Ученые Новгородского государственного университета и Института океанологии РАН создали крупнейшую в мире открытую базу инфракрасных спектров микропластика из вод Восточной Арктики. В этой базе собраны данные о 2010 микрочастицах размером от 0,5 до 5 миллиметров, среди которых преобладают полиэтилен, полипропилен и полистирол – самые распространенные синтетические полимеры. Образцы были собраны в Белом, Баренцевом, Карском, Восточно-Сибирском морях и море Лаптевых.
В отличие от большинства существующих баз данных, в этой собраны спектры не чистых лабораторных образцов, а реального микропластика, который подвергся воздействию окружающей среды. Нейросети могут использовать эти данные для определения типа микропластика с точностью более 96% без дополнительной химической обработки. Это позволит ускорить идентификацию частиц и проводить ее непосредственно во время экспедиций.
Микропластик – это микроскопические частицы обычного пластика, которые способны длительное время сохраняться в окружающей среде. Они попадают в воду из‑за разложения пластикового мусора, износа автомобильных шин, стирки синтетических тканей, разрушения рыболовных сетей и других источников. Одной из ключевых задач ученых является мониторинг и оценка количества микропластика в различных средах. Полимеры с разной плотностью ведут себя в воде по-разному: например, полиэтилен плавает, а другие виды могут опускаться на дно и оставаться там на длительное время.
Ранее исследователи сталкивались с двумя основными проблемами.
Во-первых, многие литературные источники содержат данные об «идеальных» гранулах чистого пластика. Однако пластик в море стареет, покрывается бактериями, обрастает «биокороной», трескается под воздействием солнца и изменяет свои свойства. Поэтому обнаруженные в море микрочастицы сначала необходимо идентифицировать, чтобы понять, являются ли они кусочками пластика или чем‑то другим. Для определения химического состава частицы ученые анализируют ее инфракрасный спектр, который уникален для каждого типа пластика, как отпечаток пальца у человека. Спектр частицы, подвергшейся воздействию воды, света и воздуха, всегда отличается от спектра «чистого» заводского образца. Поэтому для базы данных крайне важны образцы микропластика, собранные в реальных условиях окружающей среды.
Во-вторых, на сегодняшний день существует относительно небольшое количество баз данных инфракрасных спектров микропластика, и большинство из них значительно меньше по объему. Для ускорения процесса идентификации микропластика необходимо обучать нейросетевые модели, качество работы которых значительно улучшается при увеличении размера обучающих данных. Кроме того, модели, обученные на базах данных из одного климатического региона, не всегда эффективно работают в других климатических условиях. Разработанная база данных MICROSCAN является не только самой большой в мире, но и первой, содержащей спектры микропластика из Арктического региона.
«База включает инфракрасные спектры 2010 реальных микрочастиц размером от 0,5 до 5 миллиметров, – сообщил заведующий лабораторией моделирования полимеров Центра исследования проблем микропластики НовГУ Сергей Люлин. – На данный момент в базе содержатся спектральные данные микрочастиц полиэтилена (PE), полипропилена (PP) и полистирола (PS) – наиболее распространенных синтетических полимеров».
Для создания базы использовались микропластиковые частицы, обнаруженные в поверхностных водах Белого, Баренцева, Карского, Восточно-Сибирского морей и моря Лаптевых в период с 2020 по 2021 год. Каждая найденная частица анализировалась с помощью инфракрасной спектроскопии (FTIR) без дополнительной химической очистки. Результаты идентификации проверялись тремя различными методами: спектральное сопоставление, где спектры частицы сравнивались с эталонными спектрами, имеющимися в приборе; использование искусственного интеллекта, в частности, одной из лучших в мире моделей глубокого машинного обучения (сверхточной нейросети CNN1D), способной распознавать один из 120 типов полимерных материалов с точностью 96‑97%; а также экспертный контроль, при котором опытные химики вручную перепроверяли спорные спектры.
Источник: наука.рф
распечатать статью
