分光反射率に基づいて海岸堆積物中のLDPE、PET、ABS濃度を予測する学習モデルの比較

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6258 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

陸上のマイクロプラスチック（MP）汚染は海洋の 32 倍であると推定されていますが、海洋 MP と比較して土壌 MP に関する研究は明らかに不足しています。 ビーチは陸と海の架け橋であり、同様に研究が十分に進んでいないマイクロプラスチック汚染の場所です。 可視近赤外 (vis-NIR) は、土壌中の低密度ポリエチレン (LDPE)、ポリエチレンテレフタレート (PET)、およびポリ塩化ビニル (PVC) の反射率の測定と濃度の予測に適用され、成功しています。 この方法に伴う迅速性と精度により、vis-NIR は有望なものとなります。 本研究では、学習モデルを開発するための PCA 回帰と機械学習のアプローチを調査します。 まず、分光放射計を使用して、未使用のマイクロプラスチック ペレット [LDPE、PET、およびアクリロニトリル ブタジエン スチレン (ABS)] を添加した処理済みの海岸堆積物から分光反射率データを測定しました。 記録されたスペクトル データを使用して、両方のアプローチを使用して各マイクロプラスチックの予測モデルが開発されました。 どちらのアプローチでも、R2 値が 0.7 より大きく、二乗平均平方根誤差 (RMSE) 値が 3 未満、平均絶対誤差 (MAE) < 2.2 の良好な精度のモデルが生成されました。 したがって、この研究の方法を使用すると、低コスト オプションの ASD HandHeld 2 VNIR 分光放射計を使用して、包括的なサンプル前処理を必要とせずに、正確な予測モデルを迅速に開発することができます。

プラスチックは、その耐久性、可鍛性、および低コストの製造により人気があります1。 しかし、その過剰使用と不適切な廃棄方法により、環境中の深刻なプラスチック汚染が引き起こされています2、3、4。 最終的に環境中に排出されたプラスチックは、化学的、物理的、または生物学的な環境要因によって、マイクロプラスチック (MP) として知られる小さな破片に分解されます。 いくつかの研究では、海洋環境に多数の MP が存在することが報告されています 5、6、7。 MP は有害な化学物質の輸送場所としてだけでなく、有害な微生物の生息地としても機能します8。 それらは微生物の組成、生態系の健全性、食物連鎖に影響を与え、脅かします9,10。

しかし、海洋環境におけるプラスチック廃棄物のほとんどは、内陸でのプラスチックの使用に由来しています11。 その結果、陸上のマイクロプラスチック汚染は海洋の 32 倍であると推定されています12。 土壌環境におけるプラスチック汚染源には、一次マイクロプラスチック (マイクロビーズ) を含む下水汚泥、肥料、パーソナルケア製品が含まれます 12,13。 その他の供給源には、埋め立て地や廃水灌漑が含まれます14、15。 さらに、大量の低密度ポリエチレン (LDPE) が農業やマルチング用途に使用されています16。 重要なのは、これらの MP はこれらの発生源から土壌表面と接触し、その後下層土壌に浸透し、土壌環境に侵入することです6。 これらは時間の経過とともに小さな破片に分解され、飲料用に使用される地下水に漏れ出します17。 プラスチックに含まれる添加剤が浸出する可能性があり、土壌生物相に有害となる可能性があります7。 さらに、プラスチックの表面は疎水性であるため、有機塩素系殺虫剤、金属、ポリ塩化ビフェニル (PCB) などの他の有毒物質も吸収します3。 最後に、土壌 MP の表面には、有毒物質を吸収する以外に、抗生物質耐性遺伝子を含む微生物病原体が潜んでいる可能性があり、これにより抗生物質耐性微生物疾患の蔓延が増加する可能性があります 18。

ほとんどの MP は土壌で見つかる可能性があるにもかかわらず、海洋 MP と比較して土壌 MP に関する研究は依然として明らかに不足しています18。 土壌 MP のモニタリングに関する研究はさらに少ない19。 土壌中の MP を定量化する標準化された方法を開発する必要性はよく認識されています 19,20,21。 研究の大部分は、MP の定量化にラマン分光法、フーリエ変換赤外 (FTIR) および熱分解 - ガスクロマトグラフィー - 質量分析 (Pyr-GC-MS) を使用しました 18,22。 MP を分離するためにサンプルを密度分離する必要があるため、これらの方法はすべて時間がかかります 23。