Artificial intelligence-driven tool for spectral analysis: identifying pesticide contamination in bees from reflectance profiling.
J Hazard Mater · 2024 · 480:136425 · PMID 39547034 · 등급8 기타 분석법개발 · 환경과 생태 > 수분매개자 · 곤충 · 제형(GBH)
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농약에 처리된 작물에서 먹이를 찾는 과정에서 벌들은 농약 중독의 위협에 지속적으로 노출된다. 이러한 중독은 원인을 규명하기 위한 철저한 조사가 필요하며, 이는 벌 모니터링을 위한 신뢰할 수 있는 농약 검출 방법의 중요성을 강조한다. 적외선 분광학은 수백 개의 스펙트럼 밴드에 걸친 반사율 데이터(초분광 반사율)를 제공하며, 이는 머신러닝과 같은 인공지능(AI) 모델을 사용하여 벌 사체 내 농약 오염을 효율적으로 분류할 수 있게 한다. 본 연구에서는 세 가지 살충제 제형인 디메토에이트(유기인계), 피프로닐(페닐피라졸계), 그리고 이미다클로프리드(네오니코티노이드)와 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 제초제인 글리포세이트에 의한 벌 오염을 머신러닝 모델을 사용하여 검출하였다. 이 모델들은 오염된 벌의 체표면 초분광 반사율 프로파일을 분류하였다. 가장 성능이 우수한 모델인 선형 판별 분석(linear discriminant analysis)은 *Apis mellifera*, *Melipona mondury*, 및 *Partamona helleri* 종 전반에 걸쳐 오염 구분에 98%의 정확도를 달성하였으며, 예측 속도는 0.27초였다. 본 선구적인 연구는 초분광 반사율을 이용하여 여러 종류의 농약에 오염된 벌을 구별하는 효과적인 방법을 제시하였다. 새로운 샘플을 그 스펙트럼 특성을 통해 식별하고 특성화하기 위해 AI 기반 분광 데이터 분석 도구(https://github.com/bernardesrodrigoc/MACSS)가 개발되었다. 이 플랫폼은 벌 개체군 모니터링 및 보존 노력에 도움을 주며, 환경 모니터링, 농업 연구 및 산업 품질 관리 분야에서 잠재적인 중요성을 지닌다.ORIGINAL ABSTRACT
Pesticide poisoning constantly threatens bees as they forage for resources in pesticide-treated crops. This poisoning requires thorough investigation to identify its causes, underscoring the importance of reliable pesticide detection methods for bee monitoring. Infrared spectroscopy provides reflectance data across hundreds of spectral bands (hyperspectral reflectance), presumably enabling the efficient classification of pesticide contamination in bee carcasses using artificial intelligence (AI) models, such as machine learning. In this study, bee contamination by commercial formulations of three insecticides-dimethoate (organophosphate), fipronil (phenylpyrazole), and imidacloprid (neonicotinoid)-as well as glyphosate, the most widely used herbicide globally, was detected using machine learning models. These models classified the hyperspectral reflectance profiles of the body surfaces of contaminated bees. The best-performing model, the linear discriminant analysis, achieved 98 % accuracy in discriminating contamination across species Apis mellifera, Melipona mondury, and Partamona helleri, with prediction speeds of 0.27 s. Our pioneering study introduced an effective method for discerning multiple classes of bees contaminated with pesticides using hyperspectral reflectance. An AI-driven spectral data analysis tool (https://github.com/bernardesrodrigoc/MACSS) was developed for the purpose of identifying and characterizing new samples through their spectral characteristics. This platform aids efforts to monitor and conserve bee populations and holds potential importance in environmental monitoring, agricultural research, and industrial quality control.| 저자 | Bernardes, R. C.; Botina, L. L.; Ribas, A.; Soares, J. M.; Martins, G. F. |
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| 저널 | Journal of hazardous materials |
| 권·호·쪽 | 480, 136425 |
| PMID | 39547034 |
| DOI | 10.1016/j.jhazmat.2024.136425 |
| MeSH | Bees; Animals; Neonicotinoids; Insecticides; Pyrazoles; Artificial Intelligence; Dimethoate; Nitro Compounds; Glyphosate; Glycine; Pesticides; Environmental Monitoring; Discriminant Analysis; Spectrophotometry, Infrared |