Прогноз концентрации никеля в пригородах

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 3004 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1915 г.

5 цитат

Подробности о метриках

Загрязнение почвы является большой проблемой, вызванной антропогенной деятельностью. Пространственное распределение потенциально токсичных элементов (ПТЭ) варьируется в большинстве городских и пригородных территорий. В результате пространственное прогнозирование содержания ПТЭ в такой почве затруднено. Всего от компании Frydek Mistek в Чехии было получено 115 образцов. Концентрации кальция (Ca), магния (Mg), калия (K) и никеля (Ni) определяли с помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой. Переменной ответа был Ni, а предикторами — Ca, Mg и K. Корреляционная матрица между переменной ответа и предикторами показала удовлетворительную корреляцию между элементами. Результаты прогнозирования показали, что машинная регрессия опорных векторов (SVMR) показала хорошие результаты, хотя ее расчетная среднеквадратическая ошибка (RMSE) (235,974 мг/кг) и средняя абсолютная ошибка (MAE) (166,946 мг/кг) были выше по сравнению с применяются другие методы. Гибридизированная модель эмпирического байесовского кригинга-множественной линейной регрессии (EBK-MLR) показала плохие результаты, о чем свидетельствует значение коэффициента детерминации менее 0,1. Модель эмпирической машинной регрессии байесовского кригинга-опорного вектора (EBK-SVMR) была оптимальной моделью с низкими значениями RMSE (95,479 мг/кг) и MAE (77,368 мг/кг) и высоким коэффициентом детерминации (R2 = 0,637). Результаты метода моделирования EBK-SVMR были визуализированы с использованием самоорганизующейся карты. Сгруппированные нейроны компонентной плоскости гибридизированной модели CakMg-EBK-SVMR показали разнообразную цветовую картину, предсказывающую концентрацию Ni в городской и пригородной почве. Результаты доказали, что сочетание EBK и SVMR является эффективным методом прогнозирования концентрации Ni в городской и пригородной почве.

Никель (Ni) считается микроэлементом для растений из-за его вклада в фиксацию атмосферного азота (N) и метаболизм мочевины, которые необходимы для прорастания семян1. Помимо вклада в прорастание семян, Ni также действует как ингибитор грибков и бактерий и способствует развитию растений. Недостаток Ni в почве, необходимый для усвоения растениями, приводит к появлению на листьях симптомов хлороза. Например, вигна и зеленая фасоль требуют применения удобрений на основе никеля для оптимизации фиксации азота2. Постоянное внесение удобрений на основе никеля для обогащения почвы и повышения способности бобовых растений фиксировать азот в почве последовательно увеличивает концентрацию никеля в почве. Несмотря на то, что Ni служит микроэлементом для растений, его избыток в почве приносит больше вреда, чем пользы. Токсичность Ni в почве снижает уровень pH в почве и препятствует усвоению железа как важного питательного вещества для роста растений1. По словам Лю3, Ni был обнаружен как 17-й важный элемент, необходимый для развития и роста растений. Помимо того, что Ni играет роль в развитии и росте растений, он также нужен людям для различных целей. Использование никеля в различных отраслях промышленности необходимо для гальванотехники, производства сплавов на основе никеля, изготовления устройств зажигания и свечей зажигания для автомобильной промышленности4. Кроме того, сплавы на основе никеля и изделия с гальваническим покрытием широко используются в кухонных изделиях, приспособлениях для бальных залов, в товарах пищевой промышленности, электротехнике, проводах и кабелях, турбинах для реактивных самолетов, хирургических имплантатах, текстиле и строительстве кораблей5. Уровни обогащения Ni в почве (т.е. на поверхности почвы) относят к антропогенным и природным источникам, но Ni в первую очередь имеет природное, а не антропогенное происхождение4,6. Природные источники никеля включают извержения вулканов, растительность, лесные пожары и геологические процессы; однако антропогенные источники включают никель-кадмиевые аккумуляторы сталелитейной промышленности, гальванотехнику, дуговую сварку, дизельное топливо и мазут, а также накопление никеля в атмосфере в результате сжигания угля и сжигания отходов и шлама7,8. По данным Фридмана и Хатчинсона9 и Маньивы и др.10, основным источником загрязнения верхнего слоя почвы в непосредственной близости и прилегающей окружающей среде в основном являются металлургические заводы и рудники, производящие никелевую медь. Верхний слой почвы вокруг никель-медного нефтеперерабатывающего завода в Садбери, Канада, имел самый высокий уровень загрязнения никелем – до 26 000 мг/кг11. Напротив, загрязнение от производства никеля в России привело к повышению концентрации Ni в норвежских почвах11. По данным Алмса и др.12, количество никеля, экстрагируемого HNO3, на наиболее возделываемых полях в этом районе (производство никеля в России) колебалось от 6,25 до 136,88 мг/кг с соответствующим средним значением 30,43 мг/кг и базовой концентрацией 25 мг/кг. По данным Кабата11, внесение фосфатных удобрений в сельскохозяйственные почвы в городских или пригородных районах в течение последовательных сельскохозяйственных сезонов приводит к загрязнению почвы. Потенциальное воздействие никеля на человека потенциально может вызвать рак посредством мутагенеза, хромосомного повреждения, создания Z-ДНК, препятствия эксцизионной репарации ДНК или эпигенетических процессов13. В экспериментах на животных было обнаружено, что никель может вызывать различные опухоли, которые могут усугубляться канцерогенными комплексами никеля14.