스펙트럼 반사율을 기반으로 해변 퇴적물의 LDPE, PET 및 ABS 농도를 예측하는 학습 모델 비교

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6258(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

육지의 미세플라스틱(MP) 오염은 해양보다 32배 더 높은 것으로 추정되지만, 해양 MP에 비해 토양 MP에 대한 연구는 뚜렷하게 부족합니다. 해변은 육지와 바다를 잇는 다리 역할을 하며 미세플라스틱 오염이 잘 알려지지 않은 곳이기도 합니다. 가시광선 근적외선(vis-NIR)은 반사율 측정과 토양의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC) 농도 예측에 성공적으로 적용되었습니다. 이 방법과 관련된 신속성과 정밀도는 vis-NIR을 유망하게 만듭니다. 본 연구에서는 학습 모델 개발을 위한 PCA 회귀 및 기계 학습 접근 방식을 탐구합니다. 먼저, 분광방사계를 사용하여 순수 미세플라스틱 펠릿[LDPE, PET 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)]을 ​​첨가한 처리된 해변 퇴적물에서 스펙트럼 반사율 데이터를 측정했습니다. 기록된 스펙트럼 데이터를 사용하여 두 가지 접근 방식을 사용하여 각 미세 플라스틱에 대한 예측 모델을 개발했습니다. 두 접근 방식 모두 R2 값이 0.7보다 크고, RMSE(제곱 평균 오차 제곱근) 값이 3보다 작고, MAE(평균 절대 오차)가 2.2 미만인 우수한 정확도의 모델을 생성했습니다. 따라서 본 연구의 방법을 사용하면 저가형 옵션인 ASD HandHeld 2 VNIR Spectroradiometer를 사용하여 포괄적인 시료 준비 없이 정확한 예측 모델을 신속하게 개발할 수 있습니다.

플라스틱은 내구성, 가단성 및 저렴한 제조 비용으로 인해 인기가 높습니다1. 그러나 과도한 사용과 부적절한 폐기 방법으로 인해 환경에 심각한 플라스틱 오염이 발생했습니다2,3,4. 환경에 유입되는 플라스틱은 화학적, 물리적 또는 생물학적 환경 요인을 통해 미세플라스틱(MP)이라는 작은 조각으로 분해될 수 있습니다. 몇몇 연구에서는 해양 환경5,6,7에서 많은 수의 MP가 보고되었습니다. MP는 유해한 미생물의 서식지일 뿐만 아니라 독성 화학물질의 수송 역할도 할 수 있습니다8. 그들은 미생물 구성, 생태계 건강 및 먹이 사슬에 영향을 미치고 위협합니다9,10.

그러나 해양 환경에 존재하는 플라스틱 폐기물의 대부분은 내륙에서 사용된 플라스틱에서 비롯됩니다11. 결과적으로 육지의 미세플라스틱 오염은 바다보다 32배 더 높은 것으로 추정됩니다12. 토양 환경의 플라스틱 오염원에는 1차 미세플라스틱(마이크로비드), 비료 및 개인 위생용품을 포함하는 하수 슬러지가 포함됩니다12,13. 다른 출처로는 매립지와 폐수 관개 등이 있습니다14,15. 또한, 막대한 양의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)이 농업 및 멀칭 용도로 사용됩니다16. 중요한 것은 이러한 MP가 이러한 소스의 토양 표면과 접촉한 다음 하층토로 스며들어 토양 환경에 유입된다는 것입니다6. 시간이 지남에 따라 더 작은 조각으로 분해되어 식수로 사용되는 지하수로 누출됩니다17. 플라스틱의 첨가제가 침출되어 토양 생물군에 해로울 수 있습니다7. 또한 플라스틱의 소수성 표면으로 인해 유기염소 살충제, 금속, 폴리염화비페닐(PCB)3과 같은 기타 독성 물질을 흡수합니다. 마지막으로, 독성 물질을 흡수하는 것 외에도 토양 MP 표면에는 항생제 내성 유전자를 포함하는 미생물 병원체가 있을 수 있으며, 이는 항생제 내성 미생물 질병의 확산을 증가시킬 수 있습니다.

대부분의 MP가 잠재적으로 토양에서 발견됨에도 불구하고 해양 MP에 비해 토양 MP에 대한 연구가 여전히 부족합니다18. 토양 MP 모니터링에 대한 연구는 훨씬 적습니다19. 토양의 MP를 정량화하는 표준화된 방법을 개발할 필요성은 잘 알려져 있습니다19,20,21. 대다수의 연구에서는 MP를 정량화하기 위해 라만 분광법, FTIR(푸리에 변환 적외선) 및 열분해 가스 크로마토그래피 질량 분석법(Pyr-GC-MS)을 사용했습니다. MPs23을 분리하기 위해 샘플이 밀도 분리를 거쳐야 하므로 이러한 모든 방법은 시간이 많이 걸립니다.