On the aquatic toxicity of diverse chemicals: Development of novel In silico models towards selected aquatic organisms under the framework of reach regulation

Abstract

Kimyasalların sucul organizmalara yönelik zararlılık ve risk değerlendirmesi Kimyasalların Kaydı, Değerlendirilmesi, İzni ve Kısıtlanması hakkındaki Avrupa Birliği Yönetmeliği (REACH) doğrultusunda önem taşımaktadır. Hayvan refahı ve sürdürülebilirlik gibi etik konular ile sucul toksisite veri gereksinimi göz önünde bulundurulduğunda, Kantitatif Yapı-Toksisitesi İlişkileri (KYTİ) gibi bilgisayarla modelleme yöntemleri çevresel toksisitelerin tahmin edilmesinde büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, geometri optimizasyon yönteminin seçimine yönelik aktivite-bağımsız akılcı bir yaklaşım iyileştirilmiş KYTİ modellemesi için ilk defa önerilmiştir. Temsili üç sucul türe (su yosunları, balık, planarya) yönelik farklı KYTİ ve türler arası modeller önerilen akılcı yaklaşım kullanılarak geliştirilmiştir. Gökkuşağı alabalığı karaciğer hücre dizini sitotoksisitesi ve Dugesia japonica toksisitesi için KYTİ modelleri ile Daphnia magna ve D. japonica için türler arası kantitatif toksisite ilişkisi ilk kez raporlanmıştır. Endişe verici kimyasallar ve yüksek hacimde üretilen kimyasallar gibi çevresel açıdan önemli kimyasallara yönelik geliştirilen ve dikkate değer tahmin kapsamı sağlayan KYTİ modelleri ile literatüre katkıda bulunulmuştur. Ayrıca, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından açıklanan `Ekotoksikolojik Verisi Olmayan Kimyasallar Listesi` nde belirtilen kimyasalların büyük bir çoğunluğu için tahmin edilen sucul toksisite ve sitotoksisite verileri ilk kez olarak sağlanmıştır. Geliştirilen modeller, bilimsel ve düzenleyici bir çerçevede kimyasalların toksisite değerlendirmesi, taranması ve önceliklendirilmesinde potansiyel araçlar olarak ümit vericidir.

Environmental hazard and risk assessment of chemicals are crucial for aquatic species within the direction of the European Regulation on the Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals (REACH). In consideration of ethical concerns, animal welfare and sustainability, as well as the need for aquatic toxicity data, in silico models, such as validated quantitative structure-toxicity relationships (QSTRs), are of great importance. In the present study, an activity-independent rational approach towards selecting an optimal geometry optimization method for improved QSTR modeling was proposed for the first time. Different QSTR and interspecies models towards three representative aquatic species (algae, fish, and planarian) were developed using the rational approach recommended. QSTR models on the prediction of cytotoxicity to rainbow trout liver cell line (RTL-W1), toxicity to Dugesia japonica, and an interspecies quantitative toxicity relationship between Daphnia magna and D. japonica were reported for the first time. The presented QSTR models have contributed to the literature by providing notable prediction coverage for environmentally significant chemicals, such as contaminants of emerging concern and high production volume chemicals. Furthermore, the first predicted aquatic toxicity and cytotoxicity data were provided for a great majority of the chemicals addressed in `The List of Chemicals with no Ecotoxicological Data` announced by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK). The developed models are promising as potential tools in toxicity assessment, screening and prioritization of chemicals in a scientific and regulatory frame.