ES&T Letters:将鱼类中的全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 指纹与机器学习相结合,用于地表水中的 PFAS 源跟踪

文摘   2024-10-28 09:03   陕西  
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第一作者:John F. Stults


通讯作者:John F. Stults



中文标题:将鱼类中的全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 指纹与机器学习相结合,用于地表水中的 PFAS 源跟踪.

英文标题:Integration of Per- and Polyfluoroalkyl Substance (PFAS) Fingerprints in Fish with Machine Learning for PFAS Source Tracking in Surface Water.

摘要详文

全氟烷基物质和多氟烷基物质 (PFAS) 是一类源自多种来源的环境污染物。与许多商业产品和工业应用相关的独特化学指纹使 PFAS 成为机器学习 (ML) 辅助环境取证的理想候选者。在这里,我们提出了一种在地表水系统的鱼类组织中使用 PFAS 指纹的新方法,通过概念验证演示对多种 PFAS 来源的暴露进行分类。实现两个预测特征的三种监督 ML 分类技术(k 最近邻 (KNN)、决策树、支持向量机)用于对文献报道的鱼类 PFAS 指纹进行分类 (n = 1057 )。使用多特征 KNN 算法的强力优化探索了额外预测特征的重要性。多类别分类考虑了暴露于受水成膜泡沫影响的水、造纸工业废水、扩散源或进行长距离传输的 PFAS。优化的分类器对于环境取证中第一个已知的 PFAS 多类分类显示出 85%–94% 的分类准确度。优化的分类器还通过一组独立的外部验证数据(n = 192)证明了 79%–92% 的分类准确度。我们的结果表明,鱼类组织中的 PFAS 指纹可能是地表水系统中 PFAS 源跟踪的有效手段。提供源代码是为了指导机器学习辅助环境取证的最佳实践。

图文摘要


图文速览

图 1. Langberg 等人的质量分数数据的 PCA PCA 分析表明,只有三个特征(PFUnDA、PFTrDA 和 L-PFOS)在 PC-1 或 PC-2 中负荷较大。



图 2. 使用长链 PFCA 总和和 PFSA 总和作为两个特征的 SVM(左上)、KNN(右上)和决策树分析(下)的结果。


图 3. 四特征(L-PFOS、PFUnDA、PFTrDA、组织类别)KNN 的混淆矩阵。

主要发现

本次建模练习旨在进行演示,而不是基于对鱼类中 PFAS 的测量对地表水中 PFAS 来源分配的权威评论。可能需要进一步研究鱼类中的 PFAS 毒代动力学,以确保此处采用的方法的真实准确性,并有助于说明为什么特定 PFAS(即 L-PFOS、PFUnDA 和 PFTrDA)对来源分类最为重要,尽管这可能与它们更高的生物累积潜力有关。此外,虽然不同鱼类的影响不是控制分类准确性的主要因素(见第 S.6 节中的讨论),但数据确实表明 PFAS 在鱼肝脏中的生物累积水平高于肌肉,分类器应仅适用于训练数据集中包含的组织数据。肝脏中更高的累积量表明脂肪含量更高的鱼也可能更容易吸收 PFAS。尽管如此,本文提出的结果表明,使用非洄游鱼类中的 PFAS 浓度进行源头追踪的基本方法可能是合理的,因为这项工作展示了一种可推广的模型,用于追踪跨地理区域鱼类中生物累积的 PFAS。这种类型的源头追踪也可能适用于其他令人担忧的生物累积性污染物(即多氯联苯),假设它们的吸收速度与鱼类生命周期相比同样快。我们希望这项工作能启发未来在这些类似领域的研究。


文章DOI:10.1021/acs.estlett.3c00278
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The End


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