KI-gesteuerter Ansatz deckt verborgene Gefahren von Chemikaliengemischen in Flüssen auf
Studie betritt Neuland
künstliche Intelligenz kann entscheidende Erkenntnisse darüber liefern, wie sich komplexe Mischungen von Chemikalien in Flüssen auf das Leben im Wasser auswirken - und so den Weg für einen besseren Umweltschutz ebnen.
Ein neuer Ansatz, der von Forschern der Universität Birmingham entwickelt wurde, zeigt, wie fortschrittliche Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) dabei helfen können, potenziell schädliche chemische Substanzen in Flüssen zu identifizieren, indem ihre Auswirkungen auf winzige Wasserflöhe (Daphnien) überwacht werden.
Das Team arbeitete mit Wissenschaftlern des Research Centre for Eco-Environmental Sciences (RCEES) in China und des Hemholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) in Deutschland zusammen, um Wasserproben aus dem Chaobai-Fluss-System in der Nähe von Peking zu analysieren. In dieses Flusssystem gelangen chemische Schadstoffe aus verschiedenen Quellen, unter anderem aus Landwirtschaft, Haushalten und Industrie.
Professor John Colbourne ist Direktor des Zentrums für Umweltforschung und -recht der Universität Birmingham und einer der Hauptautoren der Studie. Er äußerte sich optimistisch, dass diese Technologie aufbauend auf den ersten Erkenntnissen eines Tages zur routinemäßigen Überwachung von Wasser auf toxische Substanzen eingesetzt werden kann, die sonst unentdeckt bleiben würden.
Er sagte: "Es gibt eine Vielzahl von Chemikalien in der Umwelt. Die Sicherheit des Wassers kann nicht für jede einzelne Substanz bewertet werden. Jetzt haben wir die Möglichkeit, die Gesamtheit der Chemikalien in Wasserproben aus der Umwelt zu überwachen, um herauszufinden, welche unbekannten Stoffe zusammenwirken, um die Toxizität für Tiere, einschließlich Menschen, zu erzeugen.
Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht wurden, zeigen, dass bestimmte Mischungen von Chemikalien zusammenwirken können, um wichtige biologische Prozesse in Wasserorganismen zu beeinträchtigen, die anhand ihrer Gene gemessen werden. Die Kombinationen dieser Chemikalien schaffen Umweltgefahren, die potenziell größer sind, als wenn die Chemikalien einzeln vorhanden sind.
Das Forscherteam verwendete Wasserflöhe (Daphnien) als Testorganismen in der Studie, da diese winzigen Krebse sehr empfindlich auf Veränderungen der Wasserqualität reagieren und viele Gene mit anderen Arten teilen, was sie zu hervorragenden Indikatoren für potenzielle Umweltgefahren macht.
"Unser innovativer Ansatz nutzt Daphnien als Sentinel-Spezies, um potenzielle toxische Substanzen in der Umwelt aufzudecken", erklärt Dr. Xiaojing Li von der University of Birmingham (UoB) und Hauptautorin der Studie. "Durch den Einsatz von KI-Methoden können wir feststellen, welche Untergruppen von Chemikalien für Wasserlebewesen besonders schädlich sein könnten, selbst bei niedrigen Konzentrationen, die normalerweise keinen Anlass zur Sorge geben würden".
Dr. Jiarui Zhou, ebenfalls von der Universität Birmingham und Co-Erstautor der Studie, der die Entwicklung der KI-Algorithmen leitete, sagte: "Unser Ansatz zeigt, wie fortschrittliche Berechnungsmethoden zur Lösung dringender Umweltprobleme beitragen können. Indem wir große Mengen biologischer und chemischer Daten gleichzeitig analysieren, können wir Umweltrisiken besser verstehen und vorhersagen.
Professor Luisa Orsini, eine weitere Hauptautorin der Studie, fügte hinzu: "Die wichtigste Innovation der Studie liegt in unserem datengesteuerten, unvoreingenommenen Ansatz zur Aufdeckung, wie umweltrelevante Konzentrationen chemischer Gemische Schaden anrichten können. Dies stellt die konventionelle Ökotoxikologie in Frage und ebnet den Weg für die Einführung der Sentinel-Spezies Daphnia in die Gesetzgebung, zusammen mit neuen Methoden".
Dr. Timothy Williams von der Universität Birmingham und Mitverfasser der Studie merkte außerdem an: "Üblicherweise werden in Studien zur aquatischen Toxikologie entweder hohe Konzentrationen einer einzelnen Chemikalie verwendet, um detaillierte biologische Reaktionen zu bestimmen, oder es werden nur apikale Effekte wie Mortalität und veränderte Reproduktion nach der Exposition gegenüber einer Umweltprobe ermittelt. Mit dieser Studie betreten wir jedoch Neuland, denn sie ermöglicht es uns, Schlüsselklassen von Chemikalien zu identifizieren, die lebende Organismen in einem echten Umweltgemisch in relativ geringer Konzentration beeinträchtigen, und gleichzeitig die ausgelösten biomolekularen Veränderungen zu charakterisieren".
Die Ergebnisse könnten zur Verbesserung des Umweltschutzes beitragen, indem sie:
- Identifizierung bisher unbekannter chemischer Kombinationen, die eine Gefahr für das Leben im Wasser darstellen
- Ermöglichung einer umfassenderen Umweltüberwachung
- Unterstützung besser informierter Vorschriften für die Einleitung von Chemikalien in Wasserstraßen
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