Confronto di modelli di apprendimento per prevedere le concentrazioni di LDPE, PET e ABS nei sedimenti della spiaggia in base alla riflettanza spettrale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6258 (2023) Citare questo articolo

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Si stima che la contaminazione da microplastiche (MP) sulla terra sia 32 volte superiore a quella degli oceani, eppure vi è una netta mancanza di ricerca sulle MP del suolo rispetto a quelle marine. Le spiagge sono ponti tra terra e oceano e presentano siti di inquinamento da microplastica altrettanto poco studiati. Il visibile nel vicino infrarosso (vis-NIR) è stato applicato con successo per la misurazione della riflettanza e la previsione delle concentrazioni di polietilene a bassa densità (LDPE), polietilene tereftalato (PET) e polivinilcloruro (PVC) nel suolo. La rapidità e la precisione associate a questo metodo rendono il vis-NIR promettente. Il presente studio esplora la regressione PCA e gli approcci di apprendimento automatico per lo sviluppo di modelli di apprendimento. Innanzitutto, utilizzando uno spettroradiometro, i dati di riflettanza spettrale sono stati misurati dal sedimento spiaggia trattato addizionato con pellet di microplastica vergine [LDPE, PET e acrilonitrile butadiene stirene (ABS)]. Utilizzando i dati spettrali registrati, sono stati sviluppati modelli predittivi per ciascuna microplastica utilizzando entrambi gli approcci. Entrambi gli approcci hanno generato modelli di buona precisione con valori R2 superiori a 0,7, valori di errore quadratico medio (RMSE) inferiori a 3 e errore assoluto medio (MAE) <2,2. Pertanto, utilizzando il metodo di questo studio, è possibile sviluppare rapidamente modelli predittivi accurati senza la necessità di una preparazione completa del campione, utilizzando l'opzione a basso costo ASD HandHeld 2 VNIR Spectroradiometer.

Le materie plastiche sono apprezzate per la loro durabilità, le proprietà malleabili e la produzione a basso costo1. Tuttavia, il loro utilizzo eccessivo e i metodi di smaltimento inadeguati hanno portato a un grave inquinamento da plastica nell’ambiente2,3,4. La plastica che finisce nell’ambiente può poi, attraverso fattori ambientali chimici, fisici o biologici, scomporsi in frammenti più piccoli noti come microplastiche (MP). Diversi studi hanno riportato un gran numero di MP nell'ambiente marino5,6,7. Le MP possono fungere da trasporto per sostanze chimiche tossiche, nonché da habitat per microrganismi dannosi8. Hanno un impatto e una minaccia sulla composizione microbica, sulla salute dell’ecosistema e sulle catene alimentari9,10.

Tuttavia, la maggior parte dei rifiuti di plastica nell’ambiente marino proviene dall’utilizzo della plastica nell’entroterra11. Di conseguenza, si stima che la contaminazione da microplastica sulla terra sia 32 volte superiore a quella degli oceani12. Le fonti di contaminazione da plastica nell’ambiente del suolo includono i fanghi di depurazione che contengono microplastica primaria (microsfere), fertilizzanti e prodotti per la cura personale12,13. Altre fonti includono le discariche e l'irrigazione delle acque reflue14,15. Inoltre, una grande quantità di polietilene a bassa densità (LDPE) viene utilizzata per l’agricoltura e per l’applicazione di pacciamatura16. È importante sottolineare che queste MP entrano in contatto con le superfici del suolo da queste fonti e poi penetrano nel sottosuolo, entrando così nell'ambiente del suolo6. Col tempo si degradano in pezzi più piccoli e si riversano nelle acque sotterranee utilizzate per bere17. Gli additivi presenti nella plastica possono fuoriuscire, il che può essere dannoso per il biota del suolo7. Inoltre, a causa della superficie idrofobica della plastica, assorbono altre sostanze tossiche come pesticidi organoclorurati, metalli e policlorobifenili (PCB)3. Infine, oltre ad assorbire sostanze tossiche, le superfici delle MP del suolo possono ospitare agenti patogeni microbici contenenti geni di resistenza agli antibiotici, che possono aumentare la diffusione di malattie microbiche resistenti agli antibiotici18.

Nonostante la maggior parte delle MP siano potenzialmente presenti nel suolo, vi è ancora una netta mancanza di ricerca sulle MP del suolo rispetto a quelle marine18. C’è ancora meno ricerca sul monitoraggio delle MP del suolo19. La necessità di sviluppare metodi standardizzati per quantificare gli MP nel suolo è ben riconosciuta19,20,21. La stragrande maggioranza degli studi ha utilizzato la spettroscopia Raman, l'infrarosso trasformato di Fourier (FTIR) e la pirolisi-gascromatografia-spettrometria di massa (Pyr-GC-MS) per quantificare gli MP18,22. Tutti questi metodi richiedono molto tempo poiché i campioni devono passare attraverso la separazione della densità per separare gli MP23.