合成酚类抗氧化剂对典型水生生物的急性毒性及定量构效关系研究：水溶性的关键作用

《Environmental Pollution》：Acute toxicities to typical aquatic organisms of synthetic phenolic antioxidants and QSAR study: The vital role of water solubility

　　摘要：• 详细研究了22种合成酚类抗氧化剂（SPAs）在两种水生模式生物中的急性毒性。• 与其他SPAs相比，BHT-Q、AO44S25、4-tOP和DG具有较高的毒性。• ECOSAR数据高估了SPAs对选定水生生物的急性毒性效应。• S_w,l是决定SPAs急性毒性的关键因素。• 它们诱导氧化应激、损伤组织并导致形态变形。引言作为合成且高效的自由基清除剂，合成酚类抗氧化剂（SPAs）已被广泛应用于食品工业、高分子材料加工及日化产品制造等领域（Makahleh等，2015；Wang等，2016）。在众多SPAs中，2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚（BHT，C??H??O）、叔丁基氢醌（TBHQ，C??H??O?）、叔丁基-4-甲氧基苯酚（BHA，包括3-位和2-位取代，C??H??O?）、丙基没食子酸酯（PG，C??H??O?）和4-叔辛基苯酚（4-tOP，C??H??O）是最常用的小分子SPAs。同时，高分子量SPAs如三甘醇双(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯（AO245，C??H??O?）和季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)（AO1010，C??H???O??）也大量生产和广泛用于北美地区（ChemView；Liu和Mabury，2020a；Liu和Mabury，2020b）。它们在多种环境介质中的持久性残留（Nieva-Echevarría等，2015；Soliman等，2007）以及潜在的生态毒性（Yang等，2018）已被日益广泛地报道。然而，这些关注点大多集中在前述的BHT、TBHQ和BHA等物质上，对其他广泛存在的SPAs如AO245则关注较少。由于SPAs是一大类有机物质，这种了解不足导致对其生态健康风险和毒理机制的认识片面化。SPA的环境监测和分析方法已被系统性地研究（Ji等，2023；Liu和Mabury，2020a；Liu和Mabury，2020b）。气相色谱-串联质谱和液相色谱-串联质谱是环境基质中SPAs监测的主要仪器技术。据报道，在地表和地表水中检测到了ng L?1水平的SPAs（Qin等，2024；Edebali等，2024），而在沉积物、土壤、室外气溶胶和室内尘埃中的浓度为ng g?1~μg g?1（Liu和Mabury，2020a；Wang等，2016, 2018）。更严重的是，SPAs出现在水生生物和人体生物样品（如尿液、血液和卵泡液）中（Engelhardt等，2025；Hao等，2023）。Seller-Brison等人（2026）指出，所有被分类为持久性、生物蓄积性和毒性或流动性的抗氧化剂（AOs）均为合成来源，且主要AOs为酚类或胺类化合物。SPAs与多种毒理学终点相关，包括内分泌功能干扰、发育不良影响、致癌潜力、遗传毒性以及可能的生殖毒性。长期低浓度暴露于SPAs会导致啮齿动物生殖器官重量、交配率和睾酮水平下降，且这些影响通常会传递给下一代（Jeong等，2005；Du等，2019）。例如，BHA通过扰乱钙稳态和刺激内质网应激诱导小鼠睾丸细胞功能障碍（Ham等，2020）。BHA及其代谢产物TBHQ触发DNA损伤（Xu等，2021）。BHT可从孕妇通过胎盘转移至胎儿（Du等，2019）。PG虽然不是致癌物，但可诱导睾丸毒性（Ham等，2019），高浓度下甚至可造成肝损伤（Galati等，2006）。4-tOP通过体内和体外实验表现出雌激素活性（Kotula-Balak等，2013；Madsen等，2003）。显然，SPAs的突出毒性表现因其具体结构而异。考虑到实际应用中SPAs的大量使用，很难将已知SPAs的毒性结果外推至未知的SPA同系物。为解决这些问题，定量构效关系（QSAR）建模技术已成为最可靠和高效的替代策略之一。该方法能够在不进行大量实验测试的情况下快速高通量地预测有机化合物的性质，有效降低实验成本和工作量。大量既往研究集中于酚类化合物的QSAR建模以探索其毒理学性质。例如，Li等人（2012）建立了以辛醇-水分配系数（lgK_ow）和电子描述符为主导的发光细菌毒性模型；Hemmateenejad等（2010）采用量子拓扑分子相似性（QTMS）指数来区分不同生物类群中酚类化合物的毒性模式；Thakur等（2004）阐明了邻位取代效应对细胞毒性的影响；Tugcu和Sacan（2018）以及Seth和Roy（2020）建立了小球藻的QSAR模型，涵盖20%生长抑制浓度（IC??）和未观察到效应浓度（NOEC）等急性和慢性终点。基于此，迫切需要建立QSAR模型来描述SPAs毒性与理论计算所得分子参数之间的关系。本研究旨在明确以下目的。首先，获得了22种SPA类似物暴露于两种典型水生生物（即小球藻和斑马鱼）的毒理学数据。其次，结合理论计算，建立了所选SPAs的半数有效浓度（EC??）或半数致死浓度（LC??）与结构参数之间的QSAR模型，从而发现影响毒性的关键结构参数。第三，揭示了代表性SPAs的氧化应激效应。最后，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察探索了所选SPAs的毒性机制。这些发现可作为SPA类化合物持续应用和管理决策的证据基础。章节摘要化学品与试剂表S1中的20种SPAs以及两种非常常见且广泛存在的BHT中间体[即3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲醛（BHT-CHO）和2,4-二叔丁基-1,4-苯醌（BHT-Q）]均由阿拉丁生物技术公司（中国上海）提供，最低纯度为97%。色谱级有机溶剂如二甲基亚砜（DMSO）也购自阿拉丁。分析纯碳酸氢钠（NaHCO?）和氯化钠（NaCl）从……收集。SPAs类似物对小球藻的急性毒性斜生栅藻对SPA类似物暴露浓度的96小时生长抑制率绘制于图S3中。在此，BHT、BHT-Q和BHT-CHO对斜生栅藻的毒性数据参考了我们之前的研究（Pan等，2024）。相应的96小时EC??值经计算后列于图1a中。如图所示，根据相关规定，22种SPA类似物对斜生栅藻均表现出有毒（1 mg/L < EC?? < 10 mg/L，II类）或有害（10 mg/L < EC?? < 100 mg/L，III类）效应。结论本工作系统地研究了22种SPA同系物的毒理学数据。其中，4-tOP和DG对两种水生生物具有高毒性，而对小球藻毒性最大的SPAs是BHT-Q，对斑马鱼毒性最大的是AO44S25。实测EC??值范围为1.25至40.14 mg/L，实测LC??值范围为0.17至119.96 mg/L，这些值均远高于ECOSAR软件预测值。建立的EC??或LC??与八个典型……之间的两个QSAR模型。CRediT作者贡献声明潘小雪：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，方法论，资金获取，数据管理，概念化。高原远：软件，数据管理。陶磊：方法论。李晨光：撰写-审阅与编辑。张学胜：撰写-审阅与编辑，指导。利益冲突声明作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢本研究获得了安徽省自然科学基金（编号：2508085MB035）、中国安徽省高校自然科学研究项目（编号：2024AH050076）和国家自然科学基金委（编号：22106001和52560007）的资助。潘小雪 | 高原远 | 陶磊 | 李晨光 | 张学胜