Rapidly Predicting Aqueous Adsorption Constants of Organic Pollutants onto Polyethylene Microplastics by Combining Molecular Dynamics Simulations and Machine Learning

微塑料 吸附 离子强度 海水 污染物 水溶液 人工海水 化学 环境化学 聚乙烯 离子键合 粒子(生态学) 有机化学 离子 海洋学 地质学
作者
Lihao Su,Zhongyu Wang,Zijun Xiao,Deming Xia,Ya Wang,Jingwen Chen
出处
期刊:ACS ES&T water [American Chemical Society]
卷期号:4 (9): 4184-4192
标识
DOI:10.1021/acsestwater.4c00463
摘要

Adsorption of aqueous organic pollutants onto microplastics influences the exposure and risks of both the pollutants and microplastics. Experimental determination of the aqueous adsorption equilibrium constants (Kaq) that characterize the adsorption capacity of microplastics to pollutants is laborious and inefficient since the Kaq values rely on various combinations of conditions, such as pH, ionic strength, and particle sizes. Herein, molecular dynamics (MD) methods were established by comparing the MD-calculated Kaq values with the empirical values of 14 compounds adsorbed onto polyethylene (PE) microplastics having different particle sizes (10–250 μm) in pure water and seawater. Based on the data sets consisting of experimental and MD-calculated Kaq values, machine learning models were constructed. A gradient boosting decision tree (GBDT) model requires only easily obtainable Mordred descriptors for pollutants and desired conditions (particle sizes and ionic strength) to yield accurate results, with an external determination coefficient of 0.99. The GBDT model exhibits a great improvement over the previous one, as it incorporates multiple factors including ionic strength from pure water to seawater, dissociation species at different pH, and PE particle sizes with diameters ranging from nanometers to micrometers. This study paves a new way for high-throughput estimating K values for microplastics and pollutants at different environmental conditions.
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