定量結構活性關係（Quantitative Structure Activity Relationship，QSAR）
是一可以用來評估有機化學物質毒性的工具。主要即為依據各有機毒性化 學物質不同的毒性作用機制下，建立一系列相同或類似毒性化學物質的 QSAR 的模式。
本研究的 108 種毒性化學物質的毒性作用機制的分類，主要即根據文 獻中（Verhaar et al. [32]、Russom et al. [33]以及 Akers et al. [36]）的分類機制，
分為 3 大類，分別是非極性麻醉性毒性化學物質（Non-polar narcosis）五 十九種、極性麻醉性毒性化學物質（Polar narcosis）二十六種以及反應性 毒性化學物質（Reactive）二十九種。為了建立本研究月牙藻針對毒性化 學物質的良好 QSAR 結果，即較佳的迴歸關係式，必須先去除 outlier 以提 高 R2值以及 Q2，且必須選用適當的分子描述參數，以期由參數背後的物 化特性來了解有機毒物與生物受體間作用力關係。Akers et al.[36]曾提到以 毒性預測式預測的 EC50值與實際觀測得到的 EC50值的比例來歸納 QSAR 迴歸時 outlier 的二種性質，一為超額型毒性（Excess toxicity），二為破壞 式毒性 (Impaired toxicity)，前者歸納的原因可能為酵素均質化或者為小分 子原故而導致的膜穿透率的提升有關，後者原因為膜穿透率被抑制、活性 低或者是空間抑制性（Steric hindrance）所導致。當比例超過 1 個 order 以 上（10 倍）在變化時，則斷定毒物毒性來源可能來自其他類型的毒性機制。
因此 outliers 的判定則是根據
log Te＝log(Baseline concentrations)-log(Observed concentrations) 若 log Te 大於一或小於負一，即認定為 outliers。
4.3.1
基線毒性基線毒性基線毒性基線毒性(Baseline toxicity)屬於非極性麻醉性（Non-polar narcosis）作用機制的毒性化學物質被 Schultz et al.[73]定義為基線毒性（Baseline toxicity），主要的原因在於此類 作用機制的有機物毒性較其他類型機制來的低，並且發現此類型的毒性機 制所造成的毒性與辛醇與水係數（Log P）有良好的線性關係。本研究對於 五十九種非極性麻醉性化學物質四種反應觀測終點 NOEC、LOEC、EC10
以及 NEC 和 Log P 的回歸分析如表 4.3.1 及圖 4.3.1.1 至圖 4.3.1.4 所示。表 4.3.1.1 中的回歸方程式：1、6、11 以及 16。而 outliers 的部份，NOEC 為 Nitrobenzene（ID14）、2,6-Dinitrotoluene（ID19）、1,3-Dichloropropane
（ID32）、Propionitrile（ID80）、Malonitrile（ID86）、1-Octanol（ID89）、
Acetone（ID90），LOEC 為 2,6-Dinitrotoluene（ID19）、1,3-Dichloropropane
（ID32）、Propionitrile（ID80）、Malonitrile（ID86）、1-Octanol（ID89）、
Acetone（ID90），EC10為 2,6-Dinitrotoluene（ID19）、1,3-Dichloropropane
（ID32）、Malonitrile（ID86）、1-Octanol（ID89）、Acetone（ID90），
NEC 為 2,6-Dinitrotoluene（ID19）、1,3-Dichloropropane（ID32）、Malonitrile
（ID86）、1-Octanol（ID89）、Acetone（ID90）。而從圖 4.3.1.1 至圖 4.3.1.4 亦可看見，大部份屬於 outliers 的毒性化學物質皆是毒性高過預測毒性的
（log Te＜-1），只有 Acetone（ID90）為實際毒性低於預測毒性（log Te
＞1）。
68
Table 4.3.1 Comparison of QSARs for different classes and describing the relationship of low toxicity to log P and ELUMO
NO. Chemical End point QSAR n R2 RA2
F SE Q2 outlier’s ID 1 Non-polar narcosis NOEC log(1/NOEC) =0.95log P -1.18 51 0.91 0.91 504.5 0.48 0.90 14,19,32,(80),86,89,90 2 Polar narcosis log(1/NOEC) =0.87log P -0.06 23 0.76 0.75 65.31 0.46 0.64 46,48,50
3 log(1/NOEC) =0.69log P -0.79ELUMO+0.36 26 0.79 0.77 42.21 0.42 0.66 4 Halogenated nitriles log(1/NOEC) =-64.25ELUMO -1.67 6 0.89 0.85 30.95 0.71 0.78
5 log(1/NOEC) =0.25log P -60.68ELUMO -1.67 6 0.89 0.82 12.23 0.8 -
6 Non-polar narcosis LOEC log(1/LOEC) =0.95log P -1.27 52 0.9 0.9 455.8 0.51 0.9 19,32,(80),86,89,90 7 Polar narcosis log(1/LOEC) =0.92log P -0.5 22 0.8 0.79 81.61 0.42 0.71 46,48,50,52
8 log(1/LOEC) =0.84log P -0.661ELUMO-0.3 26 0.76 0.74 37.34 0.45 0.63 9 Halogenated nitriles log(1/LOEC) =-67.6ELUMO -2.02 6 0.91 0.89 42.56 0.64 0.84 10 log(1/LOEC) =-0.02log P -67.24ELUMO -2.02 6 0.91 0.86 15.97 0.74 -
11 Non-polar narcosis EC10 log(1/ EC10) =0.98log P -1.17 53 0.87 0.87 344.65 0.63 0.86 19,32,86,89,90 12 Polar narcosis log(1/EC10) =1.07log P -0.74 20 0.84 0.83 94.66 0.4 0.66 (44) ,46,48,50, 52 13 log(1/ EC10) =0.62log P–1.59ELUMO -0.42 23 0.86 0.84 58.55 0.39 0.77 (44),47
14 Halogenated nitriles log(1/ EC10) =-68.95ELUMO -1.96 6 0.94 0.93 66.24 0.52 0.89 15 log(1/ EC10) =-0.53log P -73.04ELUMO -1.67 6 0.89 0.83 15.4 0.74 0.49
16 Non-polar narcosis NEC log(1/ NEC) =0.96log P-1.3 54 0.89 0.89 414.23 0.56 0.88 19,32,86,89,90 17 Polar narcosis log(1/NEC) =0.98log P-0.47 21 0.76 0.74 59.17 0.46 0.6 (44),48,50, 59 18 log(1/NEC) =0.92log P -0.9ELUMO -0.43 25 0.77 0.75 37.24 0.56 0.68
19 Halogenated nitriles log(1/NEC) =-67.83ELUMO -2.01 6 0.92 0.9 46.66 0.61 0.84 20 log(1/NEC) =-0.23log P –67.89ELUMO -1.75 6 0.88 0.82 65.07 0.75 0.53
Fig 4.3.1.1 Log Pversus log(1/NOEC) for non-polar narcosis and the line represents the baseline toxicity
ID89 ID19
ID19
Fig 4.3.1.3 Log Pversus log(1/EC10) for non-polar narcosis and the line represents the baseline toxicity
ID89
Fig 4.3.1.4 Log Pversus log(1/NEC) for non-polar narcosis and the line represents the baseline toxicity
ID19:2,6-Dinitrotoluene
在觀測到的毒性化學物質毒性高過預測毒性的的情形中，Propionitrile
（ID80）可能是由於之前提過其中斷值過大，導致其實驗值可能是不可信 賴的，而造成 outlier 的出現。Nitrobenzene（ID14）、2,6-Dinitrotoluene
（ID19）、1,3-Dichloropropane（ID32）、Malonitrile（ID86）則是有所謂 的超額型毒性（Excess toxicity）出現。在過去的文獻中，認為芳香環上接 有硝基（NO2）會擁有強大的拉電子效應（Electron-withdrawing effect），
使芳香環上的電子密度較低，而造成硝基上的電子較多的原因是由於氧原 子的存在。一般而言，含硝基的芳香族化合物會隨著還原反應使得在芳香 環上的碳原子的親核性反應增加。而 Nitrobenzene 即為親電性毒性化學物 質的代表[74]。而含有雙硝基取代基的芳香族化合物，由於其硝基間會互相 結 合 所 以 親 電 性 參 數 會 遠 以 疏 水 性 參 數 重 要[75]。 1,3-Dichloropropane
（ ID32 ） 的 毒 性 較 高 的 原 因 ， 則 可 能 和 其 氯 原 子 鍵 結 位 置 有 關 ， 1,2-Dichloropropane（ID31）與其為同份異構物，前為間位取代基（meta-）
後為鄰位取代基（ortho-）。它們擁有相近的的 log P，但毒性卻相差了 10 倍以上。過去的文獻中，也有對於取代基位置對毒性的影響作討論，其結 果發現取代基位於鄰位（ortho-）上，如：2-Cl、2-Me 及 2-Et 的毒性會較 低，即也代表毒性化學物質取代基鍵結的位置會影響其毒性[76]。Malonitrile
（ID86）亦有學者將其分類為呼吸抑制作用的反應機制，毒性也會較非極 性麻醉性要來的強[36]。1-Octanol（ID89）毒性會較高原因，到目前為止本 研究還無法解釋。而唯一實際毒性較預測低的有機物為 Acetone（ID90），
此化學物質在工業上常被使用為溶劑的用途。在微生物的實驗中亦以其為 溶劑對於活性污泥、甲烷菌、硝化菌等進行毒性測驗[77]。Russom et al. [33]
以 Fathead minnow 進行毒性試驗，亦發現 Acetone 的 Te 值小於一，與本
度（Goodness of fit）外，還採用交叉驗證（Cross-validation）的留ㄧ法
（Leave-one-out）中的 Q2來評估其預測能力（Goodness of prediction），
以上兩值越接近於一，即表示此方程式的合適度及預測能力越佳。從表 4.3.1.1 中亦可看出以 NOEC 及 LOEC 為觀測終點，當去除 outliers 之後回 歸方程式其 R2以及 Q2皆大於 0.9 以上，以 EC10及 NEC 為觀測終點的回 歸方程式，其 R2以及 Q2皆大於 0.85 以上，顯示其結果與 LogP 具良好之 相關性，而 LogP 是表示分子疏水性的重要參數。並且觀察方程式可發現，
斜率的部份都介於 0.95-0.98 之間，此和過去文獻中對於基線毒性中的 Universal narcosis slope(0.945)是 接近 的[71]。即表示本研究對於月芽藻
（Pseudokirchneriella subcapitata）所建立非極性麻醉性作用機制的基線毒 性（Baseline toxicity）回歸方程式具有良好的預測性，並可提供大眾作為 非極性麻醉性毒性化學物質的在低影響抑制濃度的預測。
4.3.2
極性麻醉性極性麻醉性極性麻醉性極性麻醉性(Polar narcosis)及反應性及反應性及反應性及反應性(Reactive)作用機制作用機制作用機制作用機制在極性麻醉性(Polar narcosis)的部份，主要包含的酚類以及苯胺類此兩 大類的化合物，總共為酚及其 13 個衍生物以及 13 個苯胺類的毒性化學物 質。此類作用機制的化學物質毒性較非極性麻醉性類(Non-polar narcosis) 的毒性化學物質要來的高，並且和細胞的親核試劑有強大的電子交互作 用。因此，參予回歸的分子描述參數除了 log P 之外，還加上了 ELOMU此 項電子參數。回歸結果如表 4.3.1 中，方程式 2、3、7、8、12、13、17 及 18 所示。方程式 2、7、12 以及 17 是只和 log P 回歸的結果，其他則有加 上 ELOMU。而只和 log P 回歸，outliers 的部份，NOEC 為 2-Nitrophenol
（ID46）、4-Nitrophenol（ID48）、2,4-Dinitrophenol（ID50），LOEC 為 2-Nitrophenol（ID46）、4-Nitrophenol（ID48）、2,4-Dinitrophenol（ID50）、
4-Chloroaniline （ ID52 ） ， EC10 為 2,3,4,6-Tetrachlorophenol （ ID44 ） 、 2-Nitrophenol（ID46）、4-Nitrophenol（ID48）、2,4-Dinitrophenol（ID50）、
4-Chloroaniline（ ID52 ） ， NEC 為 2,3,4,6-Tetrachlorophenol（ ID44 ） 、 4-Nitrophenol（ID48）、2,4-Dinitrophenol（ID50）、2,4,6-Trichloroaniline
（ID59）。與 LogP 之關係如圖 Fig 4.3.2.1 至 Fig 4.3.2.4 所示。
ID48
Fig 4.3.2.1 Log Pversus log(1/NOEC) for polar narcosis
ID46 ID48
Fig 4.3.2.2 Log Pversus log(1/LOEC) for polar narcosis
ID46:2-Nitrophenol
ID52
Fig 4.3.2.3 Log Pversus log(1/EC10) for polar narcosis
ID44
在這些 outliers 的部份，其中 2,3,4,6-Tetrachlorophenol（44）除了其 cut-off value 過大可能造成其結果誤差過大而變異性過大，而在過去的文獻 中[78]，對於酚類接超過 3 個或 3 個以上的滷素原子做討論，發現到化學物 質的實際毒性會較預測毒性高。主要的原因是由於此類毒性化學物質的作 用 機 制 應 是 屬 於 弱 酸 呼 吸 非 偶 合 （ Weak respiratory uncoupling mechanism），這類機制下的化學物質毒性會高於麻醉性（Narcosis）。
2-Nitrophenol（ID46）、4-Nitrophenol（ID48）及 2,4-Dinitrophenol（ID50），
這三個毒性化學物質實際毒性也高於預測毒性的原因是在第二及第四位 置上所接的硝基（Nitro group）會被氧化成 Quinone，而此化學物質的毒性 高於極性麻醉性化學物質（Polar nacosis）[79-84]，而雙硝基取代基（Dinitro-）
因為其兩硝基會互相結合影響，導致其親電性會遠比疏水性參數來的重要 且而當苯環上所接的硝基越多，其親電性越強，造就其有機物的毒性越 高，而和 log P 的關係下降，反而和親電性參數、例如：ELUMO，的回歸關 係較好[75]。Bearden et al. [85]曾對於苯胺類以纖毛蟲進行毒性試驗，發現含 有對位（para-）鹵素取代基的苯胺類會出現較高的毒性，在本研究中此亦 顯示出 4-Chloroaniline（ID52）對於月芽藻（Pseudokirchneriella subcapitata）
的毒性較高。至於含有三個氯原子取代基的 2,4,6-Trichloroaniline（ID59），
分子內位在鄰位（ortho-）取代基的氯原子會遮蔽胺基（NH2-）使其毒性 受到抑制而降低[86]。而從表中亦可看出當急性麻醉性作用機制的 QSARs 線性回歸中再加入 ELUMO後，對於 R2及 Q2雖無明顯的改善，但原本屬於 outliers 的毒性化學物質，變成非 outliers 的情況，即代表此類作用機制的 化學物質毒性是和電子的轉移有關，適合使用親電性的物化參數來描述，
並利用此來預測其毒性。
至於反應性作用機制的毒性化學物質，包含了醛類、農藥以及含鹵素 取代基的腈類。此類機制下的有機物，毒性是此三種作用機制裡最高的。
但由於此三項混在一起的回歸效果並不好，不論是單獨和 Log P 回歸或者 是 Log P 以及 ELUMO兩個參數加在一起回歸對於以 NOEC、LOEC、EC10
或 NEC 效果皆不好，R2都小於 0.3。若分開各別進行回歸效果也不好，最 後只有含鹵素取代基的腈類有良好的結果，如表 4.3.1 中，方程式 4、5、9、
10、14、15、19 及 20 所示。其中可發現單獨和 ELUMO回歸效果即相當良 好，R2都大於 0.85 且 Q2都大於 0.75。加入 Log P 後並無改善其回歸效果。
即代表反應的化學物質的毒性影響和疏水性參數相關性並不大，在建構定 量結構活性關係時，電子性參數反而是較為重要。因此應尋找更佳適當的 物化參數，以期能建構包含各式種類的反應性毒性化學物質之劑量結構活 性關係。