本發(fā)明屬于污染物處理領(lǐng)域，具體涉及一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控脫鹵碳源材料優(yōu)化以提高脫鹵效率的方法。

背景技術(shù)：

1、生物修復(fù)刺激鹵代烴的降解在美國(guó)已展開(kāi)了將近40年的研究，有機(jī)鹵化合物是環(huán)境中廣泛分布的異源污染物。在這些污染物中，氯代有機(jī)物，包括氯代烴(ces)、氯代烷烴(cas)和多氯聯(lián)苯(pcbs)，是典型的具有環(huán)境可持續(xù)性、生物累積性和毒性的環(huán)境污染物。微生物介導(dǎo)的鹵代烴修復(fù)因其適應(yīng)性強(qiáng)、修復(fù)范圍廣而成為一種很有應(yīng)用前景的修復(fù)方法。相比于專性有機(jī)鹵化物呼吸菌(ohrb)生理敏感性和代謝的復(fù)雜性。鐵還原菌(s.oneidensis?mr-1)以其多樣化的呼吸能力而聞名，已經(jīng)廣泛地被用于進(jìn)行生物修復(fù)工作。這種功能微生物已被證明能夠通過(guò)細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移(eet)進(jìn)行還原脫氯。此外，它可以利用腐殖酸(ha)等有機(jī)物作為細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，通過(guò)鐵介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)促進(jìn)鹵代污染物去除。因此，它在修復(fù)含鐵和腐殖物質(zhì)的廢水中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，這類微生物的碳水化合物代謝能力十分有限，大量的研究已經(jīng)表明，其只能利用簡(jiǎn)單的有機(jī)物作為電子供體，如乙酸，乳酸等進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，限制了其在原位生物修復(fù)中的應(yīng)用。

2、包括有機(jī)酸和醇類在內(nèi)的可溶性電子供體已證明能夠作為電子供體有效地去除受污染的場(chǎng)地中的鹵代烴污染物。然而，它們的引入可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞過(guò)度生長(zhǎng)而引起含水層中的孔隙堵塞，從而可能導(dǎo)致二次污染。作為一種替代方案，富含纖維素的農(nóng)業(yè)廢棄物碳源由于其來(lái)源廣泛和較好的生物相容性，為場(chǎng)地生物修復(fù)技術(shù)提供了一種可持續(xù)且環(huán)保的選擇。然而，這些碳源電子釋放釋放能力緩慢，在環(huán)境生物修復(fù)工作中的利用有限。鐵腐殖酸(fe?ha)復(fù)合物在水生環(huán)境中普遍存在，已被證明通過(guò)形成各種氧化鐵促進(jìn)復(fù)雜化合物的水解。因此，我們提出使用fe-ha復(fù)合物將復(fù)雜碳源與鐵還原菌的代謝進(jìn)行偶聯(lián)，旨在提高脫鹵效率的同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生物修復(fù)。盡管如此，這種方法受到許多復(fù)雜因素的影響，對(duì)微生物還原脫氯機(jī)制的理解仍然有限。

3、機(jī)器學(xué)習(xí)已成為分析大數(shù)據(jù)的強(qiáng)大工具，并顯示出增強(qiáng)生物修復(fù)管理的巨大潛力。其已被應(yīng)用于預(yù)測(cè)地下水污染物的脆弱性，評(píng)估微生物多樣性，并確定有助于材料特性的分子特征，如分子式或元素組成。此外，多組學(xué)分析提供了微生物更全面的生理和功能信息，有助于探索其代謝功能。因此基于機(jī)器學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法，利用分析氯代烴污染場(chǎng)地降解功能微生物的功能活性，對(duì)探究生物刺激影響機(jī)制具有重要意義。然而，多組學(xué)分析相結(jié)合以指導(dǎo)合理設(shè)計(jì)碳源以優(yōu)化地下水生物修復(fù)應(yīng)用中的脫鹵策略方面仍存在差距。迫切需要基于微生物生理反應(yīng)設(shè)計(jì)脫鹵材料，以高效準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)高脫鹵效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有外加碳源材料與脫氯功能菌群生理特性不匹配的問(wèn)題，提供了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控脫鹵碳源材料優(yōu)化以提高脫鹵效率的方法。

2、本發(fā)明的一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控脫鹵碳源材料優(yōu)化以提高脫鹵效率的方法，該制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

3、選擇隨機(jī)森林作為機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，將脫鹵的碳源材料進(jìn)行生物刺激獲得顯著差異功能基因、碳源材料合成參數(shù)和水質(zhì)條件作為輸入，脫鹵效率作為輸出；利用隨機(jī)森林算法將數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為80％和20％，分別用于訓(xùn)練和測(cè)試；利用隨機(jī)森林算法識(shí)別出在生物刺激條件下的關(guān)鍵控制因子，根據(jù)識(shí)別到的關(guān)鍵控制因子，設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化碳源材料合成參數(shù)中的鐵粉和腐殖酸比例，即完成所述的利用機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控脫鹵碳源材料優(yōu)化；其中，關(guān)鍵控制因子為乙酸和碳源材料孔隙。

4、進(jìn)一步地，所述的碳源材料孔隙≤100nm，乙酸含量≥3000mg/l。

5、所述的碳源材料孔隙為50-100nm，乙酸含量為2500～3200mg/l。

6、進(jìn)一步地，所述的碳源材料合成參數(shù)為碳百分含量、氧百分含量、三價(jià)鐵百分含量、二價(jià)鐵百分含量、碳源材料孔隙和比表面積。

7、進(jìn)一步地，所述的水質(zhì)條件為cod、doc、ph、氧化還原電位、電子轉(zhuǎn)移能力和揮發(fā)酸種類。

8、進(jìn)一步地，所述的脫鹵的碳源材料制備如下：

9、一、制備交聯(lián)劑溶液：

10、將聚乙烯醇和海藻酸鈉加熱溶解于蒸餾水中，在95～100℃條件下水浴加熱攪拌6～8小時(shí)至完全溶解，室溫冷卻，得到交聯(lián)劑溶液；

11、二、制備適用于還原脫鹵的碳源材料：

12、向交聯(lián)劑溶液中加入硅藻土，加入農(nóng)業(yè)廢棄物碳源材料粉末，鐵粉，最后加入腐殖酸粉末，混合擠壓成球狀顆粒，再放入cacl2飽和硼酸溶液中，交聯(lián)24～48h，干燥、滅菌，即得到適用于還原脫鹵的碳源材料；其中碳源材料中農(nóng)業(yè)廢棄物碳源材料的質(zhì)量含量為5％～10％；硅藻土和交聯(lián)劑溶液的質(zhì)量體積比為(1-4)g：(2-8)ml。

13、進(jìn)一步地，所述的農(nóng)業(yè)廢棄物為稻殼、玉米芯、秸稈、花生殼、木屑中的一種或幾種。

14、進(jìn)一步地，農(nóng)業(yè)廢棄物碳源材料，是將農(nóng)業(yè)廢棄物是經(jīng)過(guò)naoh溶液中浸泡4～8小時(shí)進(jìn)行預(yù)處理，烘干，破碎成粉末，得到農(nóng)業(yè)廢棄物碳源材料。

15、進(jìn)一步地，聚乙烯醇、海藻酸鈉和去離子水的質(zhì)量體積比為(8-16)g：(1-2)g：(300-600)ml。

16、進(jìn)一步地，鐵粉和去離子水的質(zhì)量體積比為(10-20)g：(1000-2000)ml，其中鐵粉投加量為10-15g/l。

17、進(jìn)一步地，腐殖酸粉末和去離子水的質(zhì)量體積比為(18-36)g：(1000-2000)ml，其中腐殖酸粉末投加量為20-40g/l。

18、本發(fā)明根據(jù)識(shí)別到的關(guān)鍵控制因子乙酸，調(diào)整鐵粉和腐殖酸粉末的質(zhì)量體積比為(10-20)g：(18-36)g，鐵粉用來(lái)刺激大分子碳源水解，腐殖酸用來(lái)增加小分子物質(zhì)乙酸的擴(kuò)散速率，其中鐵粉投加量為10-15g/l，腐殖酸的投加量為20-40g/l。

19、選擇隨機(jī)森林(random?forest)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的模型，將上述碳源材料進(jìn)行生物刺激所獲得的831個(gè)顯著差異功能基因，碳源材料合成參數(shù)(c％、o％、fe％、fe(iii)％、fe(ii)％、碳源材料孔隙、比表面積)和水質(zhì)條件(cod、doc、ph、氧化還原電位、電子轉(zhuǎn)移能力、揮發(fā)酸種類(乙醇、乙酸、丙酸、丙酮酸和乳酸)作為輸入，脫鹵效率作為輸出。利用隨機(jī)森林算法將數(shù)據(jù)集隨機(jī)分為80％和20％，分別用于訓(xùn)練和測(cè)試。利用隨機(jī)森林算法識(shí)別出在生物刺激條件下的關(guān)鍵控制因子(乙酸和碳源材料孔隙)。根據(jù)識(shí)別到的關(guān)鍵控制因子，設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化碳源材料中的鐵粉和腐殖酸比例，制備了碳源材料孔隙在50-100nm并能大量產(chǎn)生乙酸的脫鹵碳源材料，該碳源材料實(shí)現(xiàn)了與功能微生物生理特性相匹配的目的。

20、本發(fā)明以農(nóng)業(yè)廢棄物碳源為基礎(chǔ)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法制備的與功能微生物生理特性相匹配的碳源材料不僅保留了農(nóng)業(yè)廢棄物碳源的高效、吸附性強(qiáng)，釋碳效果好等適用于凈化水質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備吸附氯代烯烴污染物效率高，速率快穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在該制備條件下，以農(nóng)業(yè)廢棄物作為脫鹵碳源的基礎(chǔ)原材料，添加鐵粉和腐殖酸，進(jìn)行為期60天的氯代烯烴高效降解實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為稻殼+鐵粉+腐殖酸、玉米芯+鐵粉+腐殖酸、秸稈+鐵粉+腐殖酸、花生殼+鐵粉+腐殖酸、木屑+鐵粉+腐殖酸。結(jié)果表明五種農(nóng)業(yè)廢棄物碳源材料的釋碳效果都比較穩(wěn)定，60天cod的最高釋放量可達(dá)到～85.94-87.66mg/d(玉米芯+鐵粉+腐殖酸和木屑+鐵粉+腐殖酸)，cod濃度增加表明該碳源材料可以作為碳底物維持微生物活性，使得氯代烯烴污染物能夠快速高效的降解，同時(shí)避免二次污染。并且ph在60天內(nèi)能夠維持穩(wěn)定，說(shuō)明該碳源材料不會(huì)引起地下水酸化，具有很好的緩沖效果。此外，氯代烯烴的去除率也隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)上升，在木屑+鐵粉+腐殖酸條件下氯代烯烴的去除率分別是稻殼+鐵粉+腐殖酸、玉米芯+鐵粉+腐殖酸、秸稈+鐵粉+腐殖酸、花生殼+鐵粉+腐殖酸條件下的1.15倍、1.34倍、1.16被和1.26倍。這說(shuō)明木屑作為碳源材料表現(xiàn)出更好的生物修復(fù)效果。因此，隨后本發(fā)明選擇木屑+鐵粉+腐殖酸作為電子供體進(jìn)行了多組學(xué)實(shí)驗(yàn)。值得指出的是，與生物炭制備方法不同的是，該碳源材料通過(guò)化學(xué)交聯(lián)法制備，不需要高溫煅燒，避免了生物炭因受到熱解溫度影響造成的性能差異，顯著節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)減少了溫室氣體的排放。并且化學(xué)交聯(lián)能夠改善材料的性能，提高了碳源材料的強(qiáng)度和耐熱性。此外，鐵粉是一種強(qiáng)還原劑，從而具有優(yōu)越的吸附性能和很高的還原活性，可以在非生物作用條件下通過(guò)還原作用對(duì)氯代烯烴污染物起到去除作用；但是在生物刺激的條件下鐵粉會(huì)產(chǎn)生大量的強(qiáng)還原性自由基破壞細(xì)胞的生理結(jié)構(gòu)，引起細(xì)胞內(nèi)容物流出，影響微生物的生理功能。此外，腐殖酸是常見(jiàn)的天然化合物，含有大量的醌類、羥基、羧基等官能團(tuán)，可以作為胞外電子傳遞穿梭體，起到加速電子傳遞的作用；此外，腐殖酸的增溶作用可以增加水溶性物質(zhì)在細(xì)菌細(xì)胞周圍的擴(kuò)散層中的擴(kuò)散速率，從而促進(jìn)它們被細(xì)菌吸收。更重要的是，腐殖酸還可以通過(guò)在礦物表面形成可溶性復(fù)合物或聚集體來(lái)影響鐵的環(huán)境。觀察表明，這些鐵-腐殖酸復(fù)合物通過(guò)形成各種鐵(氫氧)氧化物，包括鐵氫化物、針鐵礦和赤鐵礦，影響金屬的溶解度、毒性和流動(dòng)性。腐殖酸的加入可以在一定程度上緩解鐵粉對(duì)微生物生理抑制作用，在減少氯代烯烴污染物毒性抑制的同時(shí)快速提供電子加速污染物的還原，并顯著降低碳源材料的經(jīng)濟(jì)成本。此外，該碳源材料制備過(guò)程中使用到了聚乙烯醇(pva)和海藻酸鈉(sa)作為交聯(lián)載體，是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠體碳水化合物，在交聯(lián)劑的作用下，大分子鏈通過(guò)化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子聚合物的過(guò)程，這種結(jié)構(gòu)使得材料結(jié)構(gòu)緊密且不易水解。并且這種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以對(duì)污染水體中的功能菌群起到一定的保護(hù)作用。同時(shí)，飽和的硼酸溶液中含有4％的氯化鈣溶液，ca+離子均勻的遍布在整個(gè)溶液內(nèi)部各處，硼酸由于缺少電子與聚乙烯醇上的-oh脫水形成穩(wěn)定的配合物，制備得到的結(jié)構(gòu)非常均勻的凝膠顆粒。并且在緩釋碳源制備過(guò)程中添加了硅藻土，硅藻土是由單細(xì)胞生物骨骼堆積而成的，具有多孔結(jié)構(gòu)為水體中菌株提供空間附著，能夠提升材料的吸附性能，在脫水的情況下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且其表面含有大量的si-oh硅醇基，在電離或水解過(guò)程中產(chǎn)生羥基自由基-oh在硅藻土表面形成負(fù)電荷，這使得在釋碳過(guò)程中，該碳源材料碳釋放后表面孔隙率和碳分布增加，暴露的-oh將污染物快速分解，且與交聯(lián)劑硼酸b與-oh形成穩(wěn)定的絡(luò)合體，在材料表面形成穩(wěn)固的碳和硅之間的相互保護(hù)作用。這種相互作用主導(dǎo)了該材料的釋碳穩(wěn)定性，吸附性能、同時(shí)保持了微生物的活性。

21、關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)方，具體的，本發(fā)明選擇作為輸入特征的原始數(shù)據(jù)是從本發(fā)明進(jìn)行的生物刺激還原脫氯實(shí)驗(yàn)中收集的。數(shù)據(jù)集包含831個(gè)顯著表達(dá)的差異基因，碳源材料合成參數(shù)(c％、o％、fe％、fe(iii)％、fe(ii)％、碳源材料孔隙、比表面積)和水質(zhì)條件(cod、doc、ph、氧化還原電位、電子轉(zhuǎn)移能力、揮發(fā)酸種類)，此外，脫氯效率是輸出的唯一變量。選擇隨機(jī)森林來(lái)開(kāi)發(fā)分類模型，其主要是通過(guò)r軟件包(4.0.3)“randomforest”來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。本研究中的數(shù)據(jù)集被隨機(jī)分為80％和20％，分別用于訓(xùn)練和測(cè)試。在建立每個(gè)模型之前，通過(guò)10倍交叉驗(yàn)證確定最優(yōu)值，以提高預(yù)測(cè)效率。通過(guò)“caret”和“ggplot2”包計(jì)算優(yōu)化模型的特征重要性并進(jìn)行可視化。利用機(jī)器學(xué)習(xí)將輸入?yún)?shù)的重要性進(jìn)行排序，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，我們得到影響脫氯效果的關(guān)鍵控制因子與功能微生物的碳代謝途徑相關(guān)。提取到了三個(gè)最關(guān)鍵的代謝特征，分別是：氨基酸生物合成、碳代謝和脂肪酸代謝。將代謝途徑與碳源合成參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，cod對(duì)碳代謝途徑有顯著的積極影響，表明碳源材料刺激下，該體系的優(yōu)異脫氯性能源于菌株對(duì)碳源的有效吸收。此外，小分子乙酸和脫氯效率與碳代謝功能基因和碳源合成參數(shù)密切相關(guān)。材料的碳源材料孔隙與氨基酸生物合成和脂肪酸代謝呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，結(jié)果表明較小的碳源材料孔隙能夠顯著提升脫氯效果。因此，這些發(fā)現(xiàn)表明，菌株碳代謝能力的增強(qiáng)可歸因于fe(iii)作為電子受體，加速了鐵氧化物的循環(huán)，從而增強(qiáng)菌株胞外電子轉(zhuǎn)移的過(guò)程。碳代謝能的增強(qiáng)同時(shí)促進(jìn)了菌株的生理活性，進(jìn)而加速了細(xì)菌利用氯代污染物作為電子受體的能力，促進(jìn)了污染物的高效去除?；谶@些發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)具有較小碳源材料孔隙(50-100nm)并且能大量產(chǎn)生乙酸的碳源材料進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

22、基于驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，調(diào)控以農(nóng)業(yè)廢棄物為基礎(chǔ)的碳源材料中鐵粉和揮發(fā)酸的組成比例，能夠控制所制備碳源材料的碳源材料孔隙大小，并且調(diào)控小分子揮發(fā)酸乙酸的產(chǎn)生，作為功能菌株偏好的電子供體，乙酸的產(chǎn)生能夠顯著地促進(jìn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)改進(jìn)后的碳源材料體系的脫鹵效果。此外，相比于之前的脫鹵碳源材料只關(guān)注于提高微生物生理代謝活性，本發(fā)明所制備的碳源材料在提高微生物生理代謝的同時(shí)，較小的碳源材料孔隙增強(qiáng)了碳源材料的分散性，大量的孔隙提升了污染物的物理吸附作用，將脫鹵效果提升2.5倍，具有顯而易見(jiàn)的成本優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。因此，本發(fā)明基于一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)控脫鹵碳源材料優(yōu)化的方法能夠在通過(guò)穩(wěn)定地產(chǎn)生乙酸，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)、穩(wěn)定、高效地為鐵還原菌提供能量和電子，增強(qiáng)鐵還原菌的生理活性，和胞外電子轉(zhuǎn)移能力，從而提高對(duì)氯代烯烴的去除效果；同時(shí)，本發(fā)明制備的以農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料的脫鹵碳源具有粗糙的片狀負(fù)載層，增加了鐵還原菌與氯代烯烴接觸的吸附位點(diǎn)；在未添加腐殖酸的條件下，鐵粉在還原脫氯過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成了較大碳源材料孔隙的磁鐵礦fe2o3，而在腐殖酸含氧官能團(tuán)的作用下，木屑-鐵-腐殖酸體系產(chǎn)生了碳源材料孔隙較小且吸附能力更強(qiáng)的針鐵礦feooh，促進(jìn)了fe(iii)的持續(xù)的還原。因此，本發(fā)明通過(guò)調(diào)控鐵粉和腐殖酸的比例實(shí)現(xiàn)了調(diào)控體系中鐵氧化物的種類的目的，進(jìn)而影響了材料的碳源材料孔隙大小和乙酸的產(chǎn)生，本發(fā)明所制備的碳源材料具有較大的比表面積和較小的碳源材料孔隙(≤100nm)，大量的微小孔隙增強(qiáng)了污染物吸附能力，同乙酸(≥3000mg/l)加速微生物的生理代謝一起，顯著促進(jìn)了細(xì)胞外污染物的持續(xù)高效降解。相比現(xiàn)有的脫鹵碳源材料，本發(fā)明利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法調(diào)控制備的碳源材料與微生物的生理功能更加匹配，并且脫鹵效果更加持續(xù)穩(wěn)定，因此，可以實(shí)現(xiàn)更快速高效的污染物去除效果。