机器学习在环境分析检测中的应用研究进展

刘思思; 张波; 李星颖; 辛蕾; 应光国; 陈长二

doi:10.12452/j.fxcsxb.24052775

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

机器学习在环境分析检测中的应用研究进展

综述 | 更新时间：2024-08-08

- 机器学习在环境分析检测中的应用研究进展
- Recent Advances in the Application of Machine Learning in Environmental Analysis and Detection
- 分析测试学报 2024年43卷第8期页码：1105-1116
- 作者机构：
  
  1.华南师范大学　环境学院/环境研究院，广东广州　510006
  2.浙江海拓环境技术有限公司，浙江杭州　310000
- 作者简介：
  
  陈长二，博士，教授，研究方向：有机污染生态化学，E-mail：changer.chen@m.scnu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2022YFC3902102);国家自然科学基金资助项目(42377214;42277457)
- DOI：10.12452/j.fxcsxb.24052775
  中图分类号： TP181;X132
- 纸质出版日期：2024-08-15，
  
  收稿日期：2024-05-27，
  
  修回日期：2024-06-30，
- 稿件说明：
移动端阅览
刘思思,张波,李星颖,辛蕾,应光国,陈长二.机器学习在环境分析检测中的应用研究进展[J].分析测试学报,2024,43(08):1105-1116.

LIU Si-si,ZHANG Bo,LI Xing-ying,XIN Lei,YING Guang-guo,CHEN Chang-er.Recent Advances in the Application of Machine Learning in Environmental Analysis and Detection[J].Journal of Instrumental Analysis,2024,43(08):1105-1116.
刘思思,张波,李星颖,辛蕾,应光国,陈长二.机器学习在环境分析检测中的应用研究进展[J].分析测试学报,2024,43(08):1105-1116. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.24052775.

LIU Si-si,ZHANG Bo,LI Xing-ying,XIN Lei,YING Guang-guo,CHEN Chang-er.Recent Advances in the Application of Machine Learning in Environmental Analysis and Detection[J].Journal of Instrumental Analysis,2024,43(08):1105-1116. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.24052775.

摘要

随着环境数据的迅速增加，机器学习已成为环境分析检测研究领域的重要工具。为推动该领域的持续创新，该综述简要介绍了机器学习的基本概念、常见算法和软件平台，并通过全面的文献分析，重点总结了利用机器学习技术开展环境分析检测研究的最新进展。基于机器学习方法的环境分析检测研究目前主要集中在常规环境质量指标检测、环境（非）靶向检测分析、微（纳）塑料分类识别、污染物的环境行为及溯源研究等五个方面。进一步指出目前机器学习在样品采集和前处理部分研究领域、新技术整合、多模态数据融合、模型可解释性和可信度等方面存在不足。最后，提出了机器学习方法在未来环境分析检测中可能的应用方向，进一步推动和扩展机器学习在该领域的应用。该综述可为环境分析检测及其交叉领域的相关研究者和管理决策者提供指导和建议。

Abstract

With the rapid increase in environmental data，machine learning has become an essential tool for environmental analysis and detection. The main goal of this review is to foster the continuous innovation of this field. In this review，the basic concepts of machine learning，common algorithms and software platforms are briefly introduced. Through a comprehensive literature analysis，it highlights the latest progress in environmental analysis and detection research that incorporates machine learning technology. Currently，research on environmental analysis and detection based on machine learning methods mainly focuses on five areas：detection of conventional environmental quality indicators，targeted and non-targeted environmental detection analysis，classification and identification of microplastics and nanoplastics，environmental behaviour of pollutants，and source apportionment. Furthermore，the paper identifies several existing deficiencies in the field. These include sample collection and pre-treatment，integration of new technologies，multimodal data fusion，and the interpretability and credibility of models in the current research. Finally，this review proposes potential future applications of machine learning methods in environmental analysis and detection，aiming to further advance and expand the application of machine learning in this field. This review can provide guidance and recommendations for researchers and decision-makers in the field of environmental analysis and detection and its intersecting areas.

关键词

环境分析化学环境检测机器学习新污染物

Keywords

environmental analytical chemistryenvironmental detectionmachine learningemerging pollutants

references

United Nations Environment Programme（UNEP）. Global Chemicals OutlookII. ［2024-06-30］. https://www.unep.org/resources/report/global-chemicals-outlook-ii-legacies-innovative- solutionshttps://www.unep.org/resources/report/global-chemicals-outlook-ii-legacies-innovative-solutions.

Schymanski E L，Zhang J，Thiessen P A，Chirsir P，Kondic T，Bolton E E. Environ. Sci. Technol.，2023，57（44）：16918-16928.

Fan Y，Deng Y，Yang Y，Deng X，Li Q，Xu B，Pan J，Liu S，Kong Y，Chen C E. Environ. Sci.：Adv.，2024，3（2）：198-207.

Gupta S，Aga D，Pruden A，Zhang L，EnvironVikesland P. Sci. Technol.，2021，55（16）：10895-10907.

Sun A Y，Scanlon B R. Environ. Res. Lett.，2019，14（7）：073001.

Zhu J J，Yang M，Ren Z J. Environ. Sci. Technol.，2023，57（46）：17671-17689.

Zhong S，Zhang K，Bagheri M，Burken J G，Gu A，Li B，Ma X，Marrone B L，Ren Z J，Schrier J，Shi W. Environ. Sci. Technol.，2021，55（19）：12741-12754.

LeCun Y，Bengio Y，Hinton G. Deep learning. Nature，2015，521（7553）：436-444.

Xin L，Yu H，Liu S，Ying G G，Chen C E. Sci. Total Environ.，2024，921：171143.

Liu X，Lu D，Zhang A，Liu Q，Jiang G. Environ. Sci. Technol.，2022，56（4）：2124-2133.

Artrith N，Butler K T，Coudert F X，Han S，Isayev O，Jain A，Walsh A. Nat. Chem.，2021，13（6）：505-508.

Todeschini R.，Consonni V. Handbook of Molecular Descriptors. 1st ed. Weinheim，Germany：WILEY‐VCH Verlag GmbH，2000：1-123.

Yap C W. J. Comput. Chem.，2011，32（7）：1466-74.

Mauri A. Ecotoxicological QSARs，alvaDesc：A Tool to Calculate and Analyze Molecular Descriptors and Fingerprints. 1st ed. Germany：Springer Nature，2020：801-820.

RDKit：Open-source cheminformatics. ［2024-06-30］. https：//www.rdkit.orghttps://www.rdkit.org.

Naser M Z. J. Infrastruct. Intell. Resil.，2023，2（1）：100028.

Lei L，Pang R，Han Z，Wu D，Xie B，Su Y. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol.，2023，53（20）：1817-1835.

Liu S，Jin L，Yu H，Lv L，Chen C E，Ying G G. Sci. Total Environ.，2020，706：135691.

Zhu M，Wang J，Yang X，Zhang Y，Zhang L，Ren H，Wu B，Ye L. Eco-Environ. Health，2022，1（2）：107-116.

Hino M，Benami E，Brooks N. Nat. Sustain.，2018，1（10）：583-588.

Méndez M，Merayo M G，Núñez M. Artif. Intell. Rev.，2023，56（9）：10031-10066.

Yang H，Huang K，Zhang K，Weng Q，Zhang H，Wang F. Environ. Sci. Technol.，2021，55（20）：14316-14328.

Mehmood K，Bao Y，Cheng W，Khan M A，Siddique N，Abrar M M，Soban A，Fahad S，Naidu R. J. Cleaner Prod.，2022，379：134656.

Aram S A，Nketiah E A，Saalidong B M，Wang H，Afitiri A R，Akoto A B，Lartey P O. Int. J. Environ. Sci. Technol.，2024，21（2）：1345-1360.

Chen J，Zhu S，Wang P，Zheng Z，Shi S，Li X，Xu C，Yu K，Chen R，Kan H，Zhang H. Sci. Total Environ.，2024，926：171831.

Ma L，Graham D J，Stettler M E. Environ. Sci. Technol.，2023，57（46）：18271-18281.

Zaini N A，Ean L W，Ahmed A N，Malek M A. Environ. Sci. Pollut. Res.，2022，29：4958-4990.

Zhi W，Appling A P，Golden H E，Podgorski J，Li L. Nat. Water，2024，2（3）：228-241.

Xie Y，Chen Y，Wei Q，Yin H. Water Res.，2024，250：121092.

Haggerty R，Sun J，Yu H，Li Y. Water Res.，2023，233：119745.

Chen K，Chen H，Zhou C，Huang Y，Qi X，Shen R，Liu F，Zuo M，Zou X，Wang J，Zhang Y. Water Res.，2020，171：115454.

Granata F，Papirio S，Esposito G，Gargano R，De Marinis G. Water，2017，9（2）：105.

Wu S，Liang Z，Qiu Q. ACS ES&T Water，2023，4（3）：1155-1165.

Fung B S，Chan W H，Lo I M，Tsang D H. ACS ES&T Water，2023，4（3）：982-990.

Marrone B L，Banerjee S，Talapatra A，Gonzalez-Esquer C R，Pilania G. ACS ES&T Water，2023，4（3）：844-858.

Wherry S A，Schenk L. ACS ES&T Water，2024，4（3）：1073-1082.

Arias-Rodriguez L F，Tüzün U F，Duan Z，Huang J，Tuo Y，Disse M. Remote Sens.，2023，15（5）：1390.

Bajomo M M，Ju Y，Zhou J，Elefterescu S，Farr C，Zhao Y，Neumann O，Nordlander P，Patel A，Halas N J. Proc. Natl. Acad. Sci.，2022，119（52）：e2211406119.

Gutiérrez P，Godoy S E，Torres S，Oyarzún P，Sanhueza I，Díaz-García V，Contreras-Trigo B，Coelho P. Sensors，2020，20（16）：4552.

He J R，Wei J W，Chen S Y，Li N，Zhong X D，Li Y Q. Sensors，2022，22（24）：9979.

Gómez J K，Puentes Y A，Niño D D，Acevedo C M. Water，2023，15（4）：624.

Duan Q，Xu Z，Zheng S，Chen J，Feng Y，Run L，Lee J. Anal. Chim. Acta，2021，1143：298-305.

Huang Y，Chen J，Duan Q，Feng Y，Luo R，Wang W，Liu F，Bi S，Lee J. Front. Environ. Sci. Eng.，2022，16：1-2.

Ivleva N P. Chem. Rev.，2021，121（19）：11886-11936.

Xie L，Luo S，Liu Y，Ruan X，Gong K，Ge Q，Li K，Valev V K，Liu G，Zhang L. Environ. Sci. Technol.，2023，57（46）：18203-18214.

Zhang Y，Wang X，Shan J，Zhao J，Zhang W，Liu L，Wu F. Environ. Sci. Technol.，2019，53（9）：5151-5158.

Lee K S，Chen H L，Ng Y S，Maul T，Gibbins C，Ting K N，Amer M，Camara M. Neural Comput. Appl.，2022，34（9）：7283-7297.

Lorenzo-Navarro J，Castrillón-Santana M，Sánchez-Nielsen E，Zarco B，Herrera A，Martínez I，Gómez M. Sci. Total Environ.，2021，765：142728.

Wang J，Dong J，Tang M，Yao J，Li X，Kong D，Zhao K. J. Environ. Manage.，2023，345：118802.

Xu J，Wang Z. Sci. Total Environ.，2024，911：168696.

Xu J，Wang Z. J. Hazard. Mater.，2024，467：133694.

Luo Y，Su W，Xu D，Wang Z，Wu H，Chen B，Wu J. Sci. Total Environ.，2023，895：165138.

Xu J，Wang Z. Sci. Total Environ.，2024，911：168696.

Xu L，Chen Y，Feng A，Shi X，Feng Y，Yang Y，Wang Y，Wu Z，Zou Z，Ma W，He Y. Environ. Res.，2023，232：116389.

Hu L X，Olaitan O J，Li Z，Yang Y Y，Chimezie A，Adepoju-Bello A A，Ying G G，Chen C E. Chemosphere，2021，284：131546.

Ekpe O D，Choo G，Kang J K，Yun S T，Oh J E. Water Res.，2024，252：121130.

Domingo-Almenara X，Guijas C，Billings E，Montenegro-Burke J R，Uritboonthai W，Aisporna A E，Chen E，Benton H P，Siuzdak G. Nat. Commun.，2019，10（1）：5811.

Randazzo G M，Bileck A，Danani A，Vogt B，Groessl M. J. Chromatogr. A，2020，1612：460661.

Bouwmeester R，Martens L，Degroeve S. Anal. Chem.，2019，91（5）：3694-3703.

Matyushin D D，Sholokhova A Y，Buryak A K. J. Chromatogr. A，2019，1607：460395.

Lenski M，Maallem S，Zarcone G，Garçon G，Lo-Guidice J M，Anthérieu S，Allorge D. Metabolites，2023，13（2）：282.

Mu H，Yang Z，Chen L，Gu C，Ren H，Wu B. J. Hazard. Mater.，2024，461：132669.

Hu J，Lyu Y，Chen H，Cai L，Li J，Cao X，Sun W. Water Res.，2023，233：119735.

Jeon J，Kurth D，Ashauer R，Hollender J. Environ. Sci. Technol.，2013，47（15）：8809-8817.

Bieber S，Letzel T，Kruve A. J. Am. Soc. Mass Spectrom.，2023，34（7）：1511-1518.

Liigand J，Wang T，Kellogg J，Smedsgaard J，Cech N，Kruve A. Sci. Rep.，2020，10（1）：5808.

Wang F，Pasin D，Skinnider MA，Liigand J，Kleis JN，Brown D，Oler E，Sajed T，Gautam V，Harrison S，Greiner R. Anal. Chem.，2023，95（50）：18326-18334.

Boiko D A，Kozlov K S，Burykina J V，Ilyushenkova V V，Ananikov V P. J. Am. Chem. Soc.，2022，144（32）：14590-14606.

Domingo-Almenara X，Guijas C，Billings E，Montenegro-Burke J R，Uritboonthai W，Aisporna A E，Chen E，Benton H P，Siuzdak G. Nat. Commun.，2019，10（1）：5811.

Zhou B Q，Yang R C，Li H P，Wang Y J，Zhang C Y，Xiao Z J，He Z Q，Pang W H. Chem. Eng. J.，2023，471：144636.

Zhao H，Lyu Y，Hu J，Li M，Chen H，Jiang Y，Tang M，Wu Y，Sun W. Chem. Eng. J.，2023，463：142486.

Bagheri M，Al-Jabery K，Wunsch D，Burken J G. Sci. Total Environ.，2020，698：133999.

Gao F，Shen Y，Sallach J B，Li H，Zhang W，Li Y，Liu C. J. Hazard. Mater.，2022，424：127437.

Gao F，Shen Y，Sallach J B，Li H，Liu C，Li Y. Environ. Sci. Technol.，2021，55（24）：16358-16368.

Xiang L，Qiu J，Chen Q Q，Yu P F，Liu B L，Zhao H M，Li Y W，Feng N X，Cai Q Y，Mo C H，Li Q X. Environ. Sci. Technol.，2023，57（46）：18317-18328.

Matlock M K，Hughes T B，Swamidass S J. Bioinformatics，2015，31（7）：1136-1137.

Sandhu H，Garg P. Chem. Res. Toxicol.，2023，36（12）：1876-1890.

Finkelmann A R，Goldmann D，Schneider G，Göller A H. ChemMedChem，2018，13（21）：2281-2289.

Ding R，Chen J W，Yu Y，Lin J，Wang Z Y，Tang W H，Li X H. Environ. Chem.（丁蕊，陈景文，于洋，林军，王中钰，唐伟豪，李雪花. 环境化学），2021，40（5）：1295-1304.

Zhu W，Wang J W，Zhang M Y，Yang X D，Song Z Y，Li Q. Basic Sci. J. Textile Univ. （朱炜，王嘉伟，张梦源，杨旭东，宋振阳，李庆. 纺织高校基础科学学报），2024，37（1）：26-33.

Zhou Y，Wang Y，Peijnenburg W，Vijver M G，Balraadjsing S，Fan W. Environ. Sci. Technol.，2023，57（46）：17786-17795.

Samanipour S，O’Brien J W，Reid M J，Thomas K V，Praetorius A. Environ. Sci. Technol.，2022，57（46）：17950-17958.

Wang H，Wang Z，Chen J，Liu W. Environ. Sci. Technol.，2022，56（10）：6774-6785.

Shi B，Meng J，Wang T，Li Q，Zhang Q，Su G. J. Environ. Sci.，2024，136：95-109.

Xiao Y，Ma S，Yang S，He H，He X，Li C，Feng Y，Xu B，Tang Y. Sci. Total Environ.，2024，914：169671.

Wang J，Xue B，Wang Y，Yinglan A，Wang G，Han D. J. Contam. Hydrol.，2024，261：104287.

Kibbey T C，Jabrzemski R，O’Carroll D M. Chemosphere，2020，252：126593.

Kibbey T C，Jabrzemski R，O’Carroll D M. Chemosphere，2021，275：130124.

Kibbey T C，O'Carroll D M，Safulko A，Coyle G. Environ. Sci.：Adv.，2024，3（3）：366-382.

Stults J F，Higgins C P，Helbling D E. Environ. Sci. Technol. Lett.，2023，10（11）：1052-1058.

Dávila-Santiago E，Shi C，Mahadwar G，Medeghini B，Insinga L，Hutchinson R，Good S，Jones G D. Environ. Sci. Technol.，2022，56（7）：4080-4090.

Jordan R. Stanford students Deploy Machine Learning To Aid Environmental Monitoring. England：Since X Network，［2024-06-30］，https：//phys.org/news/2018-10-stanford-students-deploy-machine-aid.htmlhttps://phys.org/news/2018-10-stanford-students-deploy-machine-aid.html

Chen C E，Zhang H，Ying G G，Jones K C. Environ. Sci. Technol.，2013，47（23）：13587-13593.

Zi J，Xiao S，Liu S，Chen C E. Bull. Environ. Contam. Toxicol.，2023，110（1）：6.

Wang S，Basijokaite R，Murphy B L，Kelleher C A，Zeng T. Environ. Sci. Technol.，2022，56（23）：16726-16736.

Peets P，Wang W C，MacLeod M，Breitholtz M，Martin J W，Kruve A. Environ. Sci. Technol.，2022，56（22）：15508-15517.

Zhang J M，Peng Y，Fang W D，Shi W，Xie Y W，Yu H X，Zhang X W. Asian J. Ecotoxicol.（张家敏，彭颖，方文迪，史薇，谢玉为，于红霞，张效伟. 生态毒理学报），2017，12（1）：1-14.

浏览量

117

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

核受体活性筛选在内分泌干扰物检测中的应用

基于组学、机器学习和生物转化技术的农药及其转化物筛查方法研究