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Advancing chronic toxicity risk assessment in freshwater ecology by molecular characterization-based machine learning

数量结构-活动关系 慢性毒性 稳健性(进化) 污染物 水生毒理学 计算机科学 毒性 环境毒理学 分子描述符 机器学习 急性毒性 生化工程 环境科学 生态学 人工智能 生物 化学 工程类 基因 有机化学 生物化学
作者
Lang Lei,Liangmao Zhang,Zhibang Han,Qirui Chen,Pengcheng Liao,Dong Wu,Jun Yan Tai,Bing Xie,Yinglong Su
出处
期刊:Environmental Pollution [Elsevier BV]
卷期号:342: 123093-123093 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.envpol.2023.123093
摘要

The continuously increased production of various chemicals and their release into environments have raised potential negative effects on ecological health. However, traditional labor-intensive assessment methods cannot effectively and rapidly evaluate these hazards, especially for chronic risk. In this study, machine learning (ML) was employed to construct quantitative structure-activity relationship (QSAR) models, enabling the prediction of chronic toxicity to aquatic organisms by leveraging the molecular characteristics of pollutants, namely, the molecular descriptors, fingerprints, and graphs. The limited dataset size hindered the notable advantages of the graph attention network (GAT) model for the molecular graphs. Considering computational efficiency and performance (R2 = 0.78; RMSE = 0.77), XGBoost (XGB) was used for reliable QSAR-ML models predicting chronic toxicity using small- or medium-sized tabular data and the molecular descriptors. Further kernel density estimation analysis confirmed the high accuracy of the model for pollutant concentrations ranging from 10−3 to 102 mg/L, effectively aligning with most environmental scenarios. Model interpretation showed SlogP and exposure duration as the primary influential factors. SlogP, representing the distribution coefficient of a molecule between lipophilic and hydrophilic environments, had a negative effect on the toxicity outcomes. Additionally, the exposure duration played a crucial role in determining the chronic toxicity. Finally, the chronic toxicity data of bisphenol A validated the robustness and reliability of the model established in this research. Our study provided a robust and feasible methodology for chronic ecological risk evaluation of various types of pollutants and could facilitate and increase the use of ML applications in environmental fields.

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