量子化学在农药环境风险评估中应用潜力

姜 静，李宇森，马镜博，罗梁锋，张俊峰，吕军民 编译

(1.东华大学，上海 210620；2.澄城中学，陕西省澄城县 715200；3.陕西省澄城县农技中心，陕西省澄城县715200)

人口数量增长，导致了粮食需求的增长及集约型农业的出现，近而使农药被更广泛地应用。然而，农药管理不善会导致一系列人畜健康和环境问题。监管部门要求理性使用农药，减少农药在食物及环境中的残留，并公开更多关于农药及其残留物的危害信息。国际权威组织和环保组织都加强了农药对公众健康和环境影响的监管。

农药用于土地后，就会完全或者部分降解形成新的化合物。有时，降解产物与母体活性物质相似，或比母体活性物质迁移性更大、更稳定或者毒性高，如1,4-苯二酚可被氧化为高毒的醌类。但是，一些农药的降解产物对环境影响的信息十分有限。事实上，大部分研究者对大量使用农药的研究都只集中于母体活性成分。最近，一些农药的降解产物被认为是“新型污染物”，因为长久以来，人们并不知道环境中存在这些污染物，或者这些污染物对环境中人类健康和其他生物有潜在风险。随着科技进步以及进行环境风险评估的分析技术的发展，这些问题逐渐受到人们关注。

1 农药管理

为了得到农药对人类安全的数据，并代替动物实验，欧洲食品安全局(EFSA)和美国环保局(US-EPA)等监管部门开始推动非试验性方法的发展。农化工业采取的策略之一就是应用定量构-效关系模型(QSARs)。用这些方法可以预测农药及其降解产物的理化性质、生物特性及环境归宿。QSAR结果的正确性主要取决于起始数据(输入参数)的数量和质量、描述符的选择(数学方程)和应用模型。

典型的QSAR研究主要采用特定的描述符，如描述分子量、分子折射率、疏水性等理化性质的描述符。这些描述符已经成功用于QSAR研究中确定化学物质的环境归宿等。但采用这些描述符不能很好地定量化合物分子的电子结构的变化，故其实用性常遭到质疑。应用QSAR对化合物的特性进行预测虽然有时候要进行大量试验工作，但较简单。如果采用定义明确的由量子化学方法得到的前线轨道能、电子密度、分子表面静电势等理论描述符，QSAR就会有更好的应用空间。这些理论描述符能用于设计QSAR研究的训练集，而且量子化学方法比经验法能更精确、更详尽描述电子效应。据我们所知，农用化学品界还没有把量子化学描述符用于开发评估农药风险的QSAR模型。大部分应用量子化学描述符的研究主要集中于制药领域。

在不同国家农药风险评估法规与指南不同，且难以协调。比如，在美国，农药残留的法定阈值由环保局制定；而在欧盟，欧洲委员会根据欧盟食品安全局(EFSA)的风险评估结果进行监管。在美国，指南适用于联邦政府，而在欧洲，指南在欧盟范围内通用。所有农药法规规定农药生产商和/或销售商必须证明其投入市场的农药及其降解产物对人畜健康没有危害，对环境不存在不可接受的影响。此规定的目的是确保对良好农业规范的保护，并捍卫农业在各自领域内的竞争力。

2 计算分子特性的理论近似法

薛定谔方程被用于确定原子和分子体系的特性，但仅可以用于非常小的体系，但是现代量子化学技术可以以高的精确度来处理大的体系(几百个原子)。

计算分子特性最常用的近似法有从头计算法(由量子力学第一性原理衍生而来的方法)和半经验计算法(从试验数据获得的参数用于简化方程)。从头计算法能够产生很精确的结果，但计算成本很高。半经验量子化学法计算时间大幅减少，而且可以处理较大体系，但是准确度低。从头计算法是确定有机化合物的同分异构体的结构和稳定性的有效且可靠的工具，而且也是确定与环境最相关的反应途径有效且可靠的工具，即获得在水解、光解等降解过程中可能稳定的中间产物和反应势垒。从头计算法也能提供化学反应性和毒性之间的质相关性，来指导结构修饰和取代。该方法对于预测没有经过试验研究的化合物的特性是一个非常有价值的工具。例如，与经典的QSAR相比，在配体的QSAR研究中应用量子化学反应描述符可以更精确地评估焓对配体-靶标相互作用的贡献。

在最近50年，开发了多种从头计算法，由于与本文内容相关性不大，在此不进行介绍，但用这些方法都可以得到化合物体系的总能量和电子波函数。由此可以评估与电子结构有关的体系特性。故此，笔者将集中介绍基于密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)的一系列特别方法，这些方法已被证明可靠，并能被应用以合理的计算时间计算标准农药分子大小的(即达到几百个原子的大小)化合物。

2.1 密度泛函理论(DFT)计算

密度泛函理论是在已证明定理的基础上建立的，此定理为分子的电子基态的能量和特性仅由电子密度决定。因此，体系的准确能量可以电子密度函数表示，但电子密度和总能量之间的数学关系(泛函)未知。文献已提供了许多可能的关系(函数)，要根据研究的体系选择最适用的函数。选择适宜的函数对于很好地描述研究中的体系很重要。对于有机分子来说，最精确、广泛使用的函数之一是B3LYP。基于此理论的计算现如今被用作优化几何形状和得到各种基态体系的不同平稳点最终能量的标准技术，其计算结果与试验值一致。因此，预期DFT方法，特别是B3LYP泛函，能很精确地描述许多农药电子基态的特性。

如果一个农药是通过光化学反应分解，描述分子在电子激发态下的特性是不可避免的，可以通过时间依赖密度泛函理论(TD-DFT)来进行。这个理论是DFT的扩展，用于处理激发态，而且能够以合理的计算时间处理大体系。例如，菊酸是除虫菊素光分解的主要产物，而除虫菊素是一个重要类别的农药化合物。要用TD-DFT来表明这些反应发生在基态，而不是激发态，用TD-DFT得到了精确的吸收、发射(荧光和磷光)和绝热能(吸收/荧光计算产生)的计算结果。通过TD-DFT计算得到的百菌清杀菌剂的光谱特征与试验得到的在线型和相对强势方面一致。

值得一提的是，虽然在过去的几年中累积的经验表明DFT计算的结果很精确，但是当开始研究新的体系时，为了确保用所选择的方法得到精确的结果，比较此方法与试验或者更精确的从头算法的数据，是一个好措施，特别是对于选择应用泛函很重要。

2.2 量子化学描述符

电子密度是描述基态的主要特点。在密度的基础上又提出了数个描述符，如整体硬度(η)、软度(S)、电负性(χ)、亲电性(ω)。硬度是1个原子或分子体系电子云的密集程度，而软度是指电子密度可下降幅度，电负性是指分子中的1个原子吸引成键电子的能力，可以定义为电离能和电子亲和性的函数。亲电性代表了化合物的亲电子能力，被定义为电负性或化学势与硬度的比率。在量子化学中这些已被定义为体系的整体描述符，已被报道与许多有机化合物的反应性有很好的相关性。这个与DFT相关的量子化学分支叫做“概念密度泛函理论”(CDFT)，已被证明是了解分子反应性的权威理论工具。

一般来说，分子作为一个整体，CDFT为其提供了整体反应性描述符，但是可被重新定义为描述分子的一部分(比如一个活性位点)。用这些描述符预测了多环芳烃的光致毒性，并且对此预测进行了分析。这些新产生的污染物对大型水蚤(Daphnia magna)和藻(Scenedemus vacuolatus)的光毒性表明硬度和LogEC50具有正相关；而软度与对大型水蚤的活性只有低相关性，与对藻的活性有负相关性。以电负性为量子化学描述符，进行不同化学品对大型水蚤的急性毒性建模研究。亲和性(philicity)(ωα(r))被定义为局部亲电性，有人已提出可作为包括单个或多个反应中心的分子间及分子内反应性的可信的描述符。这些反应性描述符的量级是由理论水平(比如特定泛函的选择)和计算中轨道的数量(一般称为基组)决定。因此，需要学习掌握有关这两个参数选择方面的知识。

3 用于预测农药的光化学行为的方法

要了解光降解的机理，就需要对反应物和产物的同分异构体的结构和其相对稳定性进行预测。第一步，用理论量子化学找出正在研究化合物的构象异构体和同分异构体，并比较预测的化合物特性和试验数据。第二步，反应过程的中间阶段和过渡态的定位可以提供更多相关信息。这个阶段研究首先应该在基态、DFT水平通过优化所有可能几何形状来进行。为了确定这些结构是否是能量最低的状态(也就是稳态)或者过渡态，以及评估相应的振动能，计算以同一理论水平优化其几何形状的所有结构的谐振动频率是必要的。一旦获得反应物、中间阶段、过渡态的结构，常规做法就是通过提高理论水平获得更稳定的能量并降低误差。

在进行基态研究后，TD-DFT可作为首选的近似法，用来计算农药和其降解产物的低激发态和振子强度。

4 用于研究农药生态毒理学的方法

利用理论量子化学可为农药及其降解产物对一些生物毒性关系建模。大型水蚤和藻可被选作代表性的生物把农药及其降解产物的生态毒理的理论和试验值关联起来。从这个角度讲，可以得到农药对这两个生物的试验毒性EC50。

目前有数个软件包可进行DFT计算，而且其中大多数都可进行CDFT分析。DFT作为首要的方法，选择最常规的描述符。可以应用多元线性回归来生成线性模型。因为可从DFT计算获得大量的分子描述符，为了建立更有价值的描述符可应用主成分分析。去除不适用的描述符后，基于向前选择和向后淘汰的逐步多元线性回归法可被用于确定最佳回归模型。最后，应用一系列未用于开发模型的化合物对QSAR模型的预测能力进行外部验证。然后选取具有高于先前研究中确定的阈值的R2、低均方根误差及低的平均绝对误差值的QSAR模型。目前，自动模型不适宜用于此程序。为了提高这些模型的预测能力，需要培训的专业人员。

为了提供经试验结果验证的适当的结构—活性/毒性相关性，应当评估理论水平和分子基组。

5 结 论

理论计算是预测农药和其代谢物/副产物特性的极为有价值的工具。这些工具现在主要被用于支持试验数据和通过经验所知的信息。然而，在最近10年，计算的发展表明利用量子化学作为研究农药和其残留的有效方法将会在短期内得到进一步的发展。从此角度讲，DFT方法可能被用于很好地描述农药在环境中的反应性，用TD-DFT法来评估农药的光化学降解性，而农药的生态毒性与从CDFT得到的参数有相关性。

农药法规的主要目的应是确保高水平保护人畜健康和环境。因此，也需要关注农药对环境影响的研究。预测农药和其副产物对甲壳类动物或绿藻的有害作用的计算方法的开发也及有必要，也是向预测农药对高等生物作用迈出的第一步。特别是在无法商业获得农药副产物进行试验研究的情况下，以上方法的建立就尤为重要。

EFSA等官方机构正在不断推进标准理论化学法的使用，这可能促进对化合物进行最初筛选工具的开发，经初步筛选后再决定是否进行毒理试验研究，就会提高风险评估效率。故呼吁科研界继续对这一策略在农化领域的应用进行研究。