消毒副产物数据库网络平台的构建和使用

2021-03-24谢继道李子漪马艳飞杨泽彪杨小秋

江汉大学学报（自然科学版） 2021年2期

谢继道，李子漪，马艳飞，樊容，周磊，杨泽彪，杨小秋*，2，郑琦

（1. 江汉大学 a. 化学与环境工程学院，b. 教育学院，c. 智能制造学院，湖北武汉 430056；2. 武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072）

0 引言

为了消灭源水中的病原微生物，需要进行消毒来保证饮用水及娱乐用水的安全性。然而消毒剂可以与源水中存在的天然有机物、环境污染物等发生化学反应生成消毒副产物（disinfection by−products，DBPs）［1］。流行病学及毒理学研究表明，使用氯消毒的饮用水与膀胱癌、直肠癌及结肠癌的发病率之间存在潜在相关性［2］。

随着分析技术的发展，越来越多的新型DBPs 被鉴定出来。Li 等［3］使用二维气相色谱质谱对3 种消毒剂（次氯酸钠、氯胺、臭氧）生成的DBPs 进行了非目标性筛选，共鉴定出170 种DBPs，不过只有25 种出现在Susan Richardson 在2011 年所作的DBPs 名单中。Zhang 等［4］使用ESI FT−ICR MS 来鉴定未知DBPs，通过精确的分子量及溴的同位素模式鉴定出478 种含溴DBPs，不过由于找不到合适的对比数据，除分子式外，并没有给出这些DBPs 的更多信息。由上可知，数据库的缺乏，为DBPs 的发现和鉴定带来了一定的困难。2011 年Richardson［5］将已有的DBPs 信息进行了整理分析，包括108 种已经在实际水样中定量测出的DBPs，以及600 多种按照消毒方式分类的DBPs。另外，Richardson 等［6−8］和Cuthbertson 等［9］在《Analytical Chemistry》也发表了多篇关于DBPs 分析鉴定及毒理研究的综述。然而现有的DBPs 信息依旧比较分散且不便于查找。网络数据库则能够将分散的纸质或者电子资源整合在一起，实现资源的便捷共享和利用［10］。

本研究利用网络资源，将已有的DBPs 信息进行分析汇总，构建了一个数据库网络查询平台，该平台可以实现DBPs 的快速查询与分析，为DBPs 的研究提供参考。

1 材料与方法

DBPs 信息来源于Web of Science 数据库中的论文检索。从科研论文中得到DBPs 的基本信息后，再利用Chemspider、爱化学等网站搜索DBPs 物质相对应的物理化学性质等信息。基本信息汇总于EXCEL 数据库，得到最初的离线数据库。

网络平台使用Vue 与Spring Boot 框架进行开发制作，将收集整理的DBPs 物质信息内容上传至网络平台，构建出DBPs 网络数据库。

2 结果与讨论

2.1 数据库网络查询平台的构建

2.1.1 数据库的建立DBPs 数据库目前的信息主要来源于已经发表的DBPs 综述论文。如2011 年Richardson［5］在《Encyclopedia of Environmental Health》中撰写的“Disinfection by−prod⁃ucts：formation and occurrence in drinking water”以及2019 年Yang 等［11］发表在期刊《Water Re⁃search》上的Application of（LC/）MS/MS precursor ion scan for evaluating the occurrence，forma⁃tion and control of polar halogenated DBPs in disinfected waters：a review 等。在数据库建立的过程中，首先把这些论文中提供的DBPs 信息分类在EXCEL 表格中列出，然后再利用网络资源（Chemspider、爱化学等）补全其他信息，如物质的CAS（chemical abstracts service）编号、测定方法、生成该物质的消毒方式等。当然，由于新型DBPs 的不断发现，数据库也需要随之不断更新。

2.1.2 平台系统的构建本平台的开发目标是实现对DBPs 信息的集中管理和查询，结构划分为两部分，如图1 所示。①管理员平台，该系统能够实现管理员对于网页及数据库信息的维护，包括录入、删除、编辑、更新等操作。②一般用户界面，主要为用户提供有关DBPs 的信息，包括物质名称、CAS 号、化学式、测定方法、生成方式等。

图1 平台的系统结构Fig.1 The system structure of DBPs database network platform

从系统网络配合性以及与数据库服务器的结合性分析，本平台采用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模式来实现系统的结构要求。B/S 模式是一个包含用户访问端、Web 服务器和数据库服务器的3 层结构，即由客户浏览端、Web 服务器和数据库服务器3 部分组成，见图2。该模式具有两大优点：①与软硬件平台的不关联性；浏览器、Web Server、Java、HTML 以及数据库资源都可以做到与软、硬件平台无关［12］。这样的特点不会导致客户访问端越来越拥挤，大大降低了网络负载。②多服务器的兼容性。从图2 的B/S 结构可以看出，其Web 端连接的数据库服务器可以是单个也可以扩展为多个，大大地增强了数据库的灵活性，有利于数据库系统以后的扩容发展。

图2 B/S 模式的3 层结构Fig.2 The three-layer structure of the B/S model

2.1.3 系统功能的划分本平台的系统根据使用功能划分为四大模块：数据转换模块、数据查询模块、帮助模块、打印模块。数据转换模块具有两大功能，即数据生成和输出。数据生成模块可以将EXCEL 数据库中的文本属性数据转换成一个包含物质基本信息的表格，实现可视化查询和分析。数据输出则可以根据用户需求，将数据库的查询结果生成数据文件，方便用户进一步研究使用。数据查询模块则具有基本查询和模糊查询两种方式。基本查询可以根据物质名称、CAS 号、化学式来对DBPs 信息进行准确查询；模糊查询则可以通过输入一些物质共有的词语片段来搜索到这一类物质，如溴代DBPs 的名称里一般有bromo 这个词段，在搜索栏里输入bromo，会自动链接到数据库中所有含有bromo 词段的物质并显示出来，用户再根据具体的物质名称，点击打开后查看该物质的具体信息。帮助模块里有数据库说明及本课题组的网络联系方式。用户可以在此板块查阅关于数据库本身的一些说明资料，还可以通过QQ 获得在线帮助。打印模块则方便用户进一步使用DBPs 数据库中的资料，将查询结果及相关的图形资料打印输出。

2.1.4 数据结构数据结构是计算机组织、存储数据的方式，是某个系统包含的信息相互之间存在的特定关系的数据元素结合。一个优秀的数据结构可以给系统带来更完美的运行体验和存储效率。本系统包含的DBPs 查询数据库的结构如表1 所示，DBPs 查询数据库包含DBPs 的所有内容，数据库以chemistry 命名，主表为cham，以ID 为主键。

表1 平台的数据库结构Tab.1 The database structure of the network platform

2.1.5 平台制作技术本平台主要是以Vue 与Spring Boot 框架进行开发，以前后端分离的技术标准制作成动态网站。采用关系型数据库MySQL，服务器选用Tomcat。网页设计是以Vue 单页面进行设计，运行在Web 服务器Nginx 上，整个项目运行在以Linux 为操作系统的服务器上。开发工具使用的是Vs Code 和IEDA。Tomcat 属于轻量级Web 应用服务器，Tomcat 运行时占用系统资源少，可以广泛满足Web 开发过程中常见的需求［13］。

1）平台前端的制作及代码。平台前端是基于Vue 框架进行的网页设计与开发，vue−router控制网站路由，vue−i18n 国际化网站，Axios 获取后端接口数据以及其他功能（如用pdfjs−dist 现实PDF 文档）。Vue 框架是现在流行的前端轻量级框架，采用MVVM 模式，支持双向数据以及组件化，且Vue 的核心库只关心视图层。相对于其他重量级框架，Vue 能够很好地帮助小型网站的前端开发，并且由于采用虚拟DOM，在运行处理数据时更快速。结合Axios 插件进行数据交互，以保证数据的持久化，且Axios 具有较好的浏览器兼容性。系统结构图如图3 所示。

图3 系统结构图Fig.3 System structure diagram

平台前端部分代码如下：

export const getAllData = params =>｛

return request({

url：’/getAllData’，

method：’get’，

params：params

})

}

2）平台后端的制作及代码。平台的后端是基于Spring Boot 框架提供服务，采用mybatis 作为MySQL 数据库的持久层框架，为数据库操作提供数据映射功能，提供对底层数据访问的封装，提供DAO 框架等等。Spring Boot 是现在流行的后端框架，Mybatis 是现在流行的数据库持久层框架，有着解除sql 与程序代码的耦合，支持对象与数据库的orm 字段关系映射，提供xml 标签，支持编写动态sql 的优点。基于此优点，采用Spring Boot 框架能达到简化系统的开发、有效地降低各层之间的耦合度、提高系统的可维护性的目的［14］。

后端部分代码如下：

@RequestMapping（path = ″/getAllData″）

public List getAllData（）｛

return dataService.getAllData（）；

｝

/*************************************************************/

update cham set iconUrl = #｛iconUrl｝where id = #｛id｝

2.1.6 数据的上传数据库的数据分两部分上传至网络平台：Excel 文档和DBPs 结构式图片文件夹，其中结构式图片以DBPs 的CAS 号命名。数据整理完成后，通过Navicat 和MySQL 平台将其导入至网页。此方法可以一次性大量地导入相应数据。由于每个DBPs 的CAS 号都是独一无二的，即使将DBPs 文字信息与结构式分开上传，也可以做到准确的一一对应。

2.2 数据库网络平台的使用

本平台可供单位或个人通过网页网址或者扫描二维码（图4（a））访问使用（http：∥dbps.com.cn/#/main），在主页的上部分设有：Home、DBPs 库、Regulatory rule、About 4 个功能分区，支持快捷访问；中部以搜索栏为主体，支持基本查询和模糊查询；下部设NEWS 专栏，提供有关DBPs 最新的会议信息或者研究进展。DBPs 库项目的内容为本系统内的DBPs 信息分类汇总，以便总览查看。Regulatory rule 则包含有CHINESE、CANADIAN、EU、JAPANESE、AMERI⁃CAN 等5 个国家和组织的生活饮用水卫生健康标准法律文件。用户可以在线预览，同时提供免费下载功能，用户可以根据需求下载所需文档。About 为系统的帮助板块，当用户访问网站描述还有没解决的问题时，或者对网站建设有好的建议，可以点击“Here”访问本网站在线客服进行反馈。

用户可以使用Search 栏进行DBPs 的准确查询与模糊查询。本系统提供的DBPs 信息界面图如图4（b）所示（以二溴一氯甲烷为例）。NEWS 栏则展示不定时更新环境化学领域的一些最新进展，定期公布本查询系统中DBPs 信息的补充、更新信息等。