Comparaison de modèles d'apprentissage pour prédire les concentrations de LDPE, PET et ABS dans les sédiments de plage sur la base de la réflectance spectrale

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6258 (2023) Citer cet article

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On estime que la contamination par les microplastiques (MP) sur terre est 32 fois plus élevée que dans les océans, et pourtant il existe un manque flagrant de recherche sur les MP du sol par rapport aux MP marins. Les plages sont des ponts entre la terre et l’océan et présentent des sites de pollution microplastique tout aussi peu étudiés. Le visible proche infrarouge (vis-NIR) a été appliqué avec succès pour la mesure de la réflectance et la prédiction des concentrations de polyéthylène basse densité (LDPE), de polyéthylène téréphtalate (PET) et de chlorure de polyvinyle (PVC) dans le sol. La rapidité et la précision associées à cette méthode rendent le vis-NIR prometteur. La présente étude explore les approches de régression PCA et d’apprentissage automatique pour développer des modèles d’apprentissage. Tout d’abord, à l’aide d’un spectroradiomètre, les données de réflectance spectrale ont été mesurées à partir de sédiments de plage traités enrichis de pastilles microplastiques vierges [LDPE, PET et acrylonitrile butadiène styrène (ABS)]. À l’aide des données spectrales enregistrées, des modèles prédictifs ont été développés pour chaque microplastique en utilisant les deux approches. Les deux approches ont généré des modèles de bonne précision avec des valeurs R2 supérieures à 0,7, des valeurs d'erreur quadratique moyenne (RMSE) inférieures à 3 et une erreur absolue moyenne (MAE) < 2,2. Par conséquent, en utilisant la méthode de cette étude, il est possible de développer rapidement des modèles prédictifs précis sans avoir besoin d’une préparation complète des échantillons, en utilisant l’option peu coûteuse ASD HandHeld 2 VNIR Spectroradiometer.

Les plastiques sont populaires en raison de leur durabilité, de leurs propriétés malléables et de leur fabrication à faible coût1. Cependant, leur utilisation excessive et leurs méthodes d’élimination inappropriées ont conduit à une grave pollution plastique dans l’environnement2,3,4. Les plastiques qui finissent dans l'environnement peuvent ensuite, en raison de facteurs environnementaux chimiques, physiques ou biologiques, se décomposer en fragments plus petits appelés microplastiques (MP). Plusieurs études ont fait état d'un grand nombre de MP dans le milieu marin5,6,7. Les PM peuvent servir de moyen de transport pour des produits chimiques toxiques, ainsi que d’habitat pour des micro-organismes nuisibles8. Ils ont un impact et menacent la composition microbienne, la santé des écosystèmes et les chaînes alimentaires9,10.

Cependant, la plupart des déchets plastiques présents dans le milieu marin proviennent de l’utilisation de plastiques à l’intérieur des terres11. Par conséquent, la contamination par les microplastiques sur terre est estimée 32 fois plus élevée que dans les océans12. Les sources de contamination plastique dans l’environnement du sol comprennent les boues d’épuration qui contiennent des microplastiques primaires (microbilles), des engrais et des produits de soins personnels12,13. D'autres sources comprennent les décharges et l'irrigation des eaux usées14,15. De plus, une grande quantité de polyéthylène basse densité (LDPE) est utilisée pour l’agriculture et pour les applications de paillage16. Il est important de noter que ces MP entrent en contact avec les surfaces du sol provenant de ces sources, puis s'infiltrent dans les sous-sols, pénétrant ainsi dans l'environnement du sol6. Au fil du temps, ils se dégradent en morceaux plus petits et s’infiltrent dans les eaux souterraines qui sont utilisées pour la boisson17. Les additifs contenus dans les plastiques peuvent s’échapper, ce qui peut être nocif pour le biote du sol7. De plus, en raison de la surface hydrophobe des plastiques, ils absorbent d'autres substances toxiques telles que les pesticides organochlorés, les métaux et les biphényles polychlorés (PCB)3. Enfin, outre l’absorption de substances toxiques, les surfaces des MP du sol peuvent abriter des agents pathogènes microbiens contenant des gènes de résistance aux antibiotiques, ce qui peut accroître la propagation de maladies microbiennes résistantes aux antibiotiques18.

Bien que la plupart des MP soient potentiellement trouvés dans les sols, il existe encore un manque flagrant de recherche sur les MP du sol par rapport aux MP marins18. Il existe encore moins de recherches sur la surveillance des MP du sol19. La nécessité de développer des méthodes standardisées de quantification des MP dans le sol est bien reconnue19,20,21. La grande majorité des études ont utilisé la spectroscopie Raman, l'infrarouge transformé de Fourier (FTIR) et la pyrolyse-chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (Pyr-GC-MS) pour quantifier les MP18,22. Toutes ces méthodes prennent du temps car les échantillons doivent passer par une séparation par densité pour séparer les MP23.