第二章 文獻回顧
2.2 丙烯腈化合物的介紹
丙烯腈是一種液態、無色、具輕度氣味且具有毒性之化學物質。而 丙烯腈與其衍生物都具有相當高的溶解性，且大部分皆屬於揮發性或半 揮發性之物質，因此容易逸散致大氣中，經由呼吸道、皮膚、眼睛等接 觸進入人體，其與衍生物之重要物理特性如表 2.2.1。
丙烯腈屬於美國最常使用的50 種化學物質之一，美國每年平均約生 產兩百萬噸的丙烯腈，而全世界丙烯腈之生產量為每年四百萬噸，每年 生產量以 3%成長。[4]丙烯腈為聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN)人造纖維 的主要原料，在進行人造纖維的製造時，排放廢水之組成則包含了丙烯 腈單體及丙烯腈聚合物等物質；而ABS (acrylonitrile–butadiene -styrene) 樹脂為我國塑膠工業的主軸之一，其原料為丙烯腈、丁二烯及苯二烯等。
因此兩工業的製程廢水中所含之丙烯腈不但會對人體造成傷害更因其不 易為微生物所分解，因此其廢水需經妥善處理，避免不慎排入天然水體 中對環境及生物造成災害。故國內之放流水標準明定腈化物之最高允許 排放標準濃度為 1.0 mg/L (行政院環境保護署，2004)，丙烯腈之最高暴 露濃度則為2 ppm，而許多國家也針對丙烯腈定立出法定的暴露極限[5]， 其值如表2.2.2 所示。
Zhang [6]指出丙烯腈為美國、中國以及德國等國家重要考量之污染 物，並針對石化工業廢水中所含之丙烯腈及乙腈做水體生物的毒性試驗 研究。Zhang 利用 Daphnia magna 對丙烯腈及乙腈探討了 21 天及 14 天的 試驗時間對實驗結果的影響，發現若將標準方法所提的21 天試驗時間改 為14 天，其慢毒性之結果並無太大之影響，因此作者認為可將慢毒性之 試驗時間縮短為14 天。而他亦針對 Acrylonitrile 替中國建立了一套排放 廢水之管制標準[7.8]，Zhang 選擇了中國當地常見之八種物種做急毒性試
驗，另外在慢毒性部分則選擇了
Daphnia magna 做 21 天存活率試驗、bufo bufo gargarizans 28 天的 Early life stage 毒性試驗以及 Lemna minor 做 96
小時的生長抑制測試，為丙烯腈之毒性建立了一個較完善的水體生物資 料庫。1999 年時，Zhang[9]又針對工業廢水中常見的四種毒性物質：丙烯 腈、乙腈等做短期之慢毒性研究，，Zhang 利用鯉魚(C. carpio)以及黑斑 蛙(Rana nigromaculata)兩種測試物種由胚胎幼體期(embryo-larval)開始為 期一週的慢毒性試驗，實驗結果發現丙烯腈在兩測試物種間皆為毒性最 強之化學物質。而台灣學者Liu[10]亦利用
Daphnia similis 及 Microtox 對工
業放流水做毒性的評估，發現其所分類之七大項工業放流水中，僅電鍍 業及丙烯腈製造業在兩測試物種皆檢測出毒性，針對丙烯腈這類的工業 放流水以Daphnia similes 較為敏感，而在 5 分鐘及 15 分鐘的 Microtox 試
驗則顯示較低之毒性，因此作者評估認為含有丙烯腈之工業放流水具有 一定的毒性，必須做適度的監控管制。綜合上述學者們之研究，我們更加了解到丙烯腈這類的毒性化學毒 性物質是值得被重視的，然而在丙烯腈的文獻上雖然較為完整，但在其 衍生物的研究卻是非常地稀少，因此針對丙烯腈類的研究是值得我們加 以了解探討的。
表2.2.1 丙烯腈及其衍生物之重要物理特性
毒化物名稱/ CAS NO. 分子式 亨利常數 結構式 Vapor Pressure
logP Water
Solubility
表2.2.2 各國法定之丙烯腈暴露極限
2.3 混合毒性研究之介紹與相關理論發展
當化學毒性物質進入生態系統中，往往不是以單一的情況存在，取而 代之的則是複合的污染，因此目前生態環境所受到的污染衝擊已不再侷限 於單一的毒性物質污染，因此針對單一種毒性化學物質進行研究已經無法 滿足實際環境評估的需求，固混合毒性試驗也因此被發展出來。
不同的毒性物質混合後，其在生物體內所產生的毒性作用與單一之毒 性物質產生作用並不完全相同；因此，藉由討論這些化學物質混合後的作 用情形不僅可使我們更了解混合機制，更能進而利用其結果應用在藥物學 等地方。通常混合的化學物質對生物體產生的聯合作用可分成下列三類 型：[11]
(一)、 相加作用
相加作用（additive effect）：當多種化學物質的聯合作用等於每一種化
學物質單獨作用之總合時則稱之。一般而言，化學結構較為相近者或其毒 性作用目標位置相同、作用機制相似者，較易產生此現象。
(二)、 協同作用
協同作用（synergistic effect）：當多種化學物質的聯合作用大於每一種 化學物質的單獨作用之總和時則稱之。一化學物質本身若具有毒性，其與 另一毒性物質同時存在時可使該毒性物質之毒性增加時，我們稱這種作用 為增強作用（Greater than additive），此現象對於生態系統而言是較具影響 力的，在環境上的應用如殺蟲劑的使用，則是藉此來增加其毒性；另外，
在藥物學上，也常利用其毒性增強的原理來使化學物質之用量降低進而達 到殘留量減少的目的。
(三)、 拮抗作用
拮抗作用（antagonistic effect）：當多種化學物質的聯合作用小於每 一種化學物質單獨作用之總合時稱之，亦稱為less than additive。在毒理 學及藥理學中，常以一種物質抑制另一種物質的毒性，因此此種作用又 可稱為抑制作用。在環境上常常藉此作用降低毒性物質的強度來保存物 種。
而混合毒性理論的發展最早是由 Bliss[12]所提出，利用單一毒性物質 之常態分布函數所做成的劑量-反應曲線之平行與否，用來判斷混合毒性 效應為 similar joint action 或 independent joint action。其後 Hewlett and Plackett[13]提出非交互作用混合毒性理論，屬於二維模式，此理論之限制條 件是只能有兩種毒性物質同時進行混合毒性試驗，並且兩種毒性物質不會 有交互作用之產生，也就是兩個毒性物質之間不可能發生彼此競爭受體之
鍵結位置的情形，並假設受體反應與劑量間的關係呈一常態分布。而 Christensen and Chen[14]擴展此理論成為多維空間，並選用Probit、Logit 、 Weibull 三種劑量-反應模式來分析，將混合毒性的理論推展至可處理多種 毒性物質間的混合其反應劑量關係也不侷限於常態分布。
2.4 QSARs 模式在環境毒物學上的應用
QSARs 模式在環境毒物學上發展應用主要分為兩大類，其一為針對 不同的試驗物種或不同種類的有機物質發展各種形式的 QSARs 模式，其 二則為運用 QSARs 模式對有機物質的分類來作為預測混合毒性效應之基 礎。
Lipnick[15]的研究中，針對logP QSAR 模式無法準確做毒性預估之反應 性有機物質，依其毒性作用機制不同可分成四大類，其四類分別為：親電 性(electrophile)、前親電性(pro-electrophile)、cyanogenic non-electrolytes 及 multistep multiplem；而本研究所選用之腈類及醛類即屬於 cyanogenic toxicity 及 electrophile toxicity。相關研究如 Cronin and Schultz[16]選擇非反 應性毒性作用(酮類)及反應性的親電性毒性(醛類)及前親電性毒性(α，β 不飽和醛類)三種作用機制對於Microtox 試驗建立一 QSAR 模式。
腈這類毒性物質主要含有C≡N 基，而其毒性作用方式主要分為兩種：
一種為經由 cyanohydrin-type functionality 的水解作用所釋放出之氰酸離 子，C≡N
-，另一種方式則是經由單氧分解酵素(monooxyg- enase enzymes) 的活化後，釋放出氰離子而造成之毒性。
親電性反應性有機物，其毒性作用機制主要在於所擁有之親電基
(electrophilic group) 能 和 生 物 體 內 大 分 子 上 的 硫 氫 基 等 親 核 部 分 (nucleophilic moiety)，產生取代反應(substitution)或相加反應(addition)，
改變原生物組成，使得原生物功能受到抑制，如抑制酵素功能而形成毒 性。而醛類則為另一類型之親電性毒性作用機制，其所進行之作用為 Schiff-base formation。
以其與胺基進行反應為例：
RCHO + R’NH2 ↔ RCH=NR’+ H2O 其中，RCH=NR’則稱為 Schiff base。
2.5. 腈類及醛類化合物之混合毒性
由於現今化學物質廣泛的被使用，因此在環境中其往往是以混合的方 式存在，而以下之學者則利用了腈類與醛類兩種毒性物質，做一混合毒性 的討論。
Lin et al. [17]利用
photobacterium phosphoreum 對 6 種不同的腈類和 8
種不同的醛類做一混合毒性之研究，作者主要目的在於使用實驗得知之 IC50值，作為混合毒性之預測模式，而在實驗中可看出腈類與醛類的混合 毒性試驗，主要呈現協同及相加之作用。Chen & Chiou[18]研究反應性與非反應性的混合毒性試驗中發現一個新 的混合毒性之協力作用(joint action)，稱之為 complex joint action，此一作 用主要發生在兩個毒性物質之劑量-反應曲線斜率相差極大時，兩者有較 強烈的毒性減弱之現象，且具有不規則之等效應曲線(isobologram)，可發 現一種毒性物質對另一種毒性物質具解毒功能。而Chen & Yeh 在 1996 時
針對反應性的毒性化學物質之混合毒性上，發現上述之 complex joint action 仍然存在。
而 Chen & Huang[19]亦利用反應性毒性化學物質腈類與醛類進行 Microtox 的混合毒性試驗，其結果發現當與 malonitrile 混合時主要呈現協 同 作 用 ， 且 與 甲 醛 混 合 時 更 具 有 強 烈毒 性 增 強 之 現 象 ； 反 之 ， 在 與 acetonitrile 混合時，則幾乎都呈現拮抗之作用。造成此結果的主要原因在 於 acetonitrile 屬於劑量-反應曲線斜率斜率大的物質，即表示生物對此類 化合物的最高容忍濃度到完全抑制僅在一狹小範圍內，也由於其劑量-反 應曲線斜率過大，因此在與其他有機物混合時，發生了complex joint action 而導致此結果。另外 Chen[20]在藻類的毒性試驗中，利用藻類的生長速率 (algal growth rate)及溶氧(dissolved oxygen)的產生來當做其測試終點，亦 發現相同之情形。
針對腈類與醛類混合研究中，Chen & Huang [19]利用魚毒試驗與 Microtox 試驗做比較，發現不同的試驗物種其混合毒性之效應是有所不同 的。而Chen & Lu[21]則利用了
E.coli 做混合毒性的試驗，並與 Microtox test
做比較；以腈類和醛類之單一及混合毒性試驗來說，我們可發現相同的化 學性有機物質在單一毒性試驗中，E.coli 與 Microtox 所表現出來的毒性及 劑量-反應曲線斜率不僅不同，甚至有極大的差異，而在混合毒性試驗中 其結果也因此大相逕庭的。這也說明了對於不同的試驗物種中，其毒性試 驗結果也會有所不同，因此當我們在對化學物質做環境水體的毒性試驗 時，選用多種物種來做試驗是有其意義的。Lin et al. [22]也針對醛類與腈化物做一混合毒性之試驗，並利用HPLC 來做分析進而得知 malononitrile 與 ρ-nitrobenzaldehyde 混合後會產生新的 物質ρ-nitrobenzoic acid，且發現當腈化物與苯甲醛類混合時，其轉換成酸
Lin et al. [22]也針對醛類與腈化物做一混合毒性之試驗，並利用HPLC 來做分析進而得知 malononitrile 與 ρ-nitrobenzaldehyde 混合後會產生新的 物質ρ-nitrobenzoic acid，且發現當腈化物與苯甲醛類混合時，其轉換成酸