Machine Learning-Based Models with High Accuracy and Broad Applicability Domains for Screening PMT/vPvM Substances

可解释性 优先次序 计算机科学 机器学习 一般化 人工智能 高通量筛选 接收机工作特性 分拆(数论) 化学 数学 工程类 生物化学 组合数学 数学分析 管理科学
作者
Qiming Zhao,Yang Yu,Yuchen Gao,Lilai Shen,Shixuan Cui,Yiyuan Gou,Chunlong Zhang,Shulin Zhuang,Guibin Jiang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (24): 17880-17889 被引量:56
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c06155
摘要

Persistent, mobile, and toxic (PMT) substances and very persistent and very mobile (vPvM) substances can transport over long distances from various sources, increasing the public health risk. A rapid and high-throughput screening of PMT/vPvM substances is thus warranted to the risk prevention and mitigation measures. Herein, we construct a machine learning-based screening system integrated with five models for high-throughput classification of PMT/vPvM substances. The models are constructed with 44 971 substances by conventional learning, deep learning, and ensemble learning algorithms, among which, LightGBM and XGBoost outperform other algorithms with metrics exceeding 0.900. Good model interpretability is achieved through the number of free halogen atoms (fr_halogen) and the logarithm of partition coefficient (MolLogP) as the two most critical molecular descriptors representing the persistence and mobility of substances, respectively. Our screening system exhibits a great generalization capability with area under the receiver operating characteristic curve (AUROC) above 0.951 and is successfully applied to the persistent organic pollutants (POPs), prioritized PMT/vPvM substances, and pesticides. The screening system constructed in this study can serve as an efficient and reliable tool for high-throughput risk assessment and the prioritization of managing emerging contaminants.
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