《Journal of Chromatography Open》：Estimating non-specific aquatic toxicity for the fathead minnow using surrogate chromatographic models
编辑推荐：
本研究针对新兴化学污染物水生毒性数据匮乏的难题，创新性地利用反相液相色谱（RPLC）和胶束电动色谱（MEKC）系统作为替代模型，成功建立了预测黑头呆鱼（Pimephales promelas）96小时半数致死浓度（-LC50）的定量关系。研究人员通过系统筛选发现，XTerra MS C18/四氢呋喃-水体系及十六烷基三甲基溴化铵MEKC体系具有优异预测能力（预测误差0.141-0.287 log单位），为快速评估上万种缺乏实验数据的污染物毒性提供了高效可靠的解决方案。
随着工业和农业的快速发展，数以万计的新型化学污染物及其代谢物被持续排放到自然环境中，其中大部分最终进入水体生态系统。这些污染物对水生生物构成潜在威胁，进而通过食物链影响人类健康。在环境风险评估中，准确预测化学物质的水生毒性至关重要。黑头呆鱼（Pimephales promelas）作为一种小型鱼类，因其对污染物敏感而被广泛用作水生毒性测试的指示物种。然而，面对数量庞大的新兴污染物，通过传统生物实验测定其毒性数据既耗时又昂贵，且对于许多化合物而言，实验数据根本不存在于公共领域。这种数据鸿沟严重制约了对其环境风险的及时评估与管理。
为解决这一难题，研究人员开始探索计算毒理学方法，其中定量构效关系（QSAR）模型是重要的预测工具。而Abraham溶剂化参数模型（Solvation Parameter Model）则是一种广泛应用的方法，它通过化合物的五个描述符（E、S、A、B、V）来估计其在不同两相体系中的分配行为。该模型的核心方程（log SP = c + eE + sS + aA + bB + vV）将体系常数（反映两相体系特性）与化合物描述符（反映溶质分子特性）相关联。利用该模型预测目标性质（如毒性）主要有两种途径：一是直接使用已知的化合物描述符和已表征体系的系统常数进行计算；二是寻找“替代色谱模型”（Surrogate Chromatographic Models），即建立色谱保留性质（如保留因子log k）与目标毒性之间的直接相关模型。后一种方法尤其适用于化合物描述符未知或结构信息不全的情况，而这正是许多新兴污染物面临的现状。
本研究旨在系统筛选和鉴定合适的反相液相色谱（RPLC）和胶束电动色谱（MEKC）系统，作为预测黑头呆鱼非特异性水生毒性（以96小时-LC50表示）的可靠替代模型。研究成果发表于《Journal of Chromatography Open》。
为开展研究，作者主要应用了几项关键技术：首先基于WSU-2025化合物描述符数据库建立了黑头呆鱼-LC50的Abraham模型作为目标模型；系统筛选了包含不同固定相和二元溶剂系统（乙腈-水、丙酮-水、甲醇-水、异丙醇-水、四氢呋喃-水）的大型RPLC系统常数数据库，并对七个MEKC系统（使用不同表面活性剂）进行了重新校准；采用向量夹角余弦（Cos θ）和欧几里得距离参数（d-parameter）作为系统相似性的定量筛选工具；通过线性回归建立色谱保留因子（log k）与-LC50之间的相关模型，并评估其预测误差。
3.1. 使用WSU-2025描述符数据库建模黑头呆鱼半数致死摩尔浓度
研究人员首先使用WSU-2025描述符数据库建立了预测黑头呆鱼-LC50的Abraham模型。在排除酯类（因可能水解导致毒性增强）和醛类（可能存在特异性化学毒性机制）等具有特殊毒性机制的化合物及统计异常值后，最终模型基于127种化合物建立，方程为：-log LC50= 1.188(0.096) + 0.403(0.104)E - 0.186(0.118)S + 0.329(0.097)A - 3.413(0.165)B + 3.233(0.088)V。该模型具有优异的统计学指标（r2 = 0.943, SD = 0.288, F = 399），确保了后续筛选工作的可靠性。
3.2. 筛选替代色谱系统的过程
为高效识别与目标毒性性质相关的色谱系统，研究采用了Cos θ和d-parameter两种筛选工具。Cos θ值越接近1，d-parameter值越接近0，表明目标模型（毒性模型）与候选色谱系统越相似，其保留行为与毒性之间越可能存在良好相关性。这避免了传统上通过试错法筛选的盲目性和低效率。
3.3. 预测黑头呆鱼致死水生毒性的反相液相色谱模型
通过对RPLC数据库的系统筛选（标准：Cos θ ≥ 0.990，d-parameter ≤ 0.125），研究发现四氢呋喃-水二元溶剂系统比传统的乙腈-水或甲醇-水系统更具潜力。在筛选出的六个有前景的系统中，XTerra MS C18固定相与10%或20%（v/v）四氢呋喃-水组成的系统表现最佳。其相关模型分别为：-log LC50= 2.132(0.105) + 1.082(0.078) log k (10% THF, XTerra MS C18) 和 -log LC50= 2.394(0.096) + 1.221(0.091) log k (20% THF, XTerra MS C18)。这两个模型均显示出强大的预测能力，预测误差分别为0.231-0.287和0.256-0.313 log单位。相关性图示（对应于原文Figure 1）直观展示了10%四氢呋喃系统下log k与-LC50之间的良好线性关系。
3.4. 预测黑头呆鱼致死水生毒性的胶束电动色谱模型
研究还重新校准了七个MEKC系统（使用不同表面活性剂）的系统常数。应用稍宽的筛选标准（Cos θ ≥ 0.985, d-parameter ≤ 0.175）后，发现含有N-十二酰-N-甲基牛磺酸、牛磺胆酸钠和十六烷基三甲基溴化铵的MEKC系统具有应用潜力。其中，基于十六烷基三甲基溴化铵的MEKC系统表现尤为突出，其相关模型为：-log LC50= 2.763(0.073) + 0.954(0.071) log k (hexadecyltrimethylammonium bromide)。该模型预测误差最低（0.141-0.179 log单位），显示出极高的预测精度。基于N-十二酰-N-甲基牛磺酸的系统也表现出色。需要注意的是，MEKC系统较窄的洗脱窗口可能对极高疏水性或亲水性溶素的毒性估计产生影响。
3.5. 已发表的用于估计黑头呆鱼水生毒性的替代色谱模型
文章回顾了以往研究中提出的其他替代色谱模型，如基于固定化人工膜（IAM）柱或含有牛磺胆酸钠的MEKC系统。通过对比（见原文Table 4），本研究新鉴定的XTerra MS C18/四氢呋喃-水系统以及十六烷基三甲基溴化铵和N-十二酰-N-甲基牛磺酸MEKC系统，在预测误差或决定系数等关键指标上展现出可比甚至更优的性能。
本研究成功鉴定出多个具有强预测能力的反相液相色谱（RPLC）和胶束电动色谱（MEKC）系统，可作为可靠的替代模型来快速估计黑头呆鱼的非特异性水生毒性。其中，XTerra MS C18固定相与10%-20%四氢呋喃-水组成的RPLC系统，以及含有十六烷基三甲基溴化铵或N-十二酰-N-甲基牛磺酸的MEKC系统表现最佳。这些替代色谱模型为解决新兴化学污染物毒性数据匮乏的挑战提供了高效、可靠且成本较低的解决方案。它们尤其适用于化合物描述符未知或结构信息不全的情况，极大拓展了毒性预测的范围和能力，对环境风险评价和管理具有重要的实际应用价值。该方法学策略也可为预测其他重要的生物物理或环境性质提供借鉴。
