Naukowcy opracowali nową metodę wykorzystującą sztuczną inteligencję do identyfikacji szkodliwych mieszanin chemicznych w rzekach, koncentrując się na ich wpływie na rozwielitkę, wrażliwy organizm wodny.
Badanie, które obejmuje współpracę międzynarodową, może znacząco poprawić monitorowanie i ochronę środowiska, dostarczając wiedzy na temat łącznej toksyczności substancji zanieczyszczających chemicznie.
AI w ochronie środowiska
Sztuczna inteligencja (AI) zmienia sposób, w jaki naukowcy rozumieją skutki mieszanin chemicznych w rzekach, oferując nowe narzędzia ochrony środowiska.
Naukowcy z Uniwersytet w Birmingham opracowali opartą na sztucznej inteligencji metodę wykrywania szkodliwych substancji chemicznych w rzekach poprzez analizę ich wpływu na drobne stworzenia wodne zwane pchłami wodnymi (rozwielitki). Organizmy te są bardzo wrażliwe na zmiany jakości wody, co czyni je idealnymi wskaźnikami stanu środowiska.
Zespół badawczy współpracował z ekspertami z Centrum Badawczego Nauk Eko-Środowiskowych (RCEES) w Chinach i Centrum Badań nad Środowiskiem im. Helmholtza (UFZ) w Niemczech. Wspólnie zbadali próbki wody z systemu rzeki Chaobai w pobliżu Pekinu, który jest zanieczyszczony substancjami zanieczyszczającymi pochodzącymi ze źródeł rolniczych, domowych i przemysłowych. Ten wspólny wysiłek podkreśla potencjał sztucznej inteligencji w wykrywaniu zagrożeń dla środowiska i poprawie bezpieczeństwa wody.
Postęp w technikach monitorowania
Profesor John Colbourne jest dyrektorem Centrum Badań nad Środowiskiem i Sprawiedliwością na Uniwersytecie w Birmingham oraz jednym z głównych autorów artykułu. Wyraził optymizm, że opierając się na tych wczesnych ustaleniach, pewnego dnia taką technologię będzie można zastosować do rutynowego monitorowania wody pod kątem substancji toksycznych, które w przeciwnym razie nie zostałyby wykryte.
Powiedział: „W środowisku występuje szeroka gama substancji chemicznych. Bezpieczeństwa wody nie można oceniać pojedynczo. Teraz mamy środki do monitorowania całości substancji chemicznych w próbkowanej wodzie pochodzącej ze środowiska, aby odkryć, które nieznane substancje działają razem, powodując toksyczność dla zwierząt, w tym ludzi”.
Wyniki opublikowane w Nauka i technologia o środowiskuwykazały, że pewne mieszaniny substancji chemicznych mogą ze sobą współdziałać, wpływając na ważne procesy biologiczne w organizmach wodnych, których miarą są geny. Kombinacje tych substancji chemicznych stwarzają zagrożenie dla środowiska, które jest potencjalnie większe niż w przypadku, gdy chemikalia występują pojedynczo.
Wykorzystanie wskaźników biologicznych
Zespół badawczy wykorzystał pchły wodne (rozwielitki) jako organizmy testowe w badaniu, ponieważ te maleńkie skorupiaki są bardzo wrażliwe na zmiany jakości wody i mają wiele wspólnych genów z innymi gatunekco czyni je doskonałymi wskaźnikami potencjalnych zagrożeń dla środowiska.
„Nasze innowacyjne podejście wykorzystuje rozwielitkę jako gatunek wskaźnikowy do wykrywania potencjalnych substancji toksycznych w środowisku” – wyjaśnia dr Xiaojing Li z Uniwersytetu w Birmingham (UoB) i główny autor tego badania. „Korzystając z metod sztucznej inteligencji, możemy zidentyfikować, które podzbiory substancji chemicznych mogą być szczególnie szkodliwe dla organizmów wodnych, nawet w niskich stężeniach, które normalnie nie budziłyby obaw”.
Dr Jiarui Zhou, również z Uniwersytetu w Birmingham i współautorka artykułu, która kierowała rozwojem algorytmów sztucznej inteligencji, powiedziała: „Nasze podejście pokazuje, jak zaawansowane metody obliczeniowe mogą pomóc w rozwiązaniu palących wyzwań środowiskowych. Analizując jednocześnie ogromne ilości danych biologicznych i chemicznych, możemy lepiej zrozumieć i przewidzieć zagrożenia dla środowiska”.
Pionierskie podejścia do ekotoksykologii
Profesor Luisa Orsini, kolejna starsza autorka badania, dodała: „Kluczowa innowacja badania polega na naszym bezstronnym podejściu opartym na danych do odkrywania, w jaki sposób istotne dla środowiska stężenia mieszanin chemicznych mogą powodować szkody. Stanowi to wyzwanie dla konwencjonalnej ekotoksykologii i toruje drogę do regulacyjnego przyjęcia gatunku wartowniczego Daphnia, wraz z nowymi metodami podejścia”.
Dr Timothy Williams z Uniwersytetu w Birmingham i współautor artykułu zauważył również, że: „Zazwyczaj w badaniach toksykologii wodnej albo wykorzystuje się wysokie stężenie danej substancji chemicznej w celu określenia szczegółowych odpowiedzi biologicznych, albo określa jedynie skutki wierzchołkowe, takie jak śmiertelność i zaburzenia reprodukcji po ekspozycji na próbkę środowiskową. Jednak to badanie otwiera nowe możliwości, umożliwiając nam identyfikację kluczowych klas substancji chemicznych, które w stosunkowo niskim stężeniu wpływają na organizmy żywe w prawdziwej mieszaninie środowiskowej, jednocześnie charakteryzując wywołane zmiany biomolekularne”.
Odkrycia mogą pomóc w poprawie ochrony środowiska poprzez:
- Identyfikacja nieznanych wcześniej kombinacji chemicznych, które stwarzają ryzyko dla organizmów wodnych
- Umożliwienie bardziej kompleksowego monitorowania środowiska
- Wspieranie bardziej świadomych przepisów dotyczących zrzutów substancji chemicznych do dróg wodnych
Odniesienie: „Profilowanie bioaktywności mieszanin chemicznych do charakteryzacji zagrożeń” 20 grudnia 2024 r., Nauka i technologia o środowisku.
DOI: 10.1021/acs.est.4c11095
Badania te zostały sfinansowane ze środków nagrody Royal Society International Collaboration Award, unijnego programu badań i innowacji „Horyzont 2020” oraz programu Innovation People Rady ds. Badań nad Środowiskiem Naturalnym.
