Published October 8, 2019 | Version v1
Publication Open

Towards a reliable prediction of the aquatic toxicity of dyes

Creators

  • 1. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
  • 2. Wilson College
  • 3. North Carolina State University
  • 4. National and Kapodistrian University of Athens

Description

Abstract Background The Max Weaver Dye Library (MWDL) from North Carolina State University is a repository of around 98,000 synthetic dyes. Historically, the uses for these dyes included the coloration of textiles, paper, packaging, cosmetic and household products. However, little is reported about their ecotoxicological properties. It is anticipated that prediction models could be used to help provide this type information. Thus, the purpose of this work was to determine whether a recently developed QSAR (quantitative structure–activity relationships) model, based on ACO-SVM techniques, would be suitable for this purpose. Results We selected a representative subset of the MWDL, composed of 15 dyes, for testing under controlled conditions. First, the molecular structure and purity of each dye was confirmed, followed by predictions of their solubility and pKa to set up the appropriate test conditions. Only ten of the 15 dyes showed acute toxicity in Daphnia, with EC 50 values ranging from 0.35 to 2.95 mg L −1 . These values were then used to determine the ability of the ACO-SVM model to predict the aquatic toxicity. In this regard, we observed a good prediction capacity for the 10 dyes, with 90% of deviations within one order of magnitude. The reasons for this outcome were probably the high quality of the experimental data, the consideration of solubility limitations, as well as the high purity and confirmed chemical structures of the tested dyes. We were not able to verify the ability of the model to predict the toxicity of the remaining 5 dyes, because it was not possible to determine their EC 50 . Conclusions We observed a good prediction capacity for the 10 of the 15 tested dyes of the MWDL, but more dyes should be tested to extend the existing training set with similar dyes, to obtain a reliable prediction model that is applicable to the full MWDL.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نبذة مختصرة مكتبة ماكس ويفر داي (MWDL) من جامعة ولاية كارولينا الشمالية هي مستودع لحوالي 98000 صبغة اصطناعية. تاريخياً، شملت استخدامات هذه الأصباغ تلوين المنسوجات والورق والتعبئة والتغليف ومستحضرات التجميل والمنتجات المنزلية. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ إلا عن القليل من خصائصها السمية البيئية. من المتوقع استخدام نماذج التنبؤ للمساعدة في توفير معلومات من هذا النوع. وبالتالي، كان الغرض من هذا العمل هو تحديد ما إذا كان نموذج QSAR (العلاقات الكمية بين الهيكل والنشاط) الذي تم تطويره مؤخرًا، بناءً على تقنيات ACO - SVM، سيكون مناسبًا لهذا الغرض. النتائج اخترنا مجموعة فرعية تمثيلية من MWDL، تتكون من 15 صبغة، للاختبار في ظل ظروف خاضعة للرقابة. أولاً، تم تأكيد البنية الجزيئية ونقاء كل صبغة، تليها تنبؤات بقابليتها للذوبان و pKa لإعداد ظروف الاختبار المناسبة. أظهرت عشرة فقط من 15 صبغة سمية حادة في برغوث الماء، مع قيم EC 50 تتراوح من 0.35 إلى 2.95 ملغ L -1 . ثم استخدمت هذه القيم لتحديد قدرة نموذج ACO - SVM على التنبؤ بالسمية المائية. في هذا الصدد، لاحظنا قدرة تنبؤ جيدة للأصباغ العشرة، مع 90 ٪ من الانحرافات ضمن ترتيب واحد من حيث الحجم. ربما كانت أسباب هذه النتيجة هي الجودة العالية للبيانات التجريبية، والنظر في قيود الذوبان، وكذلك النقاء العالي والتركيبات الكيميائية المؤكدة للأصباغ المختبرة. لم نتمكن من التحقق من قدرة النموذج على التنبؤ بسمية الأصباغ الخمسة المتبقية، لأنه لم يكن من الممكن تحديد EC 50 الخاصة بهم. الاستنتاجات لاحظنا قدرة تنبؤ جيدة لـ 10 من 15 صبغة تم اختبارها من MWDL، ولكن يجب اختبار المزيد من الأصباغ لتوسيع مجموعة التدريب الحالية بأصباغ مماثلة، للحصول على نموذج تنبؤ موثوق به ينطبق على MWDL بالكامل.

Translated Description (French)

Résumé Contexte La Max Weaver Dye Library (MWDL) de la North Carolina State University est un référentiel d'environ 98 000 colorants synthétiques. Historiquement, les utilisations de ces colorants comprenaient la coloration des textiles, du papier, des emballages, des cosmétiques et des produits ménagers. Cependant, peu de choses sont rapportées sur leurs propriétés écotoxicologiques. Il est prévu que des modèles de prédiction pourraient être utilisés pour aider à fournir ce type d'informations. Ainsi, le but de ce travail était de déterminer si un modèle QSAR (quantitative structure–activity relationships) récemment développé, basé sur les techniques ACO-SVM, serait adapté à cet effet. Résultats Nous avons sélectionné un sous-ensemble représentatif du MWDL, composé de 15 colorants, à tester dans des conditions contrôlées. Tout d'abord, la structure moléculaire et la pureté de chaque colorant ont été confirmées, suivies de prédictions de leur solubilité et de leur pKa pour mettre en place les conditions de test appropriées. Seulement dix des 15 colorants ont montré une toxicité aiguë chez les Daphnia, avec des valeurs de CE 50 allant de 0,35 à 2,95 mg L −1 . Ces valeurs ont ensuite été utilisées pour déterminer la capacité du modèle ACO-SVM à prédire la toxicité aquatique. À cet égard, nous avons observé une bonne capacité de prédiction pour les 10 colorants, avec 90% des écarts à l'intérieur d'un ordre de grandeur. Les raisons de ce résultat étaient probablement la haute qualité des données expérimentales, la prise en compte des limites de solubilité, ainsi que la grande pureté et les structures chimiques confirmées des colorants testés. Nous n'avons pas pu vérifier la capacité du modèle à prédire la toxicité des 5 colorants restants, car il n'a pas été possible de déterminer leur CE 50 . Conclusions Nous avons observé une bonne capacité de prédiction pour les 10 des 15 colorants testés du MWDL, mais d'autres colorants devraient être testés pour étendre l'ensemble d'entraînement existant avec des colorants similaires, afin d'obtenir un modèle de prédiction fiable applicable au MWDL complet.

Translated Description (Spanish)

Antecedentes abstractos La Max Weaver Dye Library (MWDL) de la Universidad Estatal de Carolina del Norte es un repositorio de alrededor de 98.000 tintes sintéticos. Históricamente, los usos de estos tintes incluían la coloración de textiles, papel, envases, cosméticos y productos para el hogar. Sin embargo, poco se informa sobre sus propiedades ecotoxicológicas. Se prevé que se podrían utilizar modelos de predicción para ayudar a proporcionar este tipo de información. Por lo tanto, el propósito de este trabajo fue determinar si un modelo QSAR (relaciones cuantitativas estructura-actividad) desarrollado recientemente, basado en técnicas ACO-SVM, sería adecuado para este propósito. Resultados Seleccionamos un subconjunto representativo del MWDL, compuesto por 15 colorantes, para probar en condiciones controladas. En primer lugar, se confirmó la estructura molecular y la pureza de cada colorante, seguido de predicciones de su solubilidad y pKa para establecer las condiciones de prueba apropiadas. Solo diez de los 15 colorantes mostraron toxicidad aguda en Daphnia, con valores de EC 50 que oscilaron entre 0.35 y 2.95 mg L −1 . Estos valores se utilizaron para determinar la capacidad del modelo ACO-SVM para predecir la toxicidad acuática. En este sentido, observamos una buena capacidad de predicción para los 10 colorantes, con un 90% de desviaciones dentro de un orden de magnitud. Las razones de este resultado fueron probablemente la alta calidad de los datos experimentales, la consideración de las limitaciones de solubilidad, así como la alta pureza y las estructuras químicas confirmadas de los colorantes probados. No pudimos verificar la capacidad del modelo para predecir la toxicidad de los 5 colorantes restantes, porque no fue posible determinar su EC 50 . Conclusiones Observamos una buena capacidad de predicción para los 10 de los 15 colorantes probados del MWDL, pero se deben probar más colorantes para extender el conjunto de entrenamiento existente con colorantes similares, para obtener un modelo de predicción confiable que sea aplicable al MWDL completo.

Files

s12302-019-0258-1.pdf

Files (2.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9161bbded80696ddbd87c2847ddf595e
2.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نحو تنبؤ موثوق للسمية المائية للأصباغ
Translated title (French)
Vers une prédiction fiable de la toxicité aquatique des colorants
Translated title (Spanish)
Hacia una predicción fiable de la toxicidad acuática de los colorantes

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2980230638
DOI
10.1186/s12302-019-0258-1

Is supplement to
https://openalex.org/W58210023 (Other)
https://openalex.org/W4386559604 (Other)
https://openalex.org/W4319442310 (Other)
https://openalex.org/W4289549754 (Other)
https://openalex.org/W4210572801 (Other)
https://openalex.org/W2897649396 (Other)
https://openalex.org/W2593218630 (Other)
https://openalex.org/W2569747843 (Other)
https://openalex.org/W2093158927 (Other)
https://openalex.org/W2045811065 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1453941998
  • https://openalex.org/W1988037271
  • https://openalex.org/W1993346040
  • https://openalex.org/W1995681700
  • https://openalex.org/W1997148842
  • https://openalex.org/W2008395024
  • https://openalex.org/W2012481210
  • https://openalex.org/W2013897477
  • https://openalex.org/W2033757486
  • https://openalex.org/W2071551353
  • https://openalex.org/W2072537419
  • https://openalex.org/W2075533246
  • https://openalex.org/W2091557979
  • https://openalex.org/W2094529706
  • https://openalex.org/W2094836090
  • https://openalex.org/W2159491966
  • https://openalex.org/W2159887157
  • https://openalex.org/W2217436801
  • https://openalex.org/W2232950086
  • https://openalex.org/W2345428863
  • https://openalex.org/W2464197990
  • https://openalex.org/W2588523947
  • https://openalex.org/W2604302033
  • https://openalex.org/W2762656338
  • https://openalex.org/W2893803665
  • https://openalex.org/W4233613918
  • https://openalex.org/W4235580452
  • https://openalex.org/W560383354