Quantification of the antagonistic and synergistic effects of Pb2+, Cu2+, and Zn2+ bioaccumulation by living Bacillus subtilis biomass using XGBoost and SHAP

生物累积 枯草芽孢杆菌 化学 选择性 水溶液中的金属离子 水溶液 环境化学 金属 生物 生物化学 物理化学 有机化学 催化作用 遗传学 细菌
作者
Sheng Wang,Ying Zhou,Xinxin You,Bing Wang,Linna Du
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier]
卷期号:446: 130635-130635 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.130635
摘要

Bioaccumulation and adsorption are efficient methods for removing heavy metal ions (HMIs) from aqueous environments. However, methods to quantifiably characterize the removal selectivity for co-existing HMIs are limited. In this study, we applied Shapley additive explanations (SHAP) following extreme gradient boosting (XGBoost) modeling, to generate SHAP values. We used these values to create an affinity interference index (AII) that quantitatively represented the interference between metal ions in a multi-metal bioaccumulation system. The selectivity for simultaneous bioaccumulation of Pb2+, Cu2+, and Zn2+ by living Bacillus subtilis biomass was then characterized as a proof of concept. The AII indicated that the bioaccumulation of Zn2+ was more strongly inhibited by Pb2+/Cu2+ (AII = 1) than that of Pb2+/Cu2+ by Zn2+. Moreover, the presence of Zn2+ promoted the bioaccumulation of Pb2+ (AII = 0.39), which was confirmed in further experiments where the bioaccumulation of Pb2+ (300 μM) was increased by 38% with Zn2+ (300 μM). This study demonstrated that the combination of XGBoost and SHAP is effective in the quantifiable characterization of the antagonistic and synergistic effects in a multi-metal simultaneous bioaccumulation system. This method could also be generalized to similar tasks for analyzing the selectivity effects in a multi-component system.
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