举步维艰[1]㊂进入21世纪,发达国家及国际性组织机构开始重视和发展计算毒理学技术,开发了各种用于预测化学物质危害属性和暴露参数的模型工具,以解决化学物质环境管理工作面临的数据缺失的瓶颈问题[2-4]㊂我国从20世纪90年代开始,逐渐有专家学者在计算毒理领域开展科学研究,但大多限于构建预测模型,极少数将模型集成为应用软件㊂近年来,国内少部分单位在科技项目的支持下,尝试开展计算毒理学研究,并逐步应用于化学物质的环境管理㊂2020年,我国生态环境部修订并正式发布了‘新化学物质环境管理登记办法“(生态环境部令第12号),在新化学物质申报登记时,可以使用计算毒理学模型预测部分毒理学参数[5]㊂这是我国首次在立法中明确了计算毒理学数据在化学物质环境管理工作中的法律地位,肯定了计算预测数据的重要性㊂2021年,为了应对新时代化学物质环境管理面临的新形势,生态环境部固体废物与化学品管理技术中心审时度势地进行了机构改革,在二级机构化学品管理技术部基础上,成立了三级机构计算毒理学研究室,为新化学物质环境管理登记,现有化学物质高通量危害筛查㊁风险评估,以及有毒有害污染物名录编制等工作提供全面可持续的计算毒理学技术支撑㊂计算毒理学技术有诸多优势,能够快速预测化学物质的相关属性,在短时间内从数以万计的化学物质中快速识别出可能对生态环境及人体健康产生风险的化学物质,为科学制定化学物质环境管理政策㊁完善污染物排放标准体系㊁编制化学物质管控名录和有毒有害环境污染物名录㊁健全化学物质环境管理制度等提供长期稳定的技术保障㊂计算毒理学模型正逐渐成为我国化学物质环境管理的重要工具之一,然而,我国尚未建立面向化学物质环境管理的计算毒理学模型评估体系㊂面对国内外大量计算毒理学模型不断涌现的现实,我们需要更专业的模型评估技术,识别出能为我国化学物质环境管理决策提供可靠数据支撑的模型㊂因此,建立计算毒理学模型评估体系至关重要㊂1㊀我国发展和评估计算毒理学模型的必要性(The need to develop and evaluate computational toxico-logical models in China)1.1㊀化学物质基础信息数据严重缺失,已成为我国化学物质环境管理的制约瓶颈截至2020年6月,美国化学文摘社收录的有机和无机化学物质已超过1.5亿种㊂截至2020年11月17日,我国‘中国现有化学物质名录“(含第2批公示)共收录化学物质46673种,其中有化学文摘号(CAS)的物质为38690种[6]㊂化学物质重点关注的20余个筛查指标中,全部有危害数据的化学物质仅千余个㊂为满足化学物质环境管理的需求,需要尽可能多地获取化学物质基础数据㊂获取数据的传统方法为实验测定,但是越来越多的商用化学品每秒都在产生,传统实验方法获取化学物质环境管理所需数据,面临着成本高㊁耗时长㊁违反动物实验伦理的 3R原则 等限制,无法实现对目前商用的数万种化学品的全部测定,急需通过计算毒理学模型工具弥补数据缺失㊂1.2㊀管理部门对有毒有害化学物质的认知和管控不足防范环境风险,依靠化学物质危害及暴露信息㊂由于我国化学物质环境管理的危害及暴露信息相对缺失,使得管理部门对有毒有害化学物质的认知和管控不足,导致了大量有毒有害化学物质在我国生产㊁使用和排放不受限制㊂例如:发达国家已淘汰或限制的部分有毒有害化学物质在我国仍有规模化生产和使用㊂欧美等发达国家管控的具有持久性㊁生物累积性和毒性的物质,具有致癌性㊁潜在具有内分泌干扰性的物质在我国仍有生产使用㊂我国‘中国现有化学物质名录“[6]收录的化学物质被我国安全㊁卫生等部门掌握的数据则更加有限㊂我国现行化学污染物环境管理标准体系所管控的化. All Rights Reserved.26㊀生态毒理学报第16卷学污染物仅涉及100余种,其中我国现行大气污染物相关管控标准涉及的特征污染物95种,现行水污染物相关管控标准涉及的有机物102种㊂加上我国中小企业生产技术与工艺水平参差不齐㊁有毒有害物质排入环境的现象较为普遍,我国正在沦为高风险化学物质的 世界工厂 ㊂1.3㊀发达国家开始实施绿色贸易壁垒和信息封锁,令我国化学物质风险评估和环境管理举步维艰欧盟的REACH法规等西方国家化学品管理法规倡导使用非动物测试方法获取化学品安全信息,如使用定量构效关系(QSAR)等计算毒理技术[7]㊂西方发达国家发展的计算毒理技术已对我国的化学品出口形成绿色贸易壁垒㊂同时,我国化学物质基础信息数据库尚未建立,筛选我国有毒有害化学物质㊁开展化学物质风险评估㊁构建计算预测模型等的数据源,很大程度依赖于国外公开的权威数据库及模型工具㊂但是,部分发达国家可能已经开始对应用广泛的计算毒理与暴露预测技术及权威数据库进行了封锁,很多网站国内已无法访问,化学物质相关危害信息面临无法获得的困境㊂例如美国关闭了预测化学物质持久性㊁生物蓄积性和毒性(PBT)属性的PBT profile模型工具㊁美国化学文摘社CAS号滚动更新信息和EPI suite后台信息等重要工具及网站㊂2㊀我国计算毒理学模型评估的管理需求分析(Management requirements analysis of computa-tional toxicological model evaluation in China)2.1㊀满足新化学物质环境管理登记工作中的预测需求在新化学物质申报登记时,(1)针对 90天反复染毒毒性 ㊁ 生殖/发育毒性 等毒性终点,需要应用经过模型评估后的计算毒理模型满足预测需求;(2)由于化学物质的毒性作用模式较为复杂,能够预测 90天反复染毒毒性 ㊁ 生殖/发育毒性 的技术方法不多,且现有模型软件预测的物质种类与精度也相对局限,需要收集相关模型软件并开展模型评估;(3)企业提交新化学物质环境管理登记材料时可能会上报模型预测数据,化学物质环境管理部门需要对提交上来的预测报告进行模型预测报告的技术审核,并对模型的科学性和可靠性进行评估[8]㊂2.2㊀满足现有化学物质高通量危害筛查时的数据需求开展现有化学物质高通量危害筛查时,在数据缺失的情况下,需要应用经过模型评估后的计算毒理模型软件,预测筛查所需数据,如理化指标㊁健康毒理指标㊁生态毒理指标和环境行为等指标,填补相关指标的空白㊂2.3㊀满足化学物质环境风险评估所需数据和场景需求开展化学物质环境风险评估时,对于现有化学物质危害数据缺失的问题,需要应用通过模型评估的计算毒理学模型软件预测其危害信息;对于新化学物质暴露数据缺失的问题,需要应用通过模型评估的计算毒理学模型软件开展环境暴露预测,为环境风险评估提供数据支撑㊂2.4㊀满足计算毒理学技术在化学品环境管理应用的客观需求目前,我国高校与科研机构主要侧重于学术研究层面的计算毒理学模型(方程式)研究,大部分模型没有软件化,且并未完全针对化学物质环境管理的需求构建,现有模型是否可以直接应用于我国化学物质环境管理需要进一步评估和确认㊂3㊀发达国家计算毒理学模型评估经验(Experience in evaluating computational toxicological models in developed countries)3.1㊀计算毒理学模型评估的历史根源20世纪90年代,发达国家开始了预测数据互认和(Q)SAR模型评估的国际合作㊂1981年和1982年,国际经济合作与发展组织(OECD)建立 数据互认 和 新化学物质上市前最低数据要求(MPD) 制度㊂根据这2个制度,欧盟制定/修改了相关法规,如修订了67/548/EEC指令㊂经过8年实施,欧盟收到了数百份新化学物质通报㊂然而,美国‘有毒物质控制法“(TSCA)并没有强制要求化学品制造商/进口商在新化学物质上市前开展测试并提供数据㊂为了应对试验数据缺乏的问题,美国环境保护局(US EPA)将目光投向了新兴的计算毒理学预测技术,即采用(Q)SAR模型来预测数据,然后使用预测数据来辅助开展这些新化学物质的预先危害/风险评估㊂在这样的背景下,如何实现数据互认成了发达国家关注的问题㊂因此,1989年10月,OECD召开了 新化学物质通报计划(Notification Schemes for New Chemicals) 研讨会㊂在这次会议上,欧盟理事会提出要评估US EPA使用的(Q)SAR模型的预测能力㊂评估方法是使用计算毒理学模型大规模预测试验数据齐全的化学物质,然后比较预测结果和试验结果的差异㊂会后,美国和欧盟联合启动了一项. All Rights Reserved.第5期于洋等:面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径27㊀名为 结构-活性关系/最低上市前数据集(Structure Activity Relationship/Minimum Premarketing Dataset, SAR/MPD) 的研究项目(1991 1993),用于开展模型预测能力评估㊂模型预测终点包括沸点㊁蒸气压㊁水溶解度㊁分配系数㊁生物降解率㊁水解㊁土壤吸附系数和光降解等物理化学㊁环境行为参数,水生生物毒性效应参数,以及急性毒性㊁皮肤刺激性㊁眼刺激性㊁呼吸道刺激性㊁皮肤致敏性㊁重复剂量毒性㊁致突变性等健康毒理学效应参数㊂研究期间,欧盟提供了175个新化学物质的测试数据,双方用这些数据与模型预测数据进行了比对㊂研究发现,部分模型能够获取较好的预测效果,但也有部分模型不能获得令人满意的结果㊂总体而言,美国所使用的部分计算毒理学模型具有可靠性和有效性㊂因此,该项目结果增加了双方对计算毒理学技术在管理上使用的信心,也促使双方启动了其他项目进一步评估模型预测能力㊂例如,除了采用新化学物质数据进行验证和评估,双方在1993年启动了一个新的评估项目,采用现有化学物质(如高产量物质)的试验数据来评估模型的预测能力[9]㊂3.2㊀美国经验美国是较早开展计算毒理学模型评估的国家之一㊂2016年6月22日,Frank utenberg Chemi-cal Safety for the21st Century Act(H.R.2576)法案正式生效[10],对已有40多年历史的TSCA进行了修订㊂在新修订的TSCA法规第3部分 化学物质和混合物测试 中,增加了h节 减少脊椎动物测试 部分,该节规定 在决定进行脊椎动物测试前应充分考虑现有可获取的信息,如计算毒理学等 ㊂早在2009年,US EPA便率先提出模型生命周期的概念,并发布实施了‘环境模型开发㊁评估㊁应用指南“[11]‘最佳模型实践:模型开发“[12]‘最佳模型实践:模型评估“[13]‘最佳模型实践:模型应用“[14]‘最佳模型实践:模型生命周期“[15]等系列指南或文件,极大提升了美国计算毒理学模型评估能力和水平㊂3.2.1㊀模型评估目标与对象模型评估是模型生命周期的重要环节之一[13]㊂模型评估可以有效地应用于整个模型开发㊁验证和应用,重点解决4个核心问题:(1)模型开发过程是否基于科学原则;(2)模型开展过程中使用数据的数量和质量如何保障;(3)模型与现实情境的相似度;(4)模型如何执行指定的任务,同时满足化学物质环境管理目标㊂可见,美国模型评估的实质目标就是为了保证模型的质量㊂当一些模型评估需要关联多个模型,例如一个模型的输出被用作另一个模型的输入数据㊂当使用关联模型时,应该在模型开发和评估过程的每个阶段评估每个关联模型,以及集成模型的整个系统㊂外部环境会影响模型评估的严谨性㊂例如,当建模过程存在争议时,更详细的模型评估可能是必要的㊂在这些情况下,建模人员必须记录模型评估过程的结果,并准备回答可能出现的模型相关问题㊂3.2.2㊀同行评议同行评审程序是US EPA评估和审查计算毒理学模型的主要机制[13]㊂这个环节可以发现模型的技术问题㊁疏忽或未解决的问题等㊂同行评审有2个方面内容:(1)评估模型假设㊁方法和结论是否建立在科学原则基础上;(2)检查一个模型在科学上的适宜性,并告知化学物质管理者㊂同行评审过程应该在质量保证计划(QAPP)中得到很好的记录㊂一个执行良好的质量保证(QA)计划有助于模型评估工作的开展㊂数据质量评估是QA计划不可或缺的组成部分㊂模型开发涉及到的所有关键阶段使用的参数和模型验证所使用的支持数据均应进行质量评估㊂虽然数据中的一些变化是不可避免的,但数据质量评估有助于将数据的不确定性最小化㊂3.2.3㊀不确定性分析计算毒理学模型评估中的不确定性分析是至关重要的[13]㊂当开发和使用一个模型时,建模者和化学物质环境管理者应该考虑在一个特定模型应用程序的环境中,什么程度的不确定性是可以接受的㊂在该体系中影响模型质量的不确定度分为以下3类:(1)模型框架的不确定性;(2)模型输入的不确定性;(3)模型领域的不确定性㊂为了充分了解和掌握上述3类不确定性,US EPA采用了模型确证㊁敏感性分析和不确定度分析3种分析方法评估不确定性㊂3.2.3.1㊀模型确证模型确证与模型验证经常被混淆,不同的学科赋予这些术语不同的含义㊂由于从模型中得出的预测永远不可能完全准确,也不可能完全符合现实㊂一些研究人员断言,没有一个模型是真正 验证过的 ㊂经过验证的模型是指那些已经被证明与特定的实际数据集相对应的模型㊂因此,US EPA使用了 确证(corroboration) 这个术语[11-15],并将重点放在模型评估的过程和技术上,而不是模型验证㊂ 验证 通常是应用于评估过程的另一个术语,通常是指. All Rights Reserved.28㊀生态毒理学报第16卷模型开发部分中定义的模型代码和方程式的验证㊂模型确证的作用是评估模型与现实相符的程度,可以是定性的(理论的)或定量的㊂这些方法的严格程度取决于模型应用程序的类型和目的㊂定量确证使用统计数据来估计模型预测结果与实测值的匹配程度㊂定性确证可能包括专家评议,以获得对数据不足情况下系统行为的可信度㊂定量方法是评估模型的稳健性,其稳健性是指模型在其设计所针对的全部环境条件下同样表现良好的能力㊂这些评估依赖于统计学方法来计算模型预测结果和实测值之间的各种拟合度㊂例如,建模效率(ME)是一种直接将模型预测与实测数据联系起来的无量纲统计量;均方根误差(RMSE)是一种对异常值敏感,但能准确描述建模数据与测量数据之间关系的方法㊂定性方法,更多依赖于专家判断法,可以为模型开发者和化学物质管理者提供关于数据不足情况下模型预测行为的信心㊂利用现有的专家知识,通过共识和一致性来实现定性确证㊂3.2.3.2㊀敏感性分析与不确定性分析敏感性分析(SA)和不确定性分析(UA)是模型评估的两大重要组成部分㊂SA被定义为计算输入值或假设(包括边界和模型函数形式)的变化对输出的影响㊂UA则是研究知识的缺乏或潜在误差对模型输出的影响㊂虽然敏感性和不确定性分析密切相关,但敏感性是基于模型 变量 的算法,而不确定性是基于模型的参数㊂敏感性分析评估模型对特定参数的 敏感性 ,而不确定性分析评估与参数值相关的 不确定性 ㊂这2种类型的分析对于化学物质管理者提升模型预测结果的置信度至关重要㊂SA的目的可以是双重的㊂首先,SA计算模型输入变化对输出的影响㊂其次,SA可以用来研究模型输出中的不确定性如何系统地分配到模型输入中的不同不确定性源㊂SA方法有很多,所选择的方法取决于所作的假设和分析所需的信息量㊂根据模型的基本假设,最好是用简单的方法开始SA,首先识别最敏感的输入,然后对这些输入应用更密集的方法㊂UA在整个建模过程中都是固有的,而减少应用程序的不确定性才是UA的首要任务㊂通过对相关的不确定因素进行适当的量化和沟通,模型仍然可以成为提供化学物质环境管理决策信息的有价值的工具㊂结合SA进行UA时,化学物质管理者可以更加了解模型结果的可信度㊂3.2.4㊀事后评估模式由于时间的复杂性㊁限制㊁资源的稀缺和缺乏科学的解释,依托模型预测数据的化学物质环境管理决策往往基于不完整的信息和不完美的模型㊂此外,即使模型开发人员努力使用现有的最佳科学方法建模,科学知识和理解也在不断进步㊂考虑到这一事实,化学物质环境管理者应该在迭代的环境中使用模型预测结果,不断改进的过程中不断细化模型,以演示基于模型的决策的可靠性㊂这一过程包括进行模型后评估,达到评估和改进模型以及验证其为管理决策提供有价值预测能力的目的㊂模型后评估与模型确证也存在本质区别,模型确证是证明模型与过去现实系统行为的匹配程度,而模型后评估是评估模型预测未来的能力㊂由于资源限制,对所有模型进行事后评估是不可行的,但是对常用模型进行有针对性的后评估可能会为改进模型框架和模型参数提供有价值的信息㊂3.3㊀OECD经验3.3.1㊀ 塞图巴尔原则 的提出早在2002年,国际化学品协会理事会(ICCA)和欧洲化学品工业理事会(CEFIC)在葡萄牙塞图巴尔召开会议[16],并提出评估(Q)SAR模型有效性的6项原则,史称 塞图巴尔原则 ㊂2002年11月,化学品委员会与化学品㊁农药和生物技术工作小组,举行了第34次联席会议,为提高对(Q)SAR的监管接受程度,成立了(Q)SAR专家组,专家组成员由OECD成员国提名㊂2003年,OECD开始推行(Q)SAR相关项目,并由(Q)SAR专家组负责执行这些项目㊂开展这些项目的目的是推动在化学品环境管理过程中使用(Q)SAR技术开展评估㊂同时,OECD还制订了一套原则,用以评估(Q)SAR的发展状况,并确认其效力㊂3.3.2㊀OECD(Q)SAR模型验证原则的确立OECD(Q)SAR模型验证规则实际是对 塞图巴尔 原则的继承和发展㊂(Q)SAR专家组将 塞图巴尔原则 重新定义为确定的终点(原则1)㊁明确的运算方法(原则2)㊁定义应用域(原则3)㊁适当验证模型拟合优度㊁稳健性和预测能力(原则4)㊁如果可能,进行机理解释(原则5)㊂这些原则被作为OECD的(Q)SAR模型原则提交联席会议㊂与会者一致认为,原则4中的内部和外部验证对(Q)SAR的整个验证过程都很重要㊂不过,(Q)SAR专家组会议就原则4进行了广泛的讨论,但未达成共识㊂部分专家要求将这一原则改写为2项单独的原则,与 塞图. All Rights Reserved.第5期于洋等:面向我国化学物质环境管理的计算毒理学模型评估思路及建设路径29㊀巴尔原则 的最初定义保持一致,理由是目前的方法没有充分强调外部验证㊂另一些专家认为,应简化 塞图巴尔原则 ,单一原则更适合于成员国在监管方面的灵活性㊂2004年,OECD成员国就确认(Q)SAR模型用于化学品监管的评估原则达成一致,发布了‘OECD(Q)SAR验证原则“(OECD Principles for the Valida-tion of(Q)SAR),即(Q)SAR模型需遵循的5项原则[3]㊂在此基础上,2007年OECD发布‘(Q)SAR模型验证指导文件“(Guidance Document on the Valida-tion of(Quantitative)Structure-Activity Relationships [(Q)SAR]Models)[17]㊂这些文件的发布为OECD成员国管理及评估(Q)SAR模型的提供了基础,有助于指导计算毒理学模型的评估和科学应用㊂3.3.3㊀OECD在(Q)SAR模型评估方面的贡献OECD在(Q)SAR项目研究方面取得诸多成果,包括OECD(Q)SAR工具箱㊁(Q)SAR工具箱的常见问题解答㊁OECD系列指导文件和报告(21份)㊁工具箱中模型捐赠者信息以及(Q)SAR工具箱的论坛等[18]㊂此外,为审核模型是否满足OECD(Q)SAR 模型的构建原则提供指导,(Q)SAR专家组完善了(Q)SAR模型审核对照表,涉及了5个大类,22项问题,通过这些问题可以判断模型是否满足OECD的5项原则㊂3.4㊀欧盟经验根据REACH法规附件11,如果满足某些条件,可以通过使用非试验方法,如(定量)结构-活性关系((Q)SAR)来替代标准试验[7]㊂联合研究中心(Joint Research Centre,JRC)是欧洲委员会的科学和知识服务机构,总部设在布鲁塞尔㊂JRC建立了QSAR模型数据库,负责组织开展QSAR模型的评估,规定应根据OECD标准来描述和记录QSAR模型㊂根据OECD原则,JRC和欧盟成员国制定了QSAR模型报告格式(QMRF),作为总结和报告QSAR模型关键信息的统一模板㊂JRC QSAR数据库提供关于QSAR模型有效性的信息,可用于识别有效的QSAR并用于化学品监管㊂该数据库是一个可自由访问的web应用程序,它允许用户提交㊁发布和搜索QMRF㊂QSAR模型的开发人员和用户可以使用QMRF向专用邮箱提交有关QSAR的信息㊂3.4.1㊀JRC QSAR模型评审程序2017年,JRC发布‘JRC QSAR模型数据库用户支持和教程“‘JRC QSAR模型数据库SDF-结构数据格式如何从SMILES中创造“‘JRC QSAR模型数据库作者和编辑指南“‘JRC QSAR模型数据库审稿人指南和协议模板“[1,9,19],这一系列指导文件规定了模型开发者如何提交模型相关有效信息,JRC组织评审专家对模型相关信息进行评估,以及JRC在官网上发布QSAR模型的具体要求㊂JRC QSAR模型评估程序共有3个步骤㊂第1步由开发者提交QMRF初稿,JRC审查QMRF完整性并确定评审专家;第2步由评审专家对QMRF进行审查,JRC将审查意见反馈给开发者,开发者进一步修改QMRF;第3步由JRC接受并对QMRF做最后检查后发布㊂QMRF共包括10个部分,即QSAR标识符㊁基本信息㊁定义终点㊁定义算法㊁定义应用域㊁定义拟合优度和稳健性㊁定义预测性㊁提供一个机理解释㊁其他信息,以及JRC QSAR模型数据库摘要(JRC编制)㊂根据JRC发布数据,QMRF终点分为6种类型,其中理化性质分类26种,环境行为参数11种,生态毒性效应13种,人体健康效应19种,毒性动力学10种,以及其他,如图1所示㊂图1㊀定量结构-活性关系(QSAR)模型报告格式(QMRF)终点分类图Fig.1㊀Quantitative structure-activity relationship(QSAR) Model Report Format(QMRF)endpoint classification chart ㊀㊀根据欧盟‘JRC QSAR模型数据库审稿人指南和协议模板“[19]JRC QSAR模型数据库的全部信息内容由该领域的专家进行评估,并定期发表修订后的报告㊂根据评估结果,该模型将或者在JRC QSAR模型数据库中发布,或者返回作者进行进一步修订㊂值得注意的是,模型收录进JRC QSAR模. All Rights Reserved.。
合成生物学与风险社会：一项社会存在论分析
收稿日期：2023-07-07基金项目：国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目（202206360140）作者简介：唐解云，中国人民大学哲学院博士研究生，上海师范大学知识与价值科学研究所特聘副研究员，主要从事历史唯物主义基础理论、马克思主义STS 研究。
E-mail:*********************摘 要：合成生物学的出现与发展，是运用社会存在论分析所应用的场景，集中体现了现代社会之为风险社会的创造性、不确定性与开放性等特征。
合成生物学试图打破自然的限制，进一步为有机生命赋能，在设计生命的意义上创造生命，合成新的生物系统。
这一生命技术在具体科学研究中将生物学推向新的发展阶段，通过生物工程、化学工程以及信息工程等试图描绘“最好的可能世界”。
这一系列技术逻辑的演绎与应用，需要进一步从价值规范和应用伦理等方面进行人文反思。
关键词：合成生物学；风险社会；社会存在论；创造性；不确定性；开放性中图分类号：B0文献标识码：A 文章编号：1006-2815（2023）04-0083-11DOI ： 10.19946/j.issn.1006-2815.2023.04.008合成生物学与风险社会：一项社会存在论分析唐解云合成生物学（Synthetic Biology ）是现代社会发展的产物。
合成生物学自1980年提出以来，其表述范式便由认识生命到创造生命，并作为人工生物系统（Artificial biosystem ）研究而被广泛运用于基因生命系统当中，以期“组合成自然界原本不存在的生物有机体和人工生物系统”①。
换言之，“生命，或生命样态，以某种方式从非生命样态中产生。
”②合成生物学运用工程技术的方法试图创造新的生物系统，以期借助新的生物系统的新功能来防范或者解决社会重大风险问题。
不过，合成生物学尚未成熟，是因为现有科学技术局限，以及人工生命的系统性要求尚未得到满足。
正因如此，合成生物学备受争议，比如其创造人工生命的技术逻辑被认为是在“扮演上帝角色”，其对生命本质的认识和新定义被认为是在突破人工世界与自然世界的边界③。
基于DTT法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展
生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第17卷第2期2022年4月V ol.17,No.2Apr.2022㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(42030715,42107120); 一带一路 国际科学组织联盟资助项目(ANSO -CR -KP -2021-05)㊀㊀第一作者:王嘉琦(1993 ),女,博士,研究方向为大气颗粒物的化学组成及其健康效应,E -mail:***********************㊀㊀*通讯作者(Corresponding author ),E -mail:******************.cnDOI:10.7524/AJE.1673-5897.20210720005王嘉琦,赵时真,田乐乐,等.基于DTT 法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展[J].生态毒理学报,2022,17(2):20-32Wang J Q,Zhao S Z,Tian L L,et al.Research advance in use of dithiothreitol assay to evaluate particulate matter oxidative potential [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2022,17(2):20-32(in Chinese)基于DTT 法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展王嘉琦1,2,赵时真1,*,田乐乐1,3,蒋昊余1,李军1,张干11.中国科学院广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点实验室,广州5106402.郑州大学电气工程学院,郑州4500013.中国科学院大学,北京100049收稿日期:2021-07-20㊀㊀录用日期:2021-12-09摘要:大气颗粒物导致健康效应的主要机制是通过氧化应激生成活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),触发局部和全身系统性炎症㊂大气颗粒诱导ROS 生成的能力称为氧化潜势(oxidative potential,OP),是指示颗粒物健康效应的重要参数㊂二硫苏糖醇(dithiothreitol,DTT)法是基于非细胞体系检测氧化潜势的方法(OP DTT ),近年来发展迅速㊂笔者从OP DTT 的基本原理,OP DTT 与颗粒物化学组成㊁粒径㊁来源的关系,OP DTT 与健康效应的关系及其局限性和挑战等6个方面,综述基于DTT 法的大气颗粒物氧化潜势测定方法研究和应用进展,可为我国大气颗粒物健康效应的研究提供参考㊂关键词:大气颗粒物;活性氧自由基;氧化应激;二硫苏糖醇;氧化潜势文章编号:1673-5897(2022)2-020-13㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:AResearch Advance in Use of Dithiothreitol Assay to Evaluate Particulate Matter Oxidative PotentialWang Jiaqi 1,2,Zhao Shizhen 1,*,Tian Lele 1,3,Jiang Haoyu 1,Li Jun 1,Zhang Gan 11.State Key Laboratory of Organic Geochemistry,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China2.School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,ChinaReceived 20July 2021㊀㊀accepted 9December 2021Abstract :The action mechanism of ambient particulate matter (PM)causing health effects is the burst of reactive oxygen species (ROS)following exposure of the biological system to PM.The capacity of PM to generate ROS is defined as oxidative potential (OP),which is a stronger predictor of certain adverse health endpoints than PM con -centration.Many in vitro cellular and cell -free assays have been developed to evaluate the OP of PM,among which the dithiothreitol (DTT)assay (OP DTT )is the most widely used.This review summarized the major method research progress of ambient particulate matter oxidative potential,including the general principle of OP DTT ,the effects of PM chemical compositions,PM size,and PM emission sources on OP DTT ,the relationship between health effect and第2期王嘉琦等:基于DTT法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展21㊀OP DTT and its current limitations and challenges,which could offer references to studies of PM health effects in China. Keywords:particulate matter;ROS;oxidative stress;DTT;oxidative potential㊀㊀大量的流行病学研究证实了大气颗粒物(partic-ulate matter,PM)暴露与人群发病率和死亡率上升有关,尤其是呼吸系统疾病㊁心血管疾病和婴幼儿疾病[1-4]㊂目前,学界普遍认为由活性氧自由基(reac-tive oxygen species,ROS)引发的氧化应激(oxidativestress)是大气颗粒物导致人体健康效应的核心机制假说[5]㊂大气颗粒物进入人体后作为脂质和蛋白质的促氧化剂诱导生成过量的ROS,引起细胞氧化还原状态的改变,产生氧化应激效应,进而触发局部和全身系统性炎症,最终导致呼吸和心脏疾病(CHD)㊁哮喘㊁慢性阻塞性疾病(COPD)甚至癌症等的发生[6-7]㊂ROS通常具有一个或多个不成对电子,是一类高活性含氧分子,该术语于1945年首次提出,主要包括单线态氧分子(1O2)㊁超氧自由基(㊃O2-)㊁过氧化氢(H2O2)㊁超氧化氢(HO2)以及羟基自由基(㊃OH)等[8-9]㊂PM诱导ROS生成的能力称为氧化潜势(oxidative potential,OP),是指示大气颗粒物内在健康风险的重要参数[3]㊂目前有多种基于细胞和非细胞体系评价颗粒物氧化潜势的方法,其中二硫苏糖醇(dithiothreitol,DTT)法可操作性强,能更全面地反映颗粒物的物理化学特征,被广泛地应用于大气颗粒物氧化潜势的测定(OP DTT)[10]㊂本文从OP DTT 的基本原理,OP DTT与颗粒物化学组成㊁粒径和来源的关系,OP DTT与健康效应的关系及其局限性和挑战等6个方面,开展基于DTT法的大气颗粒物氧化潜势测定方法的综述,可为我国大气颗粒物健康效应的研究提供参考㊂1㊀DTT法的原理(General principle of OP DTT) DTT是一种小分子还原型醇类化合物,与细胞体系中的还原型谷胱甘肽(GSH)类似,化学式为C4H10O2S2㊂DTT在还原状态下为线性分子,被氧化后变为包含二硫键的六元环结构,DTT的强还原性正是来自于该结构的构象稳定㊂DTT的还原能力与pH值密切相关,仅在pH>7时体现其还原性,这是由于只有脱去质子的硫醇盐负离子( S )才具有反应活性,硫醇( SH )则没有㊂如图1所示,大气颗粒物中具有氧化还原活性的成分可捕获DTT中的电子,催化DTT氧化为DTT的硫代物㊂颗粒物上的电子进一步转移到O2,将其还原成超氧阴离子(㊃O2-),㊃O2-进一步生成H2O2和O2[6]㊂颗粒物在整个氧化还原过程中起到催化剂的作用,DTT的消耗速率在一定线性范围内(DTT的消耗量低于50%)与颗粒物的催化能力成正比,通过测定反应前后DTT的消耗速率来评价颗粒物的氧化潜势大小[11]㊂图1㊀二硫苏糖醇(DTT)法的反应机理[6]注:PM表示大气颗粒物,DTT与5,5 -二硫双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)反应生成黄色化合物2-硝基-5-硫代苯甲酸(TNB),该物质在412nm处有最大吸收波长,通过分光光度计可确定其含量㊂Fig.1㊀The reaction mechanism of thedithiothreitol(DTT)assay[6]Note:PM indicates particulate matter;at each designated time,5,5 -dethiobis-2-nitrobenzoic acid(DTNB)reacted with DTT to form 2-nitro-5-thiobenzoic acid(TNB);TNB has the maximum absorption at412nm that could be measured by UV-visible spectrophotometer.㊀㊀常见DTT法检测颗粒物氧化潜势的基本流程如下[12-14]:首先配制0.1mol㊃L-1磷酸盐缓冲液(77.8 mmol㊃L-1Na2HPO4和22.2mmol㊃L-1KH2PO4;pH 7.4);以缓冲溶液分别配制10mmol㊃L-1的DTT储备液和10mmol㊃L-1的5,5 -二硫双(2-硝基苯甲酸) (5,5 -dethiobis-2-nitrobenzoic acid,DTNB)储备液(2周内使用完毕)并储存于4ħ冰箱中待用;在测定样品之前用缓冲液分别稀释为0.1mmol㊃L-1DTT工作液和0.1mmol㊃L-1DTNB工作液(2h之内完成实验)㊂测定过程中将DTT工作液加入至颗粒物萃取液中开始计时,37ħ下避光振荡混匀㊂分别在给定时间点内加入DTNB工作液使反应终止,然后采用分光光度计在412nm处检测吸光值㊂以不同时间22㊀生态毒理学报第17卷对应的DTT 浓度做出一条直线,将所得斜率扣除空白斜率,标准化后即为DTT 活性数据㊂大气颗粒物氧化潜势的计算公式主要分为2种表达形式,将DTT 的消耗速率进行质量标准化,即单位时间内DTT 消耗量与参与反应颗粒物质量的比值,以OP m 表示,单位为pmol DTT ㊃min -1㊃μg -1PM ,表征单位质量颗粒物的氧化潜势,可类比为氧化潜势的 密度 ㊂将DTT 的消耗速率进行体积标准化,即单位时间内DTT 消耗量与空气采样体积的比值,以OP v 表示,单位为nmol DTT ㊃min -1㊃m -3,该值被认为与流行病学中颗粒物暴露导致的健康效应密切相关㊂此外,为了比较不同实验条件下从不同研究中所获得的OP DTT 数据,研究者常以1,4-萘醌(1,4-NQN)作为标准物质,将OP DTT 数据进行归一化处理为氧化剂生成和毒性的标准化指标(the normalized index of oxidant generation and toxicity,NIOG)[11,15]㊂OP m =Blank -corrected rate of loss (pmol DTT ㊃min -1)PM mass added to the tube (1)OP v =OP m ˑPM mass sample (g)Air volume for samplingˑ1000(2)NIOG =OP DTTOP 1,4-NQN(3)2002年,Kumagai 等[16]首次利用DTT 法分析了柴油废气颗粒物诱导产生ROS 的水平,并发现颗粒物中的醌类物质能够促进生物系统中ROS 的生成㊂2005年,Cho 等[14]基于DTT 法分析了美国洛杉矶盆地不同站点大气颗粒物粒径(2.5~10μm ㊁<2.5μm 和<0.15μm)㊁化学组成与ROS 生成水平的关系,结果表明,颗粒物的氧化还原活性随粒径的增大而减小,元素碳㊁有机碳及多环芳烃与颗粒物的氧化还原活性呈现较好的相关性,而硫酸盐㊁硝酸盐等与氧化还原活性无显著相关关系㊂此后,DTT 法被广泛应用于评价大气颗粒物㊁柴油尾气颗粒物和纳米颗粒物等各类颗粒物的氧化潜势㊂2015年,Fang 等[17]基于DTT 法设计开发了一套半自动化系统,该系统的测定效果与手动测量结果具有很好的一致性(r 2=0.92),该系统的建立有助于未来开展大尺度环境颗粒物的氧化潜势评估㊂2㊀颗粒物化学组成对OP DTT 的影响(Effects of PM chemical compositions on OP DTT )大气颗粒物的化学组成是决定OP DTT 最根本的因素,目前国内外已有研究发现大气颗粒物诱导ROS 生成水平主要与过渡金属及以醌类化合物为代表的碳质组分相关㊂其中过渡金属(如Fe ㊁Cu ㊁V 和Mn)主要通过Fenton 反应诱导氧化还原反应从而生成过量的ROS ,如式(4)~(6),M 为金属简称[11-12]㊂此外,Fe 2+还可以通过还原H 2O 2生成㊃OH(式(5))[18]㊂DTT(red)+2M n +1ң2M n +DTT(ox)+2H +(4)M n +O 2ңM n +1+㊃O -2(5)M n +㊃O -2+2H +ңH 2O 2+M n +1(6)Sum:DTT(red)+O 2ңH 2O 2+DTT(ox)(7)Fe(Ⅱ)+H 2O 2ңFe(Ⅲ)+OH -+㊃OH(8)不同种类过渡金属的OP DTT 不同(表1)㊂See 等[19]通过相关性分析发现,水溶性金属与OP DTT 的相关性要高于用酸提取的总金属,其中Mn 与OP DTT 呈现显著正相关,其次是V 和Zn ,研究还发现更易溶于水的Cd ㊁Co ㊁Cu ㊁Fe ㊁Mn 和Ni 等痕量金属均能够诱导ROS 生成㊂Shinyashiki 等[20]对7种柴油尾气颗粒物的物理化学特征进行定量分析,并采用DTT 方法测定了颗粒物的ROS 生成水平(OP DTT ),估测出可溶性金属的贡献约占OP m 的45%,其中Cu 和Fe 的贡献较为显著㊂Verma 等[21]利用Chelex 树脂(金属螯合剂)调控颗粒物提取物中重金属含量,研究了重型卡车尾气中的重金属对颗粒物OP DTT 的影响,其多元线性回归模型结果显示过渡金属Fe ㊁Co 和Ni 对颗粒物OP DTT 的贡献最大㊂Charrier 和Anastasio [12]基于DTT 法对美国加利福尼亚州圣华金谷区域的城市及乡村PM 2.5的ROS 生成水平进行定量分析,验证了过渡金属会影响颗粒物的OP DTT ,并估测过渡金属的贡献约占DTT 损失的80%以上,其中Cu 和Mn 的贡献较为显著,醌类物质约占DTT 损失的20%,此外研究还发现金属螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)能够抑制金属与醌类物质在DTT 实验中的响应,应当避免在DTT 实验中添加EDTA [12]㊂大量研究发现醌类化合物具有较强的氧化活性(表1),其氧化还原循环与过渡金属的反应方程式相似,即式(4)~(6)[15,18,21-22]㊂如图2所示,在还原剂DTT(作用同细胞内NADPH 氧化酶)存在的条件下,醌类化合物能够催化电子的转移引发氧化还原循环,从而形成半醌自由基㊁对苯二酚和DTT -二硫化物(DTT -disulfide)㊂随后半醌自由基和对苯二酚与溶解态的O 2反应再次生成醌以及超氧阴离子,并可进一步生成H 2O 2㊂此外,有研究者采用DTT 法测定发现,不同醌类化合物的ROS 生成水平不同㊂Chung 等[23]采集了美国加利福尼亚州弗雷斯诺市全第2期王嘉琦等:基于DTT法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展23㊀年的总悬浮颗粒物样品(TSP),采用气相色谱-质谱定量分析了样品中12种醌类化合物浓度,同时使用DTT方法评估了样品中ROS生成水平,研究发现醌类化合物浓度的总量与OP DTT无相关性,其中仅1,2-萘醌㊁1,4-萘醌和菲醌与OP DTT线性相关,相关系数分别为0.73㊁0.39和0.76㊂表1㊀大气颗粒物中具有DTT活性化合物汇总Table1㊀The summary of DTT responses of oxidative compounds in particulate matter化合物CompoundOP m/(pmol DTT㊃min-1㊃μg-1)NIOG参考文献ReferencesCu(Ⅱ)非线性浓度反应,未量化Nonlinear concentration response,unquantified[12]Mn(Ⅱ)非线性浓度反应,未量化Nonlinear concentration response,unquantified[12]Co(Ⅱ) 4.58 1.36[12]V(V) 1.980.59[12]Ni(Ⅱ) 1.810.54[12]Fe(Ⅱ)0.930.28[12]Fe(Ⅲ)0.30.09[12]Pb(Ⅱ)0.310.09[12] 1,4-萘醌(1,4-NQN)1,4-naphthoquinone(1,4-NQN) 3.37 1.00[12] 9,10-菲醌(9,10-PQN)9,10-phenanthrenequinone(9,10-PQN) 6.77ˑ101 2.01ˑ101[12] 1,2-萘醌(1,2-NQN)1,2-naphthoquinone(1,2-NQN) 2.59ˑ1017.67[12] 5-羟基-1,4-萘醌(5-H-1,4-NQN)5-hydroxy-1,4-naphthoquinone(5-H-1,4-NQN)7.8 3.7[22]1,2-萘醌(1,2-NQN)1,2-naphthoquinone(1,2-NQN) 5.7 2.7[22] 1,4-萘醌(1,4-NQN)1,4-naphthoquinone(1,4-NQN) 2.1 1.00[22]腐殖质类物质(HULIS)Humic-like substances(HULIS) 0.018(0.011~0.025)[28] 1,4-萘醌(1,4-NQN)1,4-naphthoquinone(1,4-NQN) 1.00[28]异戊二烯环氧二醇(trans-IEPOX)Trans-β-isoprene epoxydiol(trans-IEPOX)7.00ˑ10-5ʃ1.39ˑ10-5 4.93ˑ10-5ʃ0.98ˑ10-5[41] 2-甲基四氢呋喃(2-MT)2-methyltetrol diastereomers(2-MT) 4.44ˑ10-5ʃ0.92ˑ10-5 3.13ˑ10-5ʃ0.65ˑ10-5[41]环氧甲基丙烯酸(MAE)Methacrylic acid epoxide(MAE)9.84ˑ10-5ʃ0.97ˑ10-5 6.93ˑ10-5ʃ0.68ˑ10-5[41] 2-甲基甘油酸(2-MG)2-methylglyceric acid(2-MG) 2.51ˑ10-4ʃ0.37ˑ10-4 1.77ˑ10-4ʃ0.26ˑ10-4[41]异戊二烯衍生物羟基过氧化氢(ISOPOOH)Isoprene-derived hydroxyhydroperoxide(ISOPOOH)4.90ˑ10-1ʃ2.20ˑ10-1 3.45ˑ10-1ʃ1.55ˑ10-1[41]异戊二烯SOA Isoprene SOA 2.10ˑ10-3ʃ0.22ˑ10-3 1.48ˑ10-3ʃ0.15ˑ10-3[41]甲基丙烯醛SOA Mathacrolein SOA 2.30ˑ10-3ʃ0.27ˑ10-3 1.62ˑ10-3ʃ0.19ˑ10-3[41]异戊二烯环氧二醇SOA Isoprene epoxydiol SOA 1.79ˑ10-3ʃ0.16ˑ10-3 1.26ˑ10-3ʃ0.11ˑ10-3[41]环氧甲基丙烯酸SOA Methacrylic acid epoxide SOA 3.13ˑ10-3ʃ0.30ˑ10-3 2.20ˑ10-3ʃ0.21ˑ10-3[41] 1,4-萘醌(1,4-NQN)1,4-naphthoquinone(1,4-NQN) 1.42 1.00[41]甲苯SOA Toluene SOA24.8ʃ6.48.6ʃ2.2[32] 1,3,5-三甲苯SOA1,3,5-trimethylbenzene SOA20.8ʃ3.07.2ʃ1.0[32]异戊二烯SOA Isoprene SOA57.5ʃ3.619.8ʃ1.2[32]α-蒎烯SOAα-pinene SOA 5.5ʃ2.5 1.9ʃ0.9[32] 1,4-萘醌(1,4-NQN)1,4-naphthoquinone(1,4-NQN) 2.9ʃ0.1 1.00[32]注:OP m表示单位质量颗粒物的氧化潜势;NIOG表示氧化剂生成和毒性的标准化指标;SOA表示二次有机气溶胶㊂Note:OP m indicates the mass normalized oxidative potential of PM;NIOG indicates the normalized index of oxidant generation and toxicity;SOA indi-cates secondary organic aerosol.24㊀生态毒理学报第17卷图2㊀醌类化合物在细胞内和DTT实验中诱导活性氧(ROS)产生的氧化还原循环[15]注:NAD(P)+表示烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸,NAD(P)H表示还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,PAH表示多环芳烃,GSH表示谷胱甘肽,RNA表示核糖核酸,DNA表示脱氧核糖核酸㊂Fig.2㊀The redox cycling of quinones generating reactive oxygen species(ROS)in vivo,and the similar cycling in DTT assay[15] Note:NAD(P)+indicates nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NAD(P)H indicates triphosphopyridine nucleotide,PAH indicates polycyclic aromatic hydrocarbon,GSH indicates glutathione,RNA indicates ribonucleic acid,and DNA indicates deoxyribonucleic acid.㊀㊀多环芳烃(PAHs)是醌类化合物在大气中的重要前体物,Ntziachristos等[24]对美国加利福尼亚地区大气颗粒物不同化学组分与OP DTT进行相关性分析,发现PAHs与OP DTT具有很高的正相关性,并提出PAHs浓度是OP DTT的良好指示物㊂Verma等[25]通过对美国洛杉矶地区大气颗粒物中半挥发性组分OP DTT的研究也得到了类似的结论㊂事实上PAHs自身几乎没有氧化还原活性,但其能够与大气中的氧化物质(如㊃OH㊁NO3和O3)发生光化学氧化还原反应或在颗粒物上发生多相反应转化为醌,从而与OP DTT呈现较好的相关性[14,26]㊂Verma等[27]采用DTT法对比了大气颗粒物中水溶性有机物和非水溶性有机物(甲醇相)以及亲水性组分和憎水性组分之间的ROS生成水平,发现颗粒物的OP DTT与棕色碳(BrC)的含量呈现明显的正相关关系,而BrC主要由腐殖质类物质(HULIS)组成㊂Lin和Yu[28]对中国珠江三角洲大气颗粒物中HULIS的研究也得到了相似的结论㊂HULIS本身的氧化还原活性很低,但是在1,4-萘醌或大气颗粒物中其他无氧化还原活性有机组分(如吡啶㊁咪唑及其烷基衍生物)的催化作用下,会增加其对DTT的消耗,原因是未质子化的氮原子可作为氢键的接收者,在ROS的生成过程中促进氢原子的转移[29]㊂二次有机气溶胶(SOA)是大气颗粒物中的重要组成部分,它的生成会加剧与颗粒物污染相关的人群健康危害(尤其是婴儿和儿童),由于SOA化学组成极其复杂,对SOA进行有效的识别和健康效应评估一直是国际气溶胶研究领域的热点和难点[30-31]㊂相关研究发现相较于生物源SOA(如异戊二烯SOA㊁α-蒎烯SOA和β-石竹烯SOA),人为源SOA(如间二甲苯SOA㊁甲苯SOA和萘SOA)通常具有更高的OPm,同时研究者还指出该类由芳香族前体物产生的人为源SOA中的醌含量几乎可以忽略不计,并推测SOA主要通过非催化途径消耗DTT[32-33]㊂这种推测随后被研究者证实,并提出芳香族SOA中的Michael受体(如CHO㊁COR㊁COOH和COOR)可通过亲核加成或共轭加成与DTT反应并形成DTT 的加合物,从而消耗DTT[34-35]㊂此外,Gant等[36]使用体外肝细胞实验,揭示了醌类也可与DTT上的硫醇基发生芳构化反应,即通过非氧化还原途径消耗DTT㊂McWhinney等[22]采用DTT法评估了低浓度NOx下,㊃OH和萘的光化学反应体系下生成SOA 的ROS生成水平,结果表明,1,2-萘醌㊁1,4-萘醌和5-第2期王嘉琦等:基于DTT法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展25㊀羟基-1,4-萘醌的贡献仅占萘SOA的OP DTT的(30ʃ5)%,研究同时发现除上述3种醌类化合物外还存在大量未知的具有氧化还原活性的萘SOA组分㊂Tobias和Ziemann[37]向烟雾箱中通入三亚乙基四胺㊁烯烃㊁酸类和臭氧,充分反应后,在生成的颗粒物中检测到了有机过氧化物,同时采用热解析-气相色谱-质谱检测验证了该类反应产物,研究同时发现生成的有机过氧化物更易附着于颗粒相中;并推测大气有机物可作为气溶胶成核核心,同时产生有机活性氧物质㊂Wang等[38]采用烟雾箱实验模拟α-蒎烯和β-蒎烯的臭氧化反应及其甲苯光化学反应,他们将生成的SOA通入水相中,并使用液相色谱-荧光检测器检测到了大量H2O2的存在㊂Docherty等[39]通过实验室模拟发现在1-丙醇㊁环己烯和甲醛存在条件下,单萜烯与臭氧可生成SOA和过氧化物,其中过氧化物占气溶胶质量分数的47%~85%,在大气中的半衰期为1周㊂上述研究揭示了SOA通过非氧化还原途径消耗DTT,同时大量的毒理学研究证实了SOA中的过氧化物可通过结合生物分子上的亲核试剂或亲核试剂位点,来导致DNA损伤及对蛋白质和脂质的修饰[35,40]㊂因此未来关于SOA的ROS生成水平研究可从非催化性途径进行深入探究㊂3㊀颗粒物粒径对OP DTT的影响(Effects of PM size on OP DTT)颗粒物粒径不同,空气动力学行为不同,对于身体内屏障的穿透力也不同,较大的颗粒物进入人体后会停留在支气管上,较小的颗粒物则会穿透呼吸屏障进入肺部,而一些超细颗粒物则更可能进入呼吸系统深部甚至参与血液循环[42-43]㊂目前关于颗粒物粒径大小与OP DTT的关系,大多数研究都表明,OPm伴随着颗粒物粒径的减小而增大㊂例如,Li 等[44]利用DTT法研究了美国加利福尼亚地区不同粒径大气颗粒物的ROS生成水平,结果表明超细颗粒物(<0.1μm)的OPm分别是粗颗粒物(2.5~10μm)和细颗粒物(<2.5μm)OPm的21.7倍和8.6倍㊂另外,研究人员在美国弗吉尼亚州[45]和佐治亚州[46]开展的相关研究也取得相似的结论㊂然而,另外一些研究也表明,与超细颗粒物相比,亚微米级颗粒物具有更高的OPm㊂例如,Sama-ra[47]在希腊塞萨洛尼基的研究发现,单位质量亚微米级颗粒物(0.49~1.0μm)的DTT活性高于超细颗粒物(<0.49μm),这种差异性可能来自于亚微米级颗粒物上富集了更多具有DTT活性的化学组分㊂此外,一些研究发现,与人类暴露水平密切相关的OPv,其峰值通常出现在颗粒物粒径范围为1~10μm左右[46,48],其中颗粒物水溶性组分OP v呈单峰态,而非水溶性组分OPv则呈双峰态分布,这种分布的差异性主要与颗粒物中金属元素与含氧有机物的相对含量有关[4]㊂4㊀颗粒物排放源对OP DTT的影响(Effects PM e-mission sources on OP DTT)近年来流行病学的研究也发现,大气颗粒物的健康效应与其来源密切相关,并且一些特殊来源的颗粒物具有更高的毒性㊂已有研究发现,短期暴露于交通源会引起哮喘患者肺功能下降,增加过敏源的反应[49-50],也会影响健康人群的血管功能[51]㊂木柴燃烧排放的颗粒物会加剧肺功能恶化[52]㊂燃油和燃煤飞灰排放的颗粒物也表现出毒性效应[53-54]㊂Wang等[55]研究发现,SOA㊁柴油车尾气和生物柴油车尾气产生的颗粒物的ROS生成水平与环境大气颗粒物相当,甚至高于环境大气颗粒物㊂Charrier 等[56]通过特制的源导向型采样系统采集不同来源的颗粒,使用DTT法测定了不同来源颗粒物的ROS生成水平,结果表明不同来源颗粒物的OPm具有显著差异:香烟>焚香>机动车尾气>室外大气颗粒物样品>餐饮源>室内颗粒物样品㊂Daellenbach等[57]通过评估瑞士多地大气颗粒物的化学组成和OP DTT,并结合欧洲空气质量模型,提出欧洲大气颗粒物质量浓度来源与OP DTT来源并不相同,即降低颗粒物浓度的政策并不一定能降低颗粒物的氧化潜势㊂因此,对OP DTT的排放源进行识别和定量是制定区域和城市人体健康保护措施的前提㊂随着近年来机动车保有量的不断增加,以机动车排放颗粒物为代表的道路交通排放正日益受到全球的普遍关注㊂大量的实验室模拟和外场观测表明,柴油机颗粒(DEP)对OP DTT具有显著贡献(表2)㊂McWhinney等[61]基于DTT法测定了DEP颗粒与城市背景点大气颗粒物的ROS生成水平,结果表明, DEP颗粒的DTT消耗速率比环境颗粒物的DTT消耗速率高一个数量级,且DEP颗粒上81%~92%的引发DTT反应的活性组分存在于水不溶相㊂Shin-yashiki等[20]也报道了DEP中水不溶性成分贡献了DTT活性的90%以上㊂DEP颗粒含有PAHs㊁硝基-PAHs(NPAHs)及含S㊁N㊁O杂原子的PAHs衍生物,26㊀生态毒理学报第17卷表2㊀不同排放源颗粒物的DTT活性汇总Table2㊀The summary of DTT responses of PM from various emission sources排放源Emission source采样点Sampling siteOP m/(pmol DTT㊃min-1㊃μg-1)参考文献References生物质燃烧有机气溶胶(BBOA)Biomass burning organic aerosol(BBOA)场地Field151ʃ20[58]烹饪有机气溶胶(COA)Cooking organic aerosol(COA)场地Field90ʃ51[58]环境大气颗粒物Ambient PM场地Field10~70[58]交通路口Traffic intersection场地Field50.9ʃ27.8[59]船舶排放Ship emissions柴油机颗粒(DEP)Diesel exhausted particles(DEP)7.1ʃ0.2[29]卡罗拉汽油机Corolla gasoline DEP12ʃ1[60]高尔夫柴油机Golf diesel DEP18ʃ3[60]高尔夫生物柴油机Golf biodiesel DEP25ʃ3[60]雅阁柴油机Accord diesel DEP23ʃ2[60]加柴油颗粒过滤器的雅阁柴油机Accord diesel with particle filterDEP19ʃ2[60]重型发动机High engine load DEP61ʃ12[61]中型发动机Medium engine load DEP23ʃ15[61]轻型发动机Low engine load DEP46ʃ15[61]木柴燃烧烟雾Wood smoke烟雾箱Chamber25.2ʃ0.9[32]稻草1&2Rice straw1&2场地Field21ʃ3[62]大麦秸秆1&2Barley straw1&2场地Field8.9ʃ1.0[62]小麦秸秆1Wheat straw1场地Field30ʃ1.4[62]稻壳1Rice husk1场地Field7.2ʃ1.6[62]小麦秸秆2Wheat straw2场地Field30ʃ2.1[62]稻壳2Rice husk2场地Field20ʃ1.0[62]陆地化石燃料燃烧Land fossil fuel combustion基于PMF模型解析Ambient PMF-derived113[13]船舶排放Ship emissions基于PMF模型解析Ambient PMF-derived196[13]生物质燃烧Biomass burning基于PMF模型解析Ambient PMF-derived17[13]二次硫酸盐Secondary sulfate基于PMF模型解析Ambient PMF-derived39[13]一般认为DEP颗粒的氧化性和毒性来源于此,此外研究还发现,DEP的颗粒提取物具有致突变性和致癌性[15,63]㊂根据Bates等[4]的综述,DEP颗粒的OP DTT主要与发动机参数㊁行驶工况㊁尾气的光化学老化及燃料类型密切相关㊂Fox等[64]基于DTT法对比了不同发动机负荷对DEP颗粒的ROS生成能力的影响,结果表明降低发动机负荷可以显著降低颗粒的OP DTT㊂Li等[15]采用DTT法对比了通入臭氧前后烟雾箱中DEP颗粒的ROS生成水平,发现新鲜和老化的颗粒物都具有引发ROS生成的能力,且老化的OP DTT更高㊂Verma等[65]研究了美国洛杉矶地区夏季昼夜变化对道路交通大气颗粒物OP DTT 的影响,结果表明,下午(11:00 14:00,太平洋夏季时间)收集到的颗粒物OP DTT明显高于早晨(6:00 9:00,太平洋夏季时间),颗粒物中水溶性有机碳(WSOC)和OP DTT呈显著相关,而WSOC主要来自于大气的二次反应产物或生物质燃烧㊂Karavalakis 等[66]也尝试探索不同混合燃料对DEP颗粒的ROS 生成水平的影响,结果表明使用生物柴油混合燃料可以显著降低排放颗粒的OP DTT㊂此外,道路交通排放和汽油车排放也常与OP DTT呈现明显的相关关系㊂Shirmohammadi等[67]在美国洛杉矶盆地(3条具有代表性的道路上和背景点南加利福尼亚大学内)利用移动采样平台采集大气颗粒物,结果显示公路上颗粒物的OP DTT最大,高于背景点2.1倍,且OP DTT与机动车磨损排放的示踪物具有强相关性㊂Verma等[68]发现美国亚特兰大地区大气颗粒物的污染来源与其OP DTT呈线性关第2期王嘉琦等:基于DTT法评估大气颗粒物氧化潜势的研究进展27㊀系,并利用正定矩阵因子分解法(PMF)将OP DTT与其他颗粒物的化学组分浓度相结合,解析出机动车排放对全年OP DTT均有贡献,所占比例为12%~25%㊂Yu等[69]将我国北京市大气细颗粒物的PMF 源解析结果与OP DTT以及多元线性回归模型相结合,有效地解析出4个OP DTT的贡献源和贡献率,分别为机动车排放(35.4%~63.7%)㊁二次硫酸盐和工业排放(3.5%~11.9%)㊁煤燃烧(13.8%~32.8%)和扬尘(3.5%~40.6%)㊂Bates等[70]利用化学质量平衡法(CMB)解析出不同来源对美国亚特兰大地区大气细颗粒物的贡献,再结合多元线性统计分析探讨不同来源的颗粒物与OP DTT的相关性,结果表明轻型汽油车的OPm最高,其次是生物质燃烧和重型柴油车㊂以上研究表明,道路交通排放是OP DTT的重要来源,其中不同机动车尾气排放的OP DTT具有较大差异,因此未来工作可聚焦于机动车燃料类型㊁道路车辆构成及机动车排放标准等方面对OP DTT影响的综合评价上㊂生物质燃烧是OP DTT的另一类重要来源㊂生物质是仅次于煤炭㊁石油和天然气的第四大能源,其燃烧过程可产生或伴生大量有毒有机污染物(如PAHs 和醛类)[71]㊂Verma等[58]发现生物质燃烧排放的有机气溶胶(BBOA)与氧化程度较高的有机气溶胶(MO-OOA),与DTT活性最相关㊂Saffari等[72]分别采集了2012年和2013年冬季希腊塞萨洛尼基地区的细颗粒物样品,并分析了颗粒物上的化学成分与ROS生成水平的关系,受2012年希腊经济危机影响,当地居民在2012年取暖季时选择了价格更为廉价的木柴来代替燃料油,研究结果表明,塞萨洛尼基地区2013年生物质燃烧示踪物(左旋葡聚糖和半乳聚糖)的浓度比2013年升高了2倍~3倍,颗粒物的ROS生成水平与生物质燃烧示踪物线性相关,证实了大量使用生物质燃料会增加颗粒物的ROS生成水平㊂Verma等[73]比较了美国南加利福尼亚州山林大火期间和火灾后大气颗粒物中生物质燃烧示踪物(钾离子和左旋葡聚糖)以及OP DTT的差异,也得到了类似的结论㊂然而,Fushimi等[62]发现不同生物质(稻草㊁大麦秸秆㊁小麦秸秆和稻壳)燃烧排放颗粒物的OPm明显低于机动车排放来源㊂此外,Vreeland 等[74]发现路边垃圾焚烧可显著增加大气细颗粒物的OPv,但该来源对颗粒物的OP m无明显影响㊂一些研究显示扬尘源也可能是OP DTT的重要来源㊂Verma等[68]发现夏季和秋季道路扬尘对美国东南部地区大气细颗粒物OP DTT的贡献约为12%㊂Liu等[75]对中国北京市沙尘天气前后大气颗粒物OP DTT对比研究发现,沙尘天气发生时颗粒物中水溶性金属元素增加,从而导致颗粒物的OP DTT显著增加㊂Secrest等[76]研究了中国内蒙古和四川地区使用家庭固体燃料排放的大气细颗粒物对农村妇女颗粒物暴露的影响,结果显示扬尘㊁生物质燃烧和煤炭燃烧是室内细颗粒物的主要来源,其中仅有扬尘与OPm呈显著正相关,而后两者则与OPm无相关性㊂然而,Chirizzi等[77]研究发现撒哈拉沙漠沙尘爆发对意大利东南部城市背景点(莱切环境气候观测站)大气颗粒物OP DTT无显著贡献㊂上述研究中,扬尘源对颗粒物OP DTT影响的差异性主要与颗粒物的化学组成和老化程度有关,首先撒哈拉沙漠沙尘对大气颗粒物质量浓度的贡献可能主要集中于地壳元素㊁海盐和胺类等不易产生氧化性的化学物质,因此不会对OP DTT产生显著贡献[6];其次,颗粒物老化会有助于硫酸铵等酸性物质的形成,进而加速金属元素的溶解度增加OP DTT[48],因此,Chirizzi等[77]收集到的这次颗粒物可能较之于其他研究较为特殊㊂此外,一些采样点因其独特的地理位置及产业模式,也会有一些显著影响OP DTT的其他排放源㊂Wang 等[13]基于PMF法和多元线性回归模型解析出泰国曼谷地区不同来源的颗粒物对OP DTT的贡献,发现船舶排放对OP DTT的贡献最高可达28%㊂值得注意的是,Samake等[78]发现生物气溶胶也能够显著影响粗颗粒物的OP DTT,其中真菌孢子的ROS生成水平是细菌的10倍㊂但考虑生物气溶胶中包含来自化石燃料燃烧所产生的黑碳(BC)[4],且研究已证实黑碳具有较高的氧化还原活性[63],因此这种生物气溶胶的源分担可能并不准确㊂5㊀OP DTT与健康效应的关系(Relationship between health effect and OP DTT)研究者发现利用模型估算的和实测的大气颗粒物OP DTT,均与心肺系统健康效应终点相关[1,3,70]㊂同时研究者也指出,相同健康效应终点下,OP DTT表现出的相关性比颗粒物质量浓度的相关性更强[1,3,70,79],且有研究发现颗粒物质量浓度未表现出与效应终点的相关性[70]㊂这佐证了氧化应激是大气颗粒物导致人体健康效应的核心机制假说[4]㊂目前在流行病学中,使用呼出气NO(fractional exhaled nitricoxide,FENO)作为OP DTT生物标记物的研究越来越多,。
植物中蔗糖酶的研究进展
植物中蔗糖酶的研究进展司丽珍① 储成才②(中国科学院遗传与发育生物学研究所 北京100101)摘 要 在大多数高等植物中,蔗糖是碳水同化产物由源向库运输的主要形式。
在库中,蔗糖酶可以把蔗糖水解为葡萄糖和果糖,以满足植物生长发育中对碳源和能源的需求。
本文综述了近年来有关蔗糖酶的一些研究进展,包括蔗糖酶的分类、基本性质、基因结构、酶活性的调节以及功能等。
关键词 植物,蔗糖酶,活性调节,功能0 引言植物在叶片中(源组织)通过光合作用将C O2固定成碳水化合物,然后运向非光合组织(库组织)。
植物大多以非还原性二糖如蔗糖的形式完成碳水同化产物由源到库的运输。
在库组织中,蔗糖被分解为己糖,为植物生长发育提供碳源和能源。
蔗糖分解主要由蔗糖合成酶(EC2.4.1.13)或蔗糖酶(E C3.2.1.26)来完成。
蔗糖合成酶是一糖基转移酶,在尿苷二磷酸(UDP)存在下把蔗糖转化为尿苷二磷酸葡萄糖和果糖。
蔗糖酶是一水解酶,把蔗糖水解为葡萄糖和果糖。
蔗糖酶有多种同工酶,分别处于不同的亚细胞位置,生化特性也不尽相同[1,2]。
虽然对它们的功能特异性还不太清楚,但已确知蔗糖酶在植物中主要参与对蔗糖不同利用途径的调节。
由于糖在植物中不仅是作为能源,而且也是基因表达的重要调节物质之一,因此蔗糖酶也间接参与细胞分化和植物发育的调控。
鉴于此,蔗糖酶的研究无论在理论上还是在实际上都具有重要意义而备受重视。
本文就近年来有关研究进展做一介绍。
1 蔗糖酶的分类根据植物中蔗糖酶所处亚细胞位置,蔗糖酶可分为液胞型蔗糖酶、细胞质型蔗糖酶和细胞壁型蔗糖酶。
前两者又统称为胞内蔗糖酶,细胞壁型蔗糖酶又被称为胞外蔗糖酶。
不同的蔗糖酶进行反应所需的最适pH值也有所不同,由此蔗糖酶又可分为酸性蔗糖酶和中性/碱性蔗糖酶。
液胞型蔗糖酶和细胞壁型蔗糖酶在pH4.5至5.0时催化效率最高,因此也称为酸性蔗糖酶。
细胞质型蔗糖酶水解蔗糖的最适pH值为中性或略微偏碱性,因此称为中性/碱性蔗糖酶。
湖南大学【无机化学】有机化学
sp2杂化态
三、 有机化合物的结构 (难点)
三、 有机化合物的结构 (难点)
3) sp杂化——CH≡CH
2p 能 量 2s
1s
基态
2p 激发
2s
1s
杂化 激发态
sp杂化态
三、 有机化合物的结构 (难点)
三、 有机化合物的结构 (难点)
3. 碳原子三种杂化态特性
杂化轨 道类型
sp
sp2
sp3
s成分 1/2 1/3 1/4
(1936—？) 美国人 (1927—？) 美国人 (1936—？) 日本人
2000年获奖
2000年获奖
2000年获奖
导电高分子聚合物
第二节 学习有机化学的重要性和方法
5. 有机化学与生命科学
1990 2005
诺 贝40 尔 奖 项30 （
20
～10
0
）
有机化学
生命科学
有机化学 生命科学
维生素B12
一、有机化合物和有机化学
无机化学 分析化学
物理有机化学 有机合成化学
化 学
有机化学
元素与金属有机化学
物理化学
生物有机化学
高分子化学
应用有机化学
一、有机化合物和有机化学
1. 有机化合物和有机化学的定义及特点 Organic ：有机的、有生命的。 Organic Compound: 最初含义是指有生机之物。
1848年与富兰克兰(林)把乙腈碱性水解得到醋酸，后来发展成氰 水解合成有机酸的一般方法
第二节 学习有机化学的重要性和方法
1854年伯赛罗(M . Brethelot)合成油脂
1850－1900年，合成有机化学时代 煤焦油化学时代
烃源岩测井识别与评价方法研究
文章编号:100020747(2002)0420050203烃源岩测井识别与评价方法研究王贵文1,朱振宇2,朱广宇3(1.石油大学(北京);2.中国科学院地质与地球物理研究所;3.东南大学)摘要:烃源岩测井评价通过纵向连续的高分辨率测井信息估算地层的有机碳含量,弥补了因取心不足而造成的在区域范围内识别与评价烃源岩的困难,为资源量估算及油气勘探决策提供地质依据。
研究了用Δlg R 、多元统计分析和人工神经网络方法根据测井信息识别与评价烃源岩的方法,用这些方法对塔里木盆地台盆区21口井寒武2奥陶系进行烃源岩层段识别与评价,将测井资料处理成果与岩心的有机地化、地质录井资料相互检验,证实所用方法基本满足烃源岩评价的需要。
图6参7(朱振宇摘)关键词:烃源岩;有机碳含量;多元统计;人工神经网络;测井信息;识别中图分类号:P631.811 文献标识码:B 有机碳含量(TOC )是反映岩石有机质丰度最主要的指标。
对岩心、岩屑样品进行有机地球化学分析,可获得有机质丰度和转化率等系列参数。
然而,岩心样品有限,分析费用昂贵且费时,特别是岩屑分析结果可能不准确。
利用测井曲线估算地层有机碳含量,既可以克服以上缺点,同时容易得到区域范围的地层有机碳含量数据,为资源量估算及油气勘探决策提供地质依据。
笔者在充分考察前人有关烃源岩测井分析方法的基础上,分析与对比Δlg R 法、多元统计分析法和人工神经网络法[127]的特点,并将这些方法运用于塔里木盆地台盆区寒武2奥陶系烃源岩的测井分析与评价中,取得了较好的效果。
1烃源岩的测井响应富含有机碳的烃源岩具有密度低和吸附性强等特征。
假设富含有机碳的烃源岩由岩石骨架、固体有机质和孔隙流体组成,非烃源岩仅由岩石骨架和孔隙流体组成(见图1a ),未成熟烃源岩中的孔隙空间仅被地层水充填(见图1b ),而成熟烃源岩的部分有机质转化为液态烃进入孔隙,其孔隙空间被地层水和液态烃共同充填(见图1c )。
微囊藻毒素-LR对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响
第52卷 第2期2024年2月西北农林科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t .S c i .E d .)V o l .52N o .2F e b .2024网络出版时间:2023-08-07 16:16 D O I :10.13207/j .c n k i .jn w a f u .2024.02.015网络出版地址:h t t ps ://l i n k .c n k i .n e t /u r l i d /61.1390.S .20230807.0830.005微囊藻毒素-L R 对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响[收稿日期] 2022-12-05[基金项目] 福建省自然科学基金项目(2020J 01256);福建省高校产学研联合创新项目(2021Y 4005);厦门理工学院研究生科技创新计划基金项目(Y K J C X 2022157) [作者简介] 马 腾(1998-),男,河南鹤壁人,在读硕士,主要从事藻毒素植物毒理研究㊂E -m a i l :1145923418@q q.c o m [通信作者] 陈国元(1980-),男,湖北襄阳人,副教授,主要从事生态毒理研究㊂E -m a i l :c h e n g y@x m u t .e d u .c n 马 腾1,袁昭瑞1,姜子涵1,陈国元1,2,李青松1,2,吴义诚1(1厦门理工学院环境科学与工程学院,福建厦门361024;2厦门市水资源利用与保护重点实验室,福建厦门361024)[摘 要] ʌ目的ɔ研究低质量浓度微囊藻毒素-L R (M C -L R )慢性暴露对生菜(L a c t u c a s a t i v a )叶片及根系非结构性碳水化合物代谢的影响,为富营养化水体在生菜灌溉中的应用提供理论指导㊂ʌ方法ɔ以散叶生菜为试验材料,采用土培试验方法,设置不同质量浓度(0(对照组),1,5,10,30μg/L )M C -L R 的水溶液灌溉生菜30d ,通过分析生菜叶片及根系中可溶性糖(葡萄糖㊁果糖和蔗糖)及淀粉含量㊁蔗糖和淀粉代谢相关酶活性的变化,探讨生菜非结构性碳水化合物代谢对M C -L R 慢性暴露的响应㊂ʌ结果ɔ10和30μg /L M C -L R 组生菜对M C -L R 的富集系数较5μg/L M C -L R 组分别显著上升10.85%和17.83%(P <0.05),而对M C -L R 的转运系数分别显著下降17.46%和13.85%(P <0.05)㊂与对照组相比,1μg /L M C -L R 组生菜净光合速率显著提高了9.17%(P <0.05),叶片中果糖含量及根系中葡萄糖含量和淀粉酶(A M S )活性分别显著增加了52.71%,19.13%和37.01%(P <0.05);5,10和30μg/L M C -L R 组生菜净光合速率提高,但差异不显著(P >0.05),叶片和根系中葡萄糖㊁果糖和蔗糖含量均显著增加(P <0.05),叶片中性转化酶(N I )活性分别显著降低了27.10%,38.01%和37.29%(P <0.05),淀粉合成酶活性分别显著增加20.92%,24.57%和30.28%(P <0.05),根系蔗糖合成酶㊁蔗糖磷酸合成酶(S P S )和AM S 活性均显著增加(P <0.05)㊂ʌ结论ɔ1μg/L M C -L R 水溶液灌溉对生菜叶片和根系中非结构性碳水化合物的分布和代谢影响较弱;而5~30μg/L M C -L R 水溶液灌溉通过促进生菜根系淀粉分解和蔗糖代谢活性,维持体内较高浓度的可溶性糖,从而提高生菜的抗逆性㊂[关键词] 微囊藻毒素;生菜;慢性暴露;可溶性糖;淀粉[中图分类号] S 645.9[文献标志码] A[文章编号] 1671-9387(2024)02-0135-10E f f e c t o f m i c r o c y s t i n -L R o n n o n -s t r u c t u r a l c a r b o h yd r a te m e t a b o l i s m i n L a c t u c a s a t i v aMA T e n g 1,Y U A N Z h a o r u i 1,J I A N G Z i h a n 1,C H E N G u o y u a n 1,2,L I Q i n g s o n g 1,2,WU Y i c h e n g1(1C o l l e g e o f E n v i r o n m e n t S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,X i a m e n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,X i a m e n ,F u ji a n 361024,C h i n a ;2T h e K e y L a b o r a t o r y o f W a t e r R e s o u r c e s U t i l i z a t i o n a n d P r o t e c t i o n o f X i a m e n ,X i a m e n ,F u ji a n 361024,C h i n a )A b s t r a c t :ʌO b j e c t i v e ɔT h i s s t u d y i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f c h r o n i c e x p o s u r e t o l o w c o n c e n t r a t i o n s o f m i -c r o c y s t i n -L R (M C -L R )o n m e t a b o l i s m o f n o n -s t r u c t u r a l c a r b o h yd r a te s i n l e t t u c e (L a c t u c a s a t i v a )l e a v e s a n d r o o t s t o p r o v i d e g u i d a n c ef o r t h e a p p l i c a t i o n o f e u t r o p h i c w a t e r b o d i e s i n l e t t u c e i r r i ga t i o n .ʌM e t h o d ɔS o i l c u l t u r e e x p e r i m e n t w a s c a r r i e d o u t t o i r r i ga t e l o o s e l e a f l e t t u c e w i t h M C -L R s o l u t i o n s a t d i f f e r e n t c o n -c e n t r a t i o n s (0(c o n t r o l g r o u p ),1,5,10a n d 30μg /L )f o r 30d a y s .T h e r e s p o n s e o f n o n -s t r u c t u r a l c a rb o h y-d r a t e m e t a b o l i s m a f t e r c h r o n i c e x p o s u r e t o M C -L R w a s a n a l y z e d t h r o u g h t h e c h a n ge s i n c o n t e n t s of s o l u b l e s ug a r s (g l u c o s e ,f r u c t o s e a n d s u c r o s e )a n d s t a r ch a n d a c ti v i t i e s o f e n z ym e s r e l a t e d t o s u c r o s e a n d s t a r c hm e t a b o l i s m i n l e a v e s a n d r o o t s.ʌR e s u l tɔA f t e r30d a y s o f i r r i g a t i o n w i t h M C-L R s o l u t i o n s a t c o n c e n t r a-t i o n s o f10a n d30μg/L,t h e e n r i c h m e n t f a c t o r s o f M C-L R w e r e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d b y10.85%a n d17.83%(P<0.05)i n c o m p a r i s o n t o t h a t o f5μg/L,w h i l e t h e t r a n s l o c a t i o n f a c t o r s w e r e s i g n i f i c a n t l y d e-c r e a s ed b y17.46%a n d13.85%(P<0.05),re s p e c t i v e l y.C o m p a r e d w i t h t h e c o n t r o l g r o u p,t h e n e t p h o t o-s y n t h e t i c r a t e of l e t t u c e i n t h eg r o u p w i t h1μg/L M C-L R w a s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d b y9.17%(P< 0.05),f r u c t o s e c o n t e n t i n l e a v e s,g l u c o s e c o n t e n t a n d a m y l a s e(AM S)a c t i v i t i e s i n r o o t s w e r e i n c r e a s e d b y52.71%,19.13%a n d37.01%,r e s p e c t i v e l y(P<0.05).T h e n e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e s o f l e t t u c e w i t h5,10a n d30μg/L M C-L R w e r e i n c r e a s e d i n s i g n i f i c a n t l y(P>0.05),g l u c o s e,f r u c t o s e a n d s u c r o s e c o n t e n t s i n l e a v e s a n d r o o t s w e r e i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y(P<0.05),w h i l e l e a f n e u t r a l i n v e r t a s e(N I)a c t i v i t i e s w e r e d e c r e a s e db y27.10%,38.01%a n d37.29%(P<0.05),r e s p ec t i v e l y.S t a r c h s y n t h a s e a c t i v i t i e s w e r e s i g n i-f i c a n t l y i n c r e a s ed b y20.92%,24.57%,a n d30.28%(P<0.05),a n d r o o t s u c r o se s y n t h a s e,s u c r o s e p h o s-p h a t e s y n t h a s e(S P S)a n d AM S a c t i v i t i e s w e r e s i g n if i c a n t l y i n c r e a s e d(P<0.05).ʌC o n c l u s i o nɔI r r ig a t i o n w i t h1μg/L M C-L R a q u e o u s s o l u t i o nh a d w e a k e f f e c t s o n di s t r i b u t i o n a n d m e t a b o l i s m o f n o n-s t r u c t u r a l c a r b o h y d r a t e s i n l e t t u c e l e a v e s a n d r o o t s,w h i l e i r r i g a t i o n w i t h5-30μg/L M C-L R a q u e o u s s o l u t i o n s m a i n-t a i n e d h i g h c o n c e n t r a t i o n s o f s o l u b l e s u g a r s b y p r o m o t i n g a m y l o l y t i c a n d s u c r o s e m e t a b o l i c a c t i v i t i e s i n l e-t t u c e r o o t s,s o a s t o i m p r o v e t h e r e s i s t a n c e a n d a d a p t a b i l i t y o f l e t t u c e t o a d v e r s i t y s t r e s s.K e y w o r d s:m i c r o c y s t i n s;L a c t u c a s a t i v a;c h r o n i c e x p o s u r e;s o l u b l e s u g a r;s t a r c h随着自然资源的过度开发和工农业的快速发展,氮㊁磷等营养物质大量排入水系,水体富营养化严重,导致全球范围内频繁发生蓝藻水华,其中微囊藻水华最为常见,持续时间也最长㊂有研究表明,发生水华的微囊藻中有60%~70%是产毒的[1],因此富营养化水体中微囊藻毒素(m i c r o c y s t i n,M C s)广泛存在㊂M C s是由7个氨基酸组成的单环七肽,其环状复杂的结构使其在自然降解过程中极难消除[2]㊂目前已发现100多种M C s同分异构体,其中以微囊藻毒素-L R(M C-L R)分布最广㊁毒性最强[3-5],其在自然水体中的质量浓度通常低于30μg/L[4-5]㊂目前,引地表水灌溉是我国农田的主要灌溉措施之一㊂大量研究表明,低质量浓度(<50μg/L)M C-L R暴露对植物的生长和生理特性具有一定的影响[6-7]㊂顾艳芳等[8]使用M C s(5~50μg/L)胁迫黄瓜(C u c u m i s s a t i v u s L.)7d后,其叶片中的过氧化物酶(P O D)活性和过氧化氢酶(C A T)活性均有所上升㊂G u等[9]研究发现,黄瓜和水稻(O r y z a s a t i v a)植株经5和10μg/L M C-L R 水溶液灌溉后,随着胁迫时间的延长,植株体内超氧阴离子(O-㊃2)㊁过氧化氢(H2O2)和丙二醛(M D A)含量增加,而其相对生长速率降低㊂陈国元等[10]研究表明,30μg/L M C-L R慢性暴露30d可以显著降低水雍菜(I p o m o e a a q u a t i c a)叶片的叶绿素含量㊂在植物的生理生化指标中,非结构性碳水化合物(n o n-s t r u c t u r a l c a r b o h y d r a t e m,N S C)是一种重要的能量物质,主要参与植物的生长代谢㊂N S C由植物光合作用产生,并用于呼吸作用,主要由可溶性糖(葡萄糖㊁果糖㊁蔗糖)和淀粉等组成[11]㊂环境条件的变化可以引起植物体内N S C分布及代谢的改变,如干旱处理下,甘蔗(S a c c h a r u m o f f i c i n a r u m L.)体内的可溶性糖含量明显提高[12],耐旱小麦(T r i t i c u m a e s t i v u m L.)品种植株体内蔗糖磷酸合成酶(S P S)活性显著升高[13];低温处理下,龙眼(D i m o c a r p u s l o n g a n L o u r.)中酸性转化酶(A I)和中性转化酶(N I)活性减弱[14];水杨酸处理会导致黄瓜幼苗体内的S P S和淀粉酶(AM S)活性显著上升[15]㊂植物体内N S C含量的变化可以反映植物生长水平和抗逆过程中的调节作用[16]㊂而目前关于M C-L R慢性暴露条件下植物体内N S C分布及代谢的研究还比较缺乏,对于植物抗逆性的机制还不清楚㊂因此,探究低质量浓度M C-L R慢性暴露对植物体内N S C代谢的影响,对于研究M C-L R暴露条件下植物生长状况及其对环境胁迫的响应机制具有重要意义㊂生菜(L a c t u c a s a t i v a)是叶用莴苣的俗称,为莴苣属一年生或二年生草本作物㊂生菜营养价值高,富含胡萝卜素㊁维生素及矿物质等营养成分,并且口感脆嫩㊂经过多年的自然选择和人工培育,生菜已成为人们日常生活中最重要的蔬菜之一㊂本试验以生菜为材料,通过灌溉低质量浓度(0~30μg/L) M C-L R水溶液,探究M C-L R慢性暴露条件下生菜631西北农林科技大学学报(自然科学版)第52卷叶片和根系中可溶性糖(葡萄糖㊁果糖㊁蔗糖)和淀粉含量及其代谢关键酶活性的变化,以期为富营养化水体在生菜灌溉中的应用提供理论指导㊂1材料与方法1.1试验材料散叶生菜种子,购于河北省青县艾森蔬菜良种推广中心㊂营养土,购于山东省漫德莱农业科技有限公司㊂M C-L R(C a l b i o c h e m,德国),纯度ȡ95%,购于上海恒远生物科技有限公司㊂1.2试验方法选择颗粒饱满㊁无病虫害的生菜种子,浸种催芽后选取露白一致的种子,种植在50穴的育苗盘中,覆盖0.5c m营养土,浇水200m L,放入MG C-450B P Y-2智能型光照培养箱(上海一恒科学仪器有限公司)中培养㊂培养条件:光强180μm o l/(m2㊃s),温度(20ʃ3)ħ,明暗比12h/12h㊂待生菜生长到四叶期移栽到7c mˑ7c m的营养钵中,分为对照组和4个处理组,每组9株生菜㊂对照组生菜每天灌溉超纯水50m L/株,4个处理组生菜每天灌溉不同质量浓度(0(对照,C K),1,5,10,30μg/L)的M C-L R水溶液50m L/株㊂培养30d后,原位测定叶片净光合速率(P n),并采样测定土壤㊁叶片及根系中的M C-L R质量浓度㊁叶片及根系中的可溶性糖(蔗糖㊁果糖和葡萄糖)和淀粉含量以及S P S㊁A I㊁N I㊁AM S㊁蔗糖合成酶和淀粉合成酶活性㊂1.3测定项目及测定方法选择顶部完全展开叶片,使用T A R G A-1便携式光合作用测定仪(美国汉莎科学仪器有限公司)测定P n,激发光强为200μm o l/(m2㊃s),记录间隔时间5s㊂叶片及根系中葡萄糖含量采用G O D-P O D比色法测定[17],蔗糖和果糖含量采用间苯二酚比色法测定[18-19],淀粉含量采用蒽酮比色法测定[20],A I和N I活性采用3,5-二硝基水杨酸法[21]测定,试剂盒均购自北京索莱宝科技有限公司㊂土壤和植物体内的M C-L R含量以及蔗糖合成酶㊁淀粉合成酶㊁S P S 和AM S活性采用双抗体夹心法测定,试剂盒均购自上海恒远生物科技有限公司㊂生菜对M C-L R的富集系数(b i o c o n c e n t r a t i o n f a c t o r,B C F)和转运系数(t r a n s l o c a t i o n f a c t o r,T F)分别按如下公式计算:B C F=C v/C s;(1)T F=C u/C d㊂(2)式中:C v为生菜中M C-L R的总含量(n g/g),C s为种植生菜土壤中的M C-L R含量(n g/g),C u为生菜地上部M C-L R含量(n g/g),C d为生菜地下部M C-L R含量(n g/g)㊂1.4数据分析试验数据采用M i c r o s o f t E x c e l进行计算处理,利用S P S S27.0软件中的A N O V A法进行统计学分析,运用O r i g i n2022软件绘图㊂2结果与分析2.1 M C-L R对土壤及生菜体内M C-L R含量的影响由图1可知,不同质量浓度(1,5,10,30μg/L) M C-L R处理组土壤及生菜根系和叶片中均可检测到M C-L R,且土壤及生菜根系㊁叶片中的M C-L R 含量均随着灌溉水溶液中M C-L R质量浓度的增加而上升,各M C-L R处理组均以土壤中的M C-L R含量最高,生菜根系次之,叶中最低,且每一个M C-L R 处理组内土壤㊁根系和叶片中的M C-L R含量相互间均存在显著差异(P<0.05)㊂图柱上标不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)㊂图2同D i f f e r e n t l o w e r c a s e l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c ea m o n g d i f f e r e n t t r e a t m e n t s(P<0.05).T h e s a m e f o r F i g.2图1不同质量浓度M C-L R水溶液灌溉处理对土壤及生菜体内M C-L R含量的影响F i g.1 E f f e c t o f i r r i g a t i o n w i t h M C-L R a q u e o u s s o l u t i o n a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n M C-L R c o n t e n t i n s o i l a n d l e t t u c e由表1可知,生菜对M C-L R的富集系数随着灌溉水溶液中M C-L R质量浓度的增加而有不同程度上升,10与30μg/L M C-L R组生菜中的M C-L R 富集系数无显著差异(P>0.05),但均显著高于1和5μg/L M C-L R组(P<0.05),较5μg/L M C-L R 组分别上升了10.85%和17.83%㊂生菜对M C-L R 的转运系数随M C-L R质量浓度的增大而呈现先增加后降低趋势,以5μg/L M C-L R组的转运系数最大,显著高于1,10和30μg/L M C-L R组,较之分别731第2期马腾:微囊藻毒素-L R对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响上升了25.42%,17.46%和13.85%,而后3组之间差异不显著(P >0.05)㊂表1 不同质量浓度M C -L R 组生菜对M C -L R 的富集系数和转运系数T a b l e 1 B C F a n d T F o f M C -L R i n g r o u p s i r r i g a t e d w i t h M C -L R a qu e o u s s o l u t i o n s a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s M C -L R /(μg ㊃L -1)富集系数B C F转运系数T FM C -L R /(μg ㊃L -1)富集系数B C F转运系数T F11.11ʃ0.11c 0.59ʃ0.04b101.43ʃ0.10a0.63ʃ0.08b51.29ʃ0.22b0.74ʃ0.27a301.52ʃ0.10a0.65ʃ0.03b注:同列数据后标不同小写字母表示处理间差异显著㊂N o t e :D i f f e r e n t l o w e r c a s e l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s a m o n g di f f e r e n t t r e a t m e n t s .2.2 M C -L R 对生菜P n 的影响由图2可知,1,5,10和30μg/L M C -L R 组生菜叶片P n 较对照组分别上升了9.17%,4.64%,3.37%和3.85%,其中1μg/L M C -L R 组与对照组之间存在显著差异(P <0.05);4个M C -L R 组间生菜叶片P n 差异均不显著(P >0.05)㊂2.3 M C -L R 对生菜叶片和根系可溶性糖及淀粉含量的影响由图3(a )可知,1μg/L 组生菜叶片葡萄糖含量与对照组相比无显著性变化(P >0.05);5,10和30μg /L M C -L R 组生菜叶片葡萄糖含量较对照组分别增加了41.11%,57.89%和135.05%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂1,5,10和30μg/L M C -L R 组生菜根部葡萄糖含量分别较对照组增加19.13%,24.17%,23.92%和25.65%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂图2 不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉对生菜P n 的影响F i g .2 E f f e c t o f i r r i g a t i o n w i t h M C -L R a qu e o u s s o l u t i o n a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n n e tp h o t o s yn t h e t i c r a t e o f l e t t u c e 图柱上标不同小写字母表示根系不同处理间差异显著(P <0.05),标不同大写字母表示叶片不同处理间差异显著(P <0.05)㊂下同D i f f e r e n t l o w e r c a s e l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n r o o t s a m o n g d i f f e r e n t t r e a t m e n t s (P <0.05),a n d d i f f e r e n t c a pi t a l l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n l e a v e s a m o n g di f f e r e n t t r e a t m e n t s (P <0.05).T h e s a m e b e l o w 图3 不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉对生菜根系㊁叶片中可溶性糖及淀粉含量的影响F i g .3 E f f e c t s o f i r r i g a t i o n w i t h M C -L R a q u e o u s s o l u t i o n a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n c o n t e n t s o f s o l u b l e s u ga r a n d s t a r c h o f l e t t u c e r o o t s a n d l e a v e s831西北农林科技大学学报(自然科学版)第52卷图3(b )表明,1,5,10和30μg /L 组生菜叶片果糖含量较对照组分别增加了52.71%,49.38%,145.42%和232.29%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂1μg/L M C -L R 组生菜根部果糖含量与对照组相比无显著性变化(P >0.05);5,10和30μg /L M C -L R 组生菜根部果糖含量分别较对照组增加了56.09%,91.60%和135.51%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂由图3(c )可知,1μg/L M C -L R 组生菜叶片和根系中蔗糖含量与对照组相比均无显著性差异(P >0.05);5,10和30μg/L M C -L R 组叶片和根系中蔗糖含量较对照组分别增加89.74%,147.62%,210.59%和102.90%,143.89%,242.20%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂从图3(d )可以看出,1,5,10和30μg/L 组生菜叶片淀粉含量较对照组均有不同程度的增加,但差异性均不显著(P >0.05)㊂1μg/L M C -L R 组生菜根部淀粉含量较对照组增加了3.49%,5,10和30μg /L M C -L R 组生菜根部淀粉含量较对照组分别减少了9.19%,8.24%和11.28%,但各处理间差异均不显著(P >0.05)㊂2.4 M C -L R 对生菜叶片和根系蔗糖合成酶㊁S P S ㊁A I 及N I 活性的影响不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉30d 后,生菜叶片和根系中的蔗糖合成酶㊁S P S ㊁A I ㊁N I 活性的变化如图4所示㊂由图4(a )可见,1,5和10μg /L M C -L R 组生菜叶片蔗糖合成酶活性较对照组有不同程度上升,但差异不显著(P >0.05);30μg /L M C -L R 组叶片蔗糖合成酶活性较对照组显著升高47.27%(P <0.05)㊂1μg/L M C -L R 组生菜根部蔗糖合成酶活性与对照组相比无显著差异(P >0.05);5,10和30μg/L M C -L R 组根部蔗糖合成酶活性较对照组分别升高了21.39%,20.41%和23.29%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂图4 不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉对生菜根系和叶片中蔗糖合成酶㊁蔗糖磷酸合成酶㊁酸性转化酶及中性转化酶活性的影响F i g .4 E f f e c t s o f i r r i g a t i o n w i t h M C -L R a q u e o u s s o l u t i o n a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n a c t i v i t i e s o f s u c r o s e s yn t h a s e ,s u c r o s e p h o s p h a t e s yn t h a s e ,a c i d i c c o n v e r t a s e a n d n e u t r a l c o n v e r t a s e o f l e t t u c e r o o t s a n d l e a v e s 由图4(b )可知,1,5,10和30μg /L M C -L R 组生菜叶片S P S 活性较对照组均有不同程度上升,但差异均不显著(P >0.05)㊂1μg/L M C -L R 组生菜根部S P S 活性与对照组相比无显著变化(P >0.05);5,10和30μg/L M C -L R 组较对照组均显著升高,增幅分别为21.67%,18.33%和20.33%(P <0.05)㊂由图4(c )可知,1,5和10μg/L M C -L R 组生菜叶片A I 活性较对照组均无显著变化(P >0.05);30μg /L M C -L R 组生菜叶片A I 活性较对照组升高931第2期马 腾:微囊藻毒素-L R 对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响41.47%,具有显著性差异(P <0.05)㊂各处理根系A I 活性与对照组相比均无显著变化(P >0.05)㊂图4(d )显示,1,5,10和30μg /L M C -L R 组生菜叶片N I 活性较对照组分别降低21.60%,27.10%,38.01%和37.29%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂1,5,10和30μg/L M C -L R 组生菜根部N I 活性较对照组分别升高11.49%,9.86%,8.19%和1.49%,但差异均不显著(P >0.05)㊂2.5 M C -L R 对生菜叶片和根系淀粉合成酶及AM S 活性的影响不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉30d 后,其对生菜叶片和根系淀粉合成酶和淀粉酶(AM S )活性的影响如图5所示㊂图5 不同质量浓度M C -L R 水溶液灌溉对生菜根系和叶片中淀粉合成酶㊁淀粉酶活性的影响F i g .5 E f f e c t s o f i r r i g a t i o n w i t h M C -L R a qu e o u s s o l u t i o n a t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o n a c t i v i t i e s o f s t a r c h s y n t h a s e a n d a m yl a s e o f l e t t u c e r o o t s a n d l e a v e s 由图5(a )可知,1μg/L M C -L R 组生菜叶片淀粉合成酶活性较对照组升高12.67%,但二者差异不显著(P >0.05);5,10和30μg/L M C -L R 组叶片淀粉合成酶活性较对照组分别升高20.92%,24.57%,30.28%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂1,5,10和30μg/L M C -L R 组生菜根部淀粉合成酶活性与对照组相比均无显著性差异(P >0.05)㊂由图5(b )可见,1,5,10和30μg /L M C -L R 组生菜叶片AM S 活性较对照组均有不同程度上升,但差异均不显著(P >0.05),而生菜根部AM S 活性较对照组分别升高37.01%,55.30%,54.22%和53.42%,差异均达显著水平(P <0.05)㊂3 讨 论3.1 生菜对M C -L R 的富集和转运特性用含有M C s 的水灌溉农作物后,M C s 会在土壤和植物体内积累[22]㊂本试验表明,土壤及生菜体内的M C -L R 含量随着灌溉用水中M C -L R 质量浓度的增加而呈上升趋势㊂M o h a m e d 等[23]研究发现,用含有M C s 的水灌溉6种蔬菜后,植株体内的M C s 总量与灌溉水中的M C s 质量浓度呈显著正相关关系(r =0.92)㊂一般来说,M C -L R 质量浓度越高且暴露的时间越长,植物中积累的M C -L R 含量就越高[24-25]㊂S a qr a n e 等[26]研究表明,用含有M C s 的水灌溉后,硬粒小麦(T r i t i c u m d u r u m )㊁玉米(Z e a m a ys )㊁豌豆(P i s u m s a t i v u m )和兵豆(L e n s e c u l e n t a c u l t i v a r s )植株内M C s 的积累量不同㊂另外,同种植物不同器官中的M C s 积累量也存在一定差异,如硬粒小麦㊁玉米及兵豆根系中的M C -L R 含量高于茎叶,而豌豆根系中的M C -L R 含量低于茎叶[26]㊂本试验结果表明,在所有M C -L R 组中,生菜根系中的M C -L R 含量都显著高于叶片㊂B C F 和T F 是评价污染物在植物体内累积和迁移的重要指标[27],其中B C F 可用以评价生菜从土壤中富集M C -L R 的能力,T F 可用以评价生菜自身从根部向上转运M C -L R 的能力㊂有研究表明,在高质量浓度M C -L R (500~10000μg/L )的严重胁迫下,青菜和水稻对M C -L R 的富集能力随M C -L R 质量浓度的增加而逐渐降低[28]㊂而本研究结果显示,在较低质量浓度M C -L R (1~30μg/L )水溶液灌溉条件下,随着灌溉溶液中M C -L R 质量浓度的增加,其富集系数呈上升趋势,但仍然处于文献[29]报道的富集系数范围(0.84~10.4)之内,表明随土壤中M C -L R 含量的增加,生菜从土壤中富集M C -L R 的能力逐渐增强㊂而随土壤中M C -L R 含量的增加,生菜根系转运系数呈现先增加后降低的趋势,表明10和30μg/L M C -L R 水溶液灌溉条件下生菜从地下部分向地上部分转运M C -L R 的能力降低,导致植株041西北农林科技大学学报(自然科学版)第52卷从土壤中富集的M C-L R更多储存在根系中㊂3.2 M C-L R对生菜N S C分布的影响植物中可溶性糖(葡萄糖㊁果糖和蔗糖)的分布对环境变化高度敏感,不同程度的环境胁迫会影响植物源器官和库器官中碳水化合物的供应[30]㊂可溶性糖的关键作用是通过糖代谢产生更多的保护性物质,为正常的代谢过程提供能源,同时也可以提高细胞的渗透势,增强其保水性能,是细胞维持正常生理代谢功能所必需的物质[31]㊂在逆境条件下,植物可以通过增加可溶性糖含量来提高其对环境的适应性[32]㊂刘硕等[12]研究发现,干旱胁迫后甘蔗的可溶性糖含量明显提高,植物通过自身糖类的代谢响应逆境胁迫㊂本试验表明,用5~30μg/L M C-L R水溶液灌溉生菜后,其根系和叶片中的蔗糖㊁果糖及葡萄糖含量均显著增加,表明生菜对M C-L R的胁迫做出了生物反应,即通过增加可溶性糖含量提高自身抗逆性㊂另外,可溶性糖是生菜的重要营养物质[33],是评价生菜生长和品质的一项重要因子[34],一定质量浓度的M C-L R水溶液灌溉可以通过增加生菜体内可溶性糖的含量,从而对其营养品质产生明显影响㊂淀粉是植物体中的重要储能物质,淀粉与可溶性糖之间的互相转化程度,可以反映植物对环境变化的响应情况[35]㊂淀粉在植物叶片叶绿体中由光合作用暗反应产生的磷酸丙糖(T P)进一步转化成的6-磷酸果糖(F6P)㊁6-磷酸葡萄糖(G6P)和1-磷酸葡萄糖(G1P)合成[11]㊂本研究表明,1~30μg/L M C-L R水溶液灌溉30d后,生菜叶片中的淀粉含量均有一定程度增加,根系中的淀粉含量随M C-L R 质量浓度的增大呈现先增加后减少的趋势,但差异均不显著㊂叶片淀粉含量变化可能是因为M C-L R 慢性暴露条件下,叶片的光合作用有一定程度的增强,从而导致叶片可溶性糖和淀粉均有不同程度的积累㊂魏春燕等[36]研究表明,60%遮荫情况下,七子花(H e p t a c o d i u m m i c o n i o i d e s)叶片中的可溶性糖含量增加造成淀粉含量积累㊂但是本试验中,生菜叶片中富集的M C-L R促使生菜叶片需要较多的可溶性糖来增加其抗逆性,导致淀粉含量增加不显著㊂而根系中的M C-L R含量显著高于叶片(P< 0.05),生菜根系处于严重胁迫条件下时,淀粉分解为更多的可溶性糖,以提高生菜根系对M C-L R的适应性㊂3.3 M C-L R对生菜蔗糖代谢相关酶活性的影响植物体内蔗糖合成酶既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解,而蔗糖磷酸合成酶(S P S)则被认为是催化蔗糖合成的主要酶㊂潘庆民等[37]对小麦蔗糖含量与蔗糖合成酶及S P S活性的相关性研究表明,蔗糖合成酶和S P S是催化蔗糖合成和降解的关键酶㊂另外,植物体内的转化酶也是蔗糖代谢的关键酶,其可以不可逆地催化蔗糖分解为葡萄糖和果糖,根据最适p H,可将其主要分为酸性转化酶(A I)和中性转化酶(N I),均在植物生长发育及应对环境胁迫中起重要作用[38]㊂目前的研究表明,蔗糖在液泡和质外体中被转化酶分解,在细胞质中被S P S和蔗糖合成酶重新合成和分解[39]㊂N e m a t i等[13]研究发现,干旱胁迫条件下耐旱小麦品种植株体内S P S活性显著升高,干旱胁迫下S P S显著参与蔗糖积累的调控㊂本研究表明,5~30μg/L M C-L R水溶液灌溉后,生菜根系和叶片中的蔗糖合成酶和S P S活性均有不同程度的提高,生菜体内蔗糖的合成与分解更加活跃㊂同时,生菜根系和叶片中的转化酶活性显著高于蔗糖合成酶活性,说明生菜体内转化酶在蔗糖分解方面起主要作用㊂大量研究表明,转化酶在植物正常生长中的作用远远大于蔗糖合成酶[40],与本研究结果一致㊂另外,1~10μg/L M C-L R水溶液灌溉后生菜叶片和根系中A I活性无显著性变化,而叶片中的N I活性显著降低,说明叶片中的N I 活性对M C-L R暴露比较敏感㊂30μg/L M C-L R水溶液灌溉后,生菜叶片中的A I活性显著增加,而N I 活性显著降低,说明30μg/L M C-L R水溶液灌溉可以诱导生菜叶片中酸性转化酶的表达,而抑制中性转化酶的表达,酸性转化酶使一分子蔗糖转化为两分子的己糖用于细胞的渗透调节[41]㊂关博洋等[14]研究发现,龙眼中A I和N I活性随着温度的降低而减弱,以延缓蔗糖代谢㊂本试验表明,5~30μg/L M C-L R水溶液灌溉后,生菜根系中A I和N I均无显著性变化,而根系中的S P S活性显著上升,从而导致生菜根系中的蔗糖含量显著增加㊂3.4 M C-L R对生菜淀粉代谢相关酶活性的影响植物体内淀粉在造粉体中的淀粉合成酶和AM S作用下持续合成与分解[39]㊂同时有研究表明,植物体内淀粉的合成还依赖于蔗糖的供应,植物组织中淀粉的积累与S P S和AM S活性密切相关[42]㊂卢素锦等[43]研究发现,在低浓度N a2C O3胁迫下,青海星星草(P u c c i n e l l i a t e n u i f l o r a c v.)体内AM S活性的增强促进淀粉转化为可溶性糖,导致植株体内可溶性糖含量显著提高㊂葛淑芳等[44]研究显示,施用低浓度水杨酸有利于增强烟草叶片中的141第2期马腾:微囊藻毒素-L R对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响S P S和AM S活性,从而导致烟草植株体内蔗糖含量增加而淀粉含量降低㊂Z h a n g等[15]的研究也发现,水杨酸处理条件下黄瓜幼苗体内的S P S和AM S活性显著上升,从而促进了植株体内蔗糖的合成和淀粉的分解㊂本研究表明,M C-L R(5~30μg/L)水溶液灌溉后生菜叶片中的淀粉合成酶活性显著上升,AM S活性也有一定程度增强,叶片中淀粉的合成与分解比较活跃㊂同时,5~30μg/L M C-L R水溶液灌溉后,生菜根系中淀粉合成酶活性无显著性变化,但是根系S P S和AM S活性均显著上升,说明M C-L R(5~30μg/L)水溶液灌溉促进了生菜根部蔗糖的合成和淀粉的分解,这与生菜根系中淀粉含量一定程度下降而蔗糖等可溶性糖含量显著上升的结果一致㊂4结论1μg/L M C-L R水溶液灌溉对生菜叶片及根系中N S C分布及其代谢关键酶活性影响较弱㊂5~30μg/L M C-L R水溶液灌溉条件下,生菜叶片及根系中N S C的分布及代谢响应存在差异㊂生菜P n一定程度的升高,导致叶片中可溶性糖和淀粉含量均增加,而根系中存在的较高浓度M C-L R使根部蔗糖及淀粉代谢关键酶活性产生不同程度的改变,从而影响淀粉与蔗糖等可溶性糖的分布,导致根系淀粉含量一定程度的下降,而蔗糖等可溶性糖含量显著上升㊂生菜体内淀粉与蔗糖代谢的调节及淀粉与可溶性糖之间的分配策略,对于生菜应对M C-L R 的慢性暴露具有积极的意义㊂[参考文献][1]谢平.蓝藻水华及其次生危害[J].水生态学杂志,2015,36(4):1-13.X i e P.C y a n o b a c t e r i a l b l o o m s a n d t h e i r s e c o n d a r y h a r m s[J].J o u r n a l o f H y d r o e c o l o g y,2015,36(4):1-13.[2]李效宇,宋立荣,刘永定.微囊藻毒素的产生㊁检测和毒理学研究[J].水生生物学报,1999,23(5):517-523.L i X Y,S o n g L R,L i u Y D.T h e p r o d u c t i o n,d e t e c t i o n a n d t o x i-c o l o g y o f m i c r o c y s t i n s[J].A c t a H yd r o b i o l o g i c a l S i n i c a,1999,23(5):517-523.[3]W u J,S h a o S,Z h o u F,e t a l.R e p r o d u c t i v e t o x i c i t y o n f e m a l em i c e i n d u c e d b y m i c r o c y s t i n-L R[J].E n v i r o n m e n t a l T o x i c o l o-g y a n d P h a r m a c o l o g y,2014,37:1-6.[4]万翔,邰义萍,王瑞,等.洱海水华期间饮用水源区产毒微囊藻和微囊藻毒素-L R的分布特征[J].环境科学学报,2017, 37(6):2040-2047.W a n X,T a i Y P,W a n g R,e t a l.D i s t r i b u t i o n p a t t e r n s o f m i c r o-c y s t i n s-p r od u c i n g m i c r o c y s t i s a n d m i c r o c y s t i n-L R d u r i n gb l o o m s i n d r i n k i n g w a t e r s o u rc e a r e a s o f L a k e E r h a i[J].A c t aS c i e n t i a e C i r c u m s t a n t i a e,2017,37(6):2040-2047. [5]魏代春,苏婧,陈学民,等.阳澄湖和滆湖微囊藻毒素分布及其与富营养化因子的关系[J].环境工程学报,2014,8(6): 2322-2328.W e i D C,S u J,C h e n X M,e t a l.D i s t r i b u t i o n o f m i c r o c y s t i n sa n d i t s r e l a t i o n s h i p w i t h e u t r o p h i c a t i o n f a c t o r s i n Y a n g c h e n gL a k e a n d G e h u L a k e[J].C h i n e s e J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g,2014,8(6):2322-2328.[6] A z e v e d o C C,A z e v e d o J,O sór i o H,e t a l.E a r l y p h y s i o l o g i c a la n db i oc h e m i c a l r e s p o n s e s o f r i c e s e ed l i n g s t o l o w c o n ce n t r a-t i o n o f m i c r o c y s t i n-L R[J].E c o t o x i c o l o g y,2014,23:107-121.[7]张敏敏,姜锦林,周军英,等.环境相关浓度M C-L R作用对营养生长期水稻生长和抗氧化酶活性的影响[J].农业环境科学学报,2014,33(12):2296-2302.Z h a n g M M,J i a n g J L,Z h o u J Y,e t a l.E f f e c t s o f m i c r o c y s t i n-L R a t e n v i r o n m e n t a l r e l e v a n t c o n c e n t r a t i o n s o n g r o w t h a n d a n-t i o x i d a n t e n z y m e s o f O r y z a s a t i v a L.a t v e g e t a t i v e s t a g e[J].J o u r n a l o f A g r o-E n v i r o n m e n t S c i e n c e,2014,33(12):2296-2302.[8]顾艳芳,邓媛,梁婵娟.微囊藻毒素对黄瓜幼苗抗氧化酶及其同工酶的影响[J].环境化学,2020,39(12):3402-3409.G u Y F,D e n g Y,L i a n g C J.E f f e c t o f m i c r o c y s t i n s o n a n t i o x i-d a t i ve e n z y m e s a c t i v i t i e s a n d i s o z y m e s p a t t e r n i n c u c u m b e rs e e d l i n g s[J].E n v i r o n m e n t a l C h e m i s t r y,2020,39(12):3402-3409.[9] G u Y F,L i a n g C J.R e s p o n s e s o f a n t i o x i d a t i v e e n z y m e s a n d g e n ee x p r e s s i o n i n O r y z a s a t i v a L a n d C u c u m i s s a t i v u s L s e e d l i n g st o m i c r o c y s t i n s s t r e s s[J].E c o t o x i c o l o g y a n d E n v i r o n m e n t a l S a f e t y,2020,193:110351.[10]陈国元,廖腾芳,李青松.微囊藻毒素-L R慢性暴露对水雍菜光合生理的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版), 2021,49(9):129-143.C h e n G Y,L i a o T F,L i Q S.E f f e c t s o f c h r o n i c e x p o s u r e t om i c r o c y s t i n-L R o n p h o t o s y n t h e t i c p h y s i o l o g y o f I p o m o e aa q u a t i c a[J].J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t S c iE d),2021,49(9):129-143.[11]潘庆民,韩兴国,白永飞,等.植物非结构性贮藏碳水化合物的生理生态学研究进展[J].植物学通报,2002,19(1):30-38.P a n Q M,H a n X G,B a i Y F,e t a l.A d v a n c e s i n p h y s i o l o g y a n de c o l o g y s t u d i e s o n s t o r e d n o n-s t r u c t u r e c a r b o h y d r a t e s i np l a n t s[J].C h i n e s e B u l l e t i n o f B o t a n y,2002,19(1):30-38.[12]刘硕,樊仙,全怡吉,等.干旱胁迫对甘蔗光合生理特性的影响[J].西南农业学报,2022,35(8):1776-1785.L i u S,F a n X,Q u a n Y J,e t a l.E f f e c t s o f d r o u g h t s t r e s s o np h o t o s y n t h e t i c a n d p h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s u g a r c a n e[J].S o u t h w e s t C h i n a J o u r n a l o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s,2022, 35(8):1776-1785.[13] N e m a t i F,G h a n a t i F,G a v l i g h i H A,e t a l.C o m p a r i s o n o f s u-c r o s e m e t a b o l i s m i n w h e a t s e ed l i n g s d u r i n g d r o u g h t s t re s sa n d s ub s e q u e n t r ec o v e r y[J].B i o l P l a n t,2018,62(3):595-599.241西北农林科技大学学报(自然科学版)第52卷[14]关博洋,殷菲胧,刘云芬,等.贮藏温度对采后龙眼果实糖代谢及其相关酶活性的影响[J].食品工业科技,2022,43(5):348-355.G u a n B Y,Y i n F L,L i u Y F,e t a l.E f f e c t s o f s t o r a g e t e m p e r a-t u r e o n s u g a r m e t a b o l i s m a n d r e l a t e d e n z y m e a c t i v i t i e s o fp o s t h a r v e s t l o n g a n f r u i t s[J].S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f F o o dI n d u s t r y,2022,43(5):348-355.[15] Z h a n g Z G,S h a n g Q M.R e g u l a t i o n o f s a l i c y l i c a c i d a n d c h i-t o s a n o n p h o t o s y n t h e t i c p a r a m e t e r s o f c u c u m b e r l e a v e s u n d e r s a l t s t r e s s[J].A c t a A g r i c u l t u r a e B o r e a l i-o c c i d e n t a l i s S i n i c a, 2010,19(3):174-178.[16]江志坚,黄小平,张景平.环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响[J].生态学报,2012,32(19):6242-6250.J i a n g Z J,H u a n g X P,Z h a n g J P.E f f e c t o f e n v i r o n m e n t a l s t r e s s o n n o n-s t r u c t u r a l c a r b o h y d r a t e s r e s e r v e s a n d t r a n s f e ri n s e a g r a s s e s[J].A c t a E c o l o g i c a S i n c a,2012,32(19):6242-6250.[17] K a b a s a k a l i a n P,K a l l i n e y S,W e s t c o t t A.E n z y m a t i c b l o o d g l u-c o s ede t e r m i n a t i o n b y c o l o r i m e t r y of n,n-d i e t h y l a n i l i n e-4-a m i n o a n t i p y r i n e[J].C l i n i c a l c h e m i s t r y,1974,20(5):606-607.[18] F i l s-l y c a o n B,J u l i a n u s P,C h i l l e t M,e t a l.A c i d i n v e r t a s e a s as e r i o u s c a n d i d a t e t o c o n t r o l t h e b a l a n c e s u c r o s e v e r s u s(g l u-c o s e+f r u c t o s e)o f b a n a n a f r u i td u r i n g r i pe n i n g[J].S c i e n t i aH o r t i c u l t u r a e,2011,129(2):197-206.[19]V a r a n d a s S,T e i x e i r a M J,M a r q u e s J C,e t a l.G l u c o s e a n df r u c t o s e l e v e l s o ng r a p e s k i n:i n t e r f e r e n c e i n l o b e s i a b o t r a n ab e h a v i o u r[J].A n a l y t ic a C h i m i c a A c t a,2004,513(1):351-355.[20] C l e g g K M.T h e a p p l i c a t i o n o f t h e a n t h r o n e r e a g e n t t o t h e e s-t i m a t i o n o f s t a r c h i n c e r e a l s[J].J o u r n a l o f t h e S c i e n c e o fF o o d a n d A g r i c u l t u r e,1956,7(1):40-44.[21] H u a n g Y W,N i e Y X,W a n Y Y,e t a l.E x o g e n o u s g l u c o s e r e g-u l a t e s a c t i v i t i e s o f a n t i o x i d a n t e n z y m e,s o l u b l e a c i d i n v e r t a s ea n d n e u t r a l i n v e r t a s e a n d a l l e v i a t e s d e h y d r a t i o n s t r e s s o f c u-c u m b e r s e ed l i n g s[J].S c ie n t i a H o r t i c u l t u r a e,2013,162:20-30.[22] C r u s h J R,B r i g g s L R,S p r o s e n J M,e t a l.E f f e c t o f i r r i g a t i o nw i t h l a k e w a t e r c o n t a i n i n g m i c r o c y s t i n s o n m i c r o c y s t i n c o n-t e n t a n d g r o w t h o f r y e g r a s s,c l o v e r,r a p e,a n d l e t t u c e[J].E n-v i r o n m e n t a l T o x i c o l o g y,2008,23(2):246-252. [23] M o h a m e d Z A,S h e h r i A M A.M i c r o c y s t i n s i n g r o u n d w a t e rw e l l s a n d t h e i r a c c u m u l a t i o n i n v e g e t a b l e p l a n t s i r r i g a t e d w i t hc o n t a m i n a t ed w a te r s i n S a u d i A r a b i a[J].J o u r n a l of H a z a r d-o u s M a t e r i a l s,2009,172(1):310-315.[24]操庆,刘伟京,谢丽强,等.土壤添加不同粘土矿物对微囊藻毒素在生菜中生物富集的影响[J].环境科学学报,2020,40(8):2986-2992.C a o Q,L i u W J,X i e L Q,e t a l.E f f e c t s o f d i f f e r e n t k i n d s o fc l a y m i n e r a l s o i l a m e nd me n t o n b i o a c c u m u l a t i o n of m i c r o-c y s t i n s i n l e t t u c e[J].A c t a S c i e n t i a e C i r c u m s t a n t i a e,2020,40(8):2986-2992.[25] M a c h a d o J,C a m p o s A,V a s c o n c e l o s V,e t a l.E f f e c t s o f m i c r o-c y s t i n-L R a nd c y l i n d r o s pe r m o p s i n o n p l a n t-s o i l s y s t e m s:a r e-v i e w o f t h e i r r e l e v a n c e f o r a g r i c u l t u r a l p l a n t q u a l i t y a n d p u b l i ch e a l t h[J].E n v i r o n m e n t a l R e s e a r c h,2017,153:191-204.[26] S a q r a n e S,O u a h i d Y,E l G h a z a l i I,e t a l.P h y s i o l o g i c a l c h a n g e si n T r i t i c u m d u r u m,Z e a m a y s,P i s u m s a t i v u m a n d L e n s e s c u-l e n t a c u l t i v a r s,c a u s e d b y i r r i g a t i o n w i t h w a t e r c o n t a m i n a t e dw i t h m i c r o c y s t i n s:a l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t a l a p p r o a c h[J].T o x i c o n,2009,53(7/8):786-796.[27] Pér e z D J,M e n o n e M L,D o u c e t t e W J.R o o t-t o-s h o o t t r a n s f e ra n d d i s t r ib u t i o n o f e n d o s u l f a n i n t h e w e t l a n d m ac r o p h y t e B i-d e n s l e a v i s L.[J].E n v i r o n m e n t a l T o x i c o l o g y a n d C h e m i s-t r y,2013,32(11):2478-2481.[28]靳红梅,江君,常志州.微囊藻毒素对青菜生长的影响及其在生物体内的累积[J].生态毒理学报,2013,8(4):529-536.J i n H M,J i a n g J,C h a n g Z Z.E f f e c t o f m i c r o c y s t i n s o n g r o w t ho f B r a s s i c a c h i n e n s i s a n d i t s a c c u m u l a t i o n i n v i v o[J].A s i a nJ o u r n a l o f E c o t o x i c o l o g y,2013,8(4):529-536. [29]靳红梅,常志州.微囊藻毒素对陆生植物的污染途径及累积研究进展[J].生态学报,2013,33(11):3298-3310.J i n H M,C h a n g Z Z.T h e p o l l u t i o n w a y o f m i c r o c y s t i n s a n dt h e i r b i o a c c u m u l a t i o n i n t e r r e s t r i a l p l a n t s:a r e v i e w[J].A c t aE c o l o g i c a S i n i c a,2013,33(11):3298-3310.[30] R o s a M,P r a d o C,P o d a z z a G,e t a l.S o l u b l e s u g a r s-m e t a b o l i s m,s e n s i n g a n d a b i o t i c s t r e s s:a c o m p l e x n e t w o r k i n t h e l i f e o fp l a n t s[J].P l a n t S i g n a l i n g a n d B e h a v i o r,2009,4(5):388-393.[31] B a r t e l s D,S u n k a r R.D r o u g h t a n d s a l t t o l e r a n c e i n p l a n t s[J].C r i t i c a l R e v i e w s i n P l a n t s S c i e n c e s,2005,24(1):23-58.[32]李智博,董世满,曾长英,等.低温贮藏条件下木薯种茎可溶性糖与干旱胁迫耐受性的相关性研究[J].华南农业大学学报, 2022,43(4):58-66.L i Z B,D o n g S M,Z e n g C Y,e t a l.C o r r e l a t i o n b e t w e e n s o l u-b l e s u g a r a n d t o l e r a nc e t od r o u g h t s t re s s of c a s s a v a s t e m u n-d e r l o w t e m p e r a t u r e s t o r a g e[J].J o u r n a l o f S o u t h C h i n a A g-r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,2022,43(4):58-66.[33]梁祎,郝文琴,石玉,等.不同光周期下叶面喷施纳米硒对生菜生长和品质的影响[J].中国生态农业学报(中英文), 2022,30(1):82-91.L i a n g Y,H a o W Q,S h i Y,e t a l.E f f e c t s o f n a n o-s e f o l i a r s p-r a y i n g a n d p h o t o p e r i o d o n l e t t u c e g r o w t h a n d q u a l i t y[J].C h i n e s e J o u r n a l o f E c o-A g r i c u l t u r e,2022,30(1):82-91.[34]黄缤慧.典型微囊藻毒素M C-L R在土壤-蔬菜系统中的累积效应[D].广州:暨南大学,2016.H u a n g B H.A c c u m u l a t i o n o f m i c r o c y s t i n-L R i n s o i l-v e g e t a b l es y s t e m[D].G u a n g z h o u:J i n a n U n i v e r s i t y,2016. [35]李婷婷,薛璟祺,王顺利,等.植物非结构性碳水化合物代谢及体内转运研究进展[J].植物生理学报,2018,54(1):25-35.L i T T,X u e J Q,W a n g S L,e t a l.R e s e a r c h a d v a n c e s i n t h em e t a b o l i s m a n d t r a n s p o r t o f n o n-s t r u c t u r a l c a r b o h y d r a t e s i np l a n t s[J].P l a n t P h y s i o l o g y J o u r n a l,2018,54(1):25-35.[36]魏春燕,李月灵,金则新,等.遮荫对七子花幼苗光合特性和非341第2期马腾:微囊藻毒素-L R对生菜非结构性碳水化合物代谢的影响。
湖南师大数学培养方案
基础数学专业硕士研究生培养方案一、培养目标本专业主要培养从事数学基础理论及应用研究和教学的高层次人才；要求学生掌基础数学领域的基础知识、具有宽广的知识面，并深入了解某一子学科的专业知识；能熟练地掌握一门外国语；身体健康；毕业后能独立地从事教学、科研及其它实际工作。
二、本专业总体慨况、优势与特色基础数学（Pure Mathematics）是数学学科的基础和核心部分，它不仅是其它数学学科的基础，而且也是自然科学、技术科学和社会科学等必不可少的语言、工具和方法，同时高科技的发展和计算机的广泛应用也为基础数学的研究提供了更广阔的发展前景。
我校具有数学一级学科博士学位授予权，具有数学博士后流动站。
在代数、函数论、微分方程、组合数学、拓扑学等领域具有很好的研究基础。
各方向都建立了一支年龄机构合理、研究水平高、稳定的研究队伍，各方向均取得了许多重要的科研成果。
三、本专业研究方向及简介1. 代数学2. 函数论3. 拓扑学4. 微分方程5. 组合与优化五、专业课程开设具体要求课程编号：010********课程名称：泛函分析英文名称：Functional Analysis任课教师：徐景实适应学科、方向：基础数学、计算数学、概率论与数理统计、应用数学、运筹学与控制论预修课程：数学分析、实变函数主要内容：熟悉距离空间、赋范线性空间、Banach空间、Hilbert空间的基本定理，熟练掌握线性算子和线性泛函的表示、弱收敛性和线性算子的谱等。
了解广义函数的概念和运算。
主要教材及参考文献：1、张恭庆．泛函分析讲义（上、下册）[M]．科学出版社．*****2、夏道衍．实变函数论与泛函分析[M]．高等教育出版社．3.、定光桂．巴那赫空间引论[M]．科学出版社，1999．4、J.B.Conway．A Course in Functional Analysis （2nd Ed.）[M]．GTM. 96 Springer-Verlag，1990．C-algebras and Operator theory[M]．Academic Press，1990．**********5、G.J.Murphy．课程编号：010********课程名称：代数拓扑英文名称：Algebraic Topology任课教师：郭瑞芝适应学科、方向：基础数学、应用数学预修课程：点集拓扑、近世代数主要内容：商空间、基本群、多面体及其单纯同调、奇异同调、范畴与函子、奇异同调群相对奇异同调、正合同调序列、切除定理、多面体的同调群及其应用、CW-复形、上同调群。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Robustness of A K OC Prediction Model Based * on Fragment Constants
P iao Haishan T ao Shu Hu Haiying L u Xiao xia Cao Jun
( Depar tm ent of U rban an d En vi ronmen tal Sciences , Peking U niversit y , Beijing 100871 China )
1999 年L SCIENCE
July , 1999
有机化合物 KOC片段常数估算模型的 误差与稳健性分析*
朴海善 陶 澍
* *
胡海瑛 卢晓霞 曹 军
( 北京大学城市与环境学系 , 北京 100871) 摘要 分析了 估算有机化合物吸着系数的片段常数模型的 误差 . 并用 4 种不同方法检验了估算有机 化合物吸着系数 ( K OC ) 的 片段常数模型的稳健性 . 重复随机抽取单一化合物、 逐一抽取估算值与实测值差别较大的个别化合物、 重复随机抽取 50 个化合 物以及逐一抽取特定化合物类别 . 检验结果表明 , 模型估算的绝对误差随 log K OC 实测结果增大而增大 , 而误差较大 的多为亲水 化合物 . 估算误差中的相 当部分实际上来源于实测数据的误差波动 . 无 论是单一抽取或成组抽取 化合物的 jackk nif e 检验 结果 证明模型具有较高的稳健性. 相对而言 , 不同类别抽取的 jackkn ife 可决系数波动较大 , 说明将模型推广到其他类别 化合物时需 特别谨慎 . 关键词 吸着系数 ( K OC) , 片段常数法 , jackk nif e 检验 , 稳健性 .
有机化合物土壤 / 沉积物吸着 系数 ( K OC ) 的估算既可以通过相关物理化学参数 ( 亨利常 数、 溶解度和水/ 辛醇分配系数) 进行[ 1, 2] , 也可 以直接寻求它与某些表述分子结构的参数 ( 如 取代基常数、 片段常数和分子连接性指数等 ) 的 [ 3, 4] 定量关系 . 为建立吸着系数回归模型 , 通常 将已知实测值的化合物分为 2 组 . 一组用于建 模和回归参数计算 , 另一组用作模型验证. 通过 随机安排的建模和验证分组, 模型的可靠性得 以 检验 . 除 此 之外 , 利 用简 单 而有 效 的 jackknife 检验可对多元回归模型的稳健性作出定 量判断 . 进行 jackknife 检验时先按既定方式重 复多次从数据中删除一个或一组测定值 , 并对 每次删除后得到的数据组作回归分析. 在此基
* 国 家自 然科 学基 金重 点项 目 ( Project S upport ed by t he N at ion al N at ur al Science Foundat ion of China) : 49632060 和国家杰出青年基金资助项目 : ( 49525102) * * 通信联系人 朴海善 : 女 , 1972 年生 , 1998 年于北 京大学城市与环 境学 系获硕士学位 , 现就读于 美国辛辛提那大学 . 主要研 究方 向为环境地球化学 . 收稿日期 : 1998-12-04
4 期 环 境 科 学 29
1. 1 K OC 数据来源及模型建立 从文献中收集了 592 种有机化合物的 K OC 实测数据. 对于文献中报道了 1 个以上 K O C 测 定值的化合物 , 尽可能选取其中位数 . 收集的化 合物包含环境中常见的各类有机污染物 , 如农 药、 有机染料、 多环芳烃、 多氯联苯以及酚类化 合物等. 从 592 种化合物中随机抽取 430 种化 合物用于建立模型 ( 建模组) , 剩余的 162 种化 合物用于模型检验[ 6] . 假定结构片段和有关校 正因子对 lo g K OC 的贡献具有简单的线性加和 性 , 可以建立以下多元线性回归模型 :
础上比较删除前后以及多次删除之间拟合参数 的差别 , 借以判断模型的稳健性 . 常用的判断指 标为多元可决系数( R )
2 [ 5]
.
本研究的目的是在已建立的预测有机化合 物吸着系数 K OC 的片段常数模型的基础上[ 6] , 用不同形式的 jackknif e 方法对模型稳健性进 行检验 . 1 研究方法
Abstract M odified jackknife t est s w ere applied to ex amine the r obustness of a predictio n mo del for or ganic carbo n nor malized sor ption co efficient ( K OC ) based on frag ment co nst ant s and str uctur al cor rection fact or s. Similar tr ends w er e obser ved using var io us kinds of jackknife t est s. F air ly high ro bustness o f t he mo del w as demo nst rat ed by the calculated jackknife coefficients of deter mination ( R 2 ) . T he highest v ar iation in the jackknife coefficient o ccurr ed when a g ro up of chemicals w ithin the same categ or y w as eliminated fro m the dat a set . Keywords so rptio n co efficient K OC , fr ag ment co nst ant , jackknife test , ro bustness.