Prediction of Plant Uptake and Translocation of Engineered Metallic Nanoparticles by Machine Learning

纳米颗粒 化学 植物根系 有机质 天然有机质 计算机科学 生物系统 环境化学 土壤科学 人工神经网络 环境科学 植物 机器学习 化学工程 工程类 生物 有机化学
作者
Xiaoxuan Wang,Liwei Liu,Weilan Zhang,Xingmao Ma
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (11): 7491-7500 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c01603
摘要

Machine learning was applied to predict the plant uptake and transport of engineered nanoparticles (ENPs). A back propagation neural network (BPNN) was used to predict the root concentration factor (RCF) and translocation factor (TF) of ENPs from their essential physicochemical properties (e.g., composition and size) and key external factors (e.g., exposure time and plant species). The relative importance of input variables was determined by sensitivity analysis, and gene-expression programming (GEP) was used to generate predictive equations. The BPNN model satisfactorily predicted the RCF and TF in both hydroponic and soil systems, with an R2 higher than 0.8 for all simulations. Inclusion of the initial ENP concentration as an input variable further improved the accuracy of the BPNN for soil systems. Sensitivity analysis indicated that the composition of ENPs (e.g., metals vs metal oxides) is a major factor affecting RCF and TF values in a hydroponic system. However, the soil organic matter and clay contents are more dominant in a soil system. The GEP model (R2 = 0.8088 and 0.8959 for RCF and TF values) generated more accurate predictive equations than the conventional regression model (R2 = 0.5549 and 0.6664 for RCF and TF values) in a hydroponic system, which could guide the sustainable design of ENPs for agricultural applications.

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