Краткий рабочий план и ключевые формулы для оценки токсичности и мобильности новых веществ в окружающей среде с применением QSAR, биодеградации и моделирования распределения.
Основная последовательность:
1. Сбор исходных данных: структурная формула, молекулярная масса, группы, pKa (если ионизируемое).
2. Предсказание физико‑химических свойств (QSAR/СПР): $\log K_{OW}$, растворимость $S_w$, коэффициент Генри $H$, $\log K_{OC}$, $BCF$, константы pKa. Инструменты: EPI Suite (KOWWIN, KOCWIN, BIOWIN), OECD QSAR Toolbox, VEGA, QSARINS.
3. Оценка биоразложения: предсказание кинетики (модели BIOWIN, готовность к биодеградации) → получение скорости распада $k$ или полу‑времени $t_{1/2}$.
4. Оценка токсичности (QSAR): предсказать ${\text{LC}}_{50}$, ${\text{EC}}_{50}$, $\text{NOEC}$, механистические предупреждения; проверить область применимости и верифицировать экспериментально при возможности.
5. Оценка сорбции и мобильности в почве/воде: вычислить $K_d$ из $K_{OC}$ и органического углерода:
$$K_d=K_{OC}\cdot f_{OC}$$ приближенная связь с $\log K_{OW}$:
$$\log K_{OC}\approx a\log K_{OW}+b$$ (используйте конкретную корреляцию из выбранной модели).
6. Оценка мобильности (фракция в поровой воде): для почвы с плотностью ${\rho }_b$ и водонасыщением $\theta$:
$$f_{pw}=\frac{1}{1+K_d\cdot \frac{{\rho }_b}{\theta }}$$ чем выше $f_{pw}$ — тем выше риск выноса в грунтовые воды.
7. Мультимедийное моделирование распределения (Mackay fugacity, Level II/III, SimpleBox): массовый баланс в барьерах:
$$\frac{d{M}_i}{dt}=\sum _j{F}_{ji}-\sum _j{F}_{ij}-k_i{M}_i+S_i$$ где $M_i$ — масса в среде $i$, $F_{ij}$ — потоки между средами, $k_i$ — локальная скорость распада, $S_i$ — источники.
8. Кинетика распада (первого порядка) и полу‑время:
$$C(t)=C_0{e}^{-kt},t_{1/2}=\frac{\ln 2}{k}.$$ 9. Интегральные метрики: общая устойчивость (overall persistence) и LRTP (потенциальная дальность переноса). Простейшая оценка устойчивости через средневзвешенное время жизни:
$$P_{ov}=\sum _i{\tau }_i\frac{M_i}{M_{tot}},{\tau }_i=\frac{1}{k_i}.$$ 10. Оценка риска: сравнить предсказанные концентрации (PEC) с порогами (PNEC, получаемыми из $\text{NOEC}/AF$ или ${\text{LC}}_{50}/AF$). Простейшее отношение:
$$\text{RQ}=\frac{PEC}{PNEC}.$$
Практические замечания и погрешности:
- Для ионизируемых соединений учитывайте зависимость сорбции и растворимости от pH (модель распределения по формам).
- QSAR‑предсказания надо проверять на область применимости; использовать несколько моделей и consensus‑оценку.
- Метаболиты/продукты трансформации могут иметь иные токсичность/мобильность — включайте предсказание метаболитов.
- Валидация: по возможности сделайте лабораторные тесты (акутные/хронические токсичности, тесты биодеградации, измерение Kd/Koc, BCF).
Короткая сводка инструментов:
- EPI Suite (KOWWIN, KOCWIN, BIOWIN, BCFBAF), OECD QSAR Toolbox, VEGA, Mackay Level III/III (Multimedia models), SimpleBox/ECOSAR (экотоксичность), QSARINS.
Итого: используйте каскад — предсказание физико‑химических свойств (QSAR) → предсказание биодеградации (полу‑времена) → расчёт сорбции и мобильности ($K_d$, $f_{pw}$) → мультимедийное моделирование концентраций → сравнение PEC/PNEC и оценка риска; параллельно проверяйте область применимости моделей и при необходимости верифицируйте экспериментально.