Direct Prediction of Bioaccumulation of Organic Contaminants in Plant Roots from Soils with Machine Learning Models Based on Molecular Structures

污染 生物累积 植物根系 土壤水分 土壤污染 环境科学 土壤科学 化学 环境化学 生态学 植物 生物
作者
Feng Gao,Yike Shen,J. Brett Sallach,Hui Li,Cun Liu,Yuanbo Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (24): 16358-16368 被引量:69
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c02376
摘要

Root concentration factor (RCF) is an important characterization parameter to describe accumulation of organic contaminants in plants from soils in life cycle impact assessment (LCIA) and phytoremediation potential assessment. However, building robust predictive models remains challenging due to the complex interactions among chemical–soil–plant root systems. Here we developed end-to-end machine learning models to devolve the complex molecular structure relationship with RCF by training on a unified RCF data set with 341 data points covering 72 chemicals. We demonstrate the efficacy of the proposed gradient boosting regression tree (GBRT) model based on the extended connectivity fingerprints (ECFP) by predicting RCF values and achieved prediction performance with R-squared of 0.77 and mean absolute error (MAE) of 0.22 using 5-fold cross validation. In addition, our results reveal nonlinear relationships among properties of chemical, soil, and plant. Further in-depth analyses identify the key chemical topological substructures (e.g., −O, −Cl, aromatic rings and large conjugated π systems) related to RCF. Stemming from its simplicity and universality, the GBRT-ECFP model provides a valuable tool for LCIA and other environmental assessments to better characterize chemical risks to human health and ecosystems.
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