Contribution of molecular structures and quantum chemistry technique to root concentration factor: An innovative application of interpretable machine learning

化学 亲脂性 分子描述符 生物系统 环境化学 数量结构-活动关系 分配系数 土壤科学 环境科学 有机化学 立体化学 生物
作者
Tengyi Zhu,Yu Zhang,Yi Li,Tianyun Tao,Cuicui Tao
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier]
卷期号:459: 132320-132320 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2023.132320
摘要

Root concentration factor (RCF) is a significant parameter to characterize uptake and accumulation of hazardous organic contaminants (HOCs) by plant roots. However, complex interactions among chemicals, plant roots and soil make it challenging to identify underlying mechanisms of uptake and accumulation of HOCs. Here, nine machine learning techniques were applied to investigate major factors controlling RCF based on variable combinations of molecular descriptors (MD), MACCS fingerprints, quantum chemistry descriptors (QCD) and three physicochemical properties related to chemical-soil-plant system. Compared to models with variables including MACCS fingerprints or solitary physicochemical properties, the XGBoost-6 model developed by the variable combination of MD, QCD and three physicochemical properties achieved the most remarkable performance, with R2 of 0.977. Model interpretation achieved by permutation variable importance and partial dependence plots revealed the vital importance of HOCs lipophilicity, lipid content of plant roots, soil organic matter content, the overall deformability and the molecular dispersive ability of HOCs for regulating RCF. The integration of MD and QCD with physicochemical properties could improve our knowledge of underlying mechanisms regarding HOCs accumulation in plant roots from innovative structural perspectives. Multiple variables combination-oriented performance improvement of model can be extended to other parameters prediction in environmental risk assessment field.
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