Сравнение моделей обучения для прогнозирования концентраций ПЭНП, ПЭТ и АБС в пляжных отложениях на основе спектральной отражательной способности

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6258 (2023) Цитировать эту статью

532 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Загрязнение микропластиком (МП) на суше, по оценкам, в 32 раза выше, чем в океанах, и тем не менее, наблюдается явный недостаток исследований почвенных МП по сравнению с морскими МП. Пляжи являются мостами между сушей и океаном и представляют собой столь же недостаточно изученные места загрязнения микропластиком. Видимый-ближний инфракрасный диапазон (vis-NIR) успешно применяется для измерения отражательной способности и прогнозирования концентраций полиэтилена низкой плотности (ПЭНП), полиэтилентерефталата (ПЭТ) и поливинилхлорида (ПВХ) в почве. Быстрота и точность, связанные с этим методом, делают vis-NIR перспективным. В настоящем исследовании изучаются подходы PCA-регрессии и машинного обучения для разработки моделей обучения. Сначала с помощью спектрорадиометра были измерены данные спектрального отражения обработанного пляжного осадка с добавлением первичных гранул микропластика (ПЭНП, ПЭТ и акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)). Используя записанные спектральные данные, были разработаны прогнозные модели для каждого микропластика с использованием обоих подходов. Оба подхода позволили создать модели хорошей точности со значениями R2 более 0,7, значениями среднеквадратической ошибки (RMSE) менее 3 и средней абсолютной ошибкой (MAE) <2,2. Таким образом, используя метод этого исследования, можно быстро разработать точные прогнозные модели без необходимости комплексной подготовки проб, используя недорогой вариант спектрорадиометра ASD HandHeld 2 VNIR.

Пластмассы популярны благодаря своей долговечности, пластичным свойствам и дешевизне производства1. Однако их чрезмерное использование и неправильные методы утилизации привели к серьезному загрязнению окружающей среды пластиком2,3,4. Пластмассы, попадающие в окружающую среду, могут затем под воздействием химических, физических или биологических факторов окружающей среды распадаться на более мелкие фрагменты, известные как микропластики (МП). В нескольких исследованиях сообщалось о большом количестве МП в морской среде5,6,7. МП могут служить транспортом ядохимикатов, а также средой обитания вредных микроорганизмов8. Они влияют и угрожают микробному составу, здоровью экосистем и пищевым цепям9,10.

Однако большая часть пластиковых отходов в морской среде образуется в результате использования пластика на суше11. Следовательно, загрязнение микропластиком на суше, по оценкам, в 32 раза выше, чем в океанах12. Источниками пластикового загрязнения почвенной среды являются осадки сточных вод, содержащие первичный микропластик (микрошарики), удобрения и средства личной гигиены12,13. Другие источники включают свалки и орошение сточных вод14,15. Кроме того, огромное количество полиэтилена низкой плотности (ПЭВД) используется в сельском хозяйстве и для мульчирования16. Важно отметить, что из этих источников эти МП контактируют с поверхностью почвы, а затем просачиваются в недра, попадая таким образом в почвенную среду6. Со временем они разлагаются на более мелкие кусочки и попадают в грунтовые воды, которые используются для питья17. Добавки в пластиках могут вымываться, что может нанести вред биоте почвы7. Кроме того, из-за гидрофобной поверхности пластиков они поглощают другие токсичные вещества, такие как хлорорганические пестициды, металлы и полихлорированные дифенилы (ПХБ)3. Наконец, помимо поглощения токсикантов, поверхность почвенных МП может содержать микробные патогены, содержащие гены устойчивости к антибиотикам, что может способствовать распространению устойчивых к антибиотикам микробных заболеваний18.

Несмотря на то, что большинство МП потенциально обнаруживаются в почвах, исследования почвенных МП по-прежнему явно недостаточны по сравнению с морскими МП18. Еще меньше исследований по мониторингу почвенных МП19. Необходимость разработки стандартизированных методов количественного определения МП в почве общепризнана19,20,21. В подавляющем большинстве исследований для количественного определения MPs использовалась рамановская спектроскопия, инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) и пиролиз-газовая хроматография-масс-спектрометрия (Pyr-GC-MS)18,22. Все эти методы требуют много времени, поскольку образцы должны пройти разделение по плотности для выделения МП23.