Exploring pollutant joint effects in disease through interpretable machine learning

污染物 空气污染物 人工智能 机器学习 Boosting(机器学习) 计算机科学 环境科学 空气污染 生物 生态学
作者
Shuo Wang,Tianzhuo Zhang,Ziheng Li,Jinglan Hong
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:467: 133707-133707 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.133707
摘要

Identifying the impact of pollutants on diseases is crucial. However, assessing the health risks posed by the interplay of multiple pollutants is challenging. This study introduces the concept of Pollutants Outcome Disease, integrating multidisciplinary knowledge and employing explainable artificial intelligence (AI) to explore the joint effects of industrial pollutants on diseases. Using lung cancer as a representative case study, an extreme gradient boosting predictive model that integrates meteorological, socio-economic, pollutants, and lung cancer statistical data is developed. The joint effects of industrial pollutants on lung cancer are identified and analyzed by employing the SHAP (Shapley Additive exPlanations) interpretable machine learning technique. Results reveal substantial spatial heterogeneity in emissions from CPG and ILC, highlighting pronounced nonlinear relationships among variables. The model yielded strong predictions (an R of 0.954, an RMSE of 4283, and an R2 of 0.911) and emphasized the impact of pollutant emission amounts on lung cancer responses. Diverse joint effects patterns were observed, varying in terms of patterns, regions (frequency), and the extent of antagonistic and synergistic effects among pollutants. The study provides a new perspective for exploring the joint effects of pollutants on diseases and demonstrates the potential of AI technology to assist scientific discovery.
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