Мега вредные микро- и наночастицы: как работает созданная в ТГУ нейросеть для сортировки мельчайшего пластика

Микропластик — одна из серьезных проблем общества потребления: все, что мы используем и выбрасываем, от пищевой упаковки до автомобильных шин, в конце «круговорота» попадает в наш же организм в виде микрочастиц пластика. Весь мир только начинает искать способы решения этой проблемы, но один из важнейших шагов на старте — выявить основные источники загрязнения. Для этого ученые Томского госуниверситета создали нейросеть, аналогов которой в мире нет. Подробнее — в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».

К микропластику относят частички размером от 1 микрометра (0.001 мм) до 5 мм. Сейчас ученые склоняются к тому, чтобы называть более мелкие частицы нанопластиком, а к «микро» относить только частички в диапазоне от 100 микрометров (или 0.1 мм) до 5 мм.

Микропластик есть уже буквально везде — в водоемах и почвах, в воздухе, в живых организмах… Изучение распространения микропластика — сравнительно молодое направление науки: первая статья с использованием термина «микропластик» появилась в журнале Science в 2004 году.

Чтобы пластиковая бутылка, плавающая где-нибудь в Томи, распалась на микро- и наночастицы, нужно 5-10 лет. В более теплых краях с большим количеством солнца это может произойти буквально за один сезон. Впрочем, бутылки — это еще не самый бич. В целом виде их все-таки легко извлечь из воды или в прибрежной зоне. То же самое касается и другого «классического» речного мусора — рыболовных снастей.

Юлия Франк, директор Центра исследования микропластика в окружающей среде Биологического института ТГУ:

Главная проблема — это, во-первых, микроволокна текстиля (синтетической ткани), которые попадают в сточные воды из стиральных машин. Во-вторых, частички дорожной разметки и шин, которые летят из-под колес автомобиля и смываются с дороги в водный объект. В-третьих, первичный микропластик, который добавляют в абразивные средства (так же, как и текстиль, они попадают в природу через сточные воды). Также важным источником загрязнения признан геотекстиль, которым укрепляют берега. На него идет постоянное воздействие волн, солнца, и куски отрываются, отрываются…

Чем легче частица, тем больше ее транспортная подвижность (то есть тем дальше она переносится) и биодоступность (то есть возможность быть съеденным). Сам пластик инертен по отношению к окружающей среде. Вред он причиняет, когда попадает внутрь какой-нибудь рыбы или птицы, а в конечном итоге – человека. Ученые даже ввели термин — эффект троянского коня:  в воде на поверхности частиц адсорбируется вредные вещества, гидрофобные загрязнители – стойкие органические загрязнители, металлы, они и начинают травить живое существо изнутри. Плюс в агрессивной среде (а наш организм именно таков) из пластика могут высвобождаться фикаторы, внесенные при производстве — разнообразные антипирены, красители, пластификаторы (бисфенол) и т.д. И вот они уже токсичны.

Максимум, до куда добирается микропластик с территории Сибири по водным путям — Северный Ледовитый океан, где депонируется в понижениях дна. Но это не значит, что он надежно захоронен: его начинают употреблять гидробионты — черви, моллюски. Их едят более крупные морские жители, и так по цепочке.

Обычный пластик сортируют по типам — чтобы каждый из них по-своему перерабатывать. Микропластик же сортируют по форме частиц. Если частички выглядят как волокна, то это текстиль, если круглые – вероятнее всего, остатки косметики, черные фрагменты — от автомобильных шин и т.д. Это помогает вычислить основные источники загрязнения и превентивно бороться с выбросами.

Начинается «расследование» в экспедициях, где биологи ТГУ изучают отложения в пресных водоемах Обского бассейна.

Егор Воробьев, лаборант Центра исследования микропластика в окружающей среде Биологического института ТГУ: 

Из каждой экспедиции мы привозим сотни проб воды. В лаборатории фильтруем ее от органики, добавляем соль. Под действием соли проба разделяется по плотности. Минеральные и органические частицы осаждаются, а пластик всплывает, так как у него плотность низкая. Верхнюю фракцию еще раз фильтруем, на фильтре остаются микрочастицы, которые мы  изучаем под микроскопом. На одной пробе обычно 10-30 частиц, иногда по 50-100. Их анализ мог занимать до 16 часов. Чтобы кардинально ускорить процесс, два года назад мы совместно с сотрудниками Института прикладной математики и компьютерных наук ТГУ в рамках проекта УМНИК начали разрабатывать нейросеть, которая сама считает и сортирует частицы микропластика. К концу прошлого года разработку закончили.

В мире есть программные продукты для анализа микрочастиц, но они, во-первых, применяются для конкретных частиц определенной формы, во-вторых, разрабатываются целенаправленно под очень дорогие микроскопы стоимостью по 20 миллионов рублей. Как отмечает Егор Воробьев, томичи первыми написали для этих целей нейросеть. Просто мечта: обучается сама, с каждым новым потоком данных совершенствуется в «опознании»… Теперь пробы обрабатываются в среднем за час. У ученых освобождается время на более важную задачу — интерпретацию данных. 

Под микроскопом делается фотография частиц на фильтре и отправляется на анализ нейросети.

Важная особенность «сортировочной» нейросети в том, что для ее использования не нужно специальное оборудование и специальные навыки. Подойдет любой компьютер, а для проведения анализа достаточно фотографии с телефона в хорошем разрешении.

Юлия Франк:

С прошлого года Росприроднадзор, Роспотребнадзор озаботились проблемой микропластика, ведомства намерены ставить этот загрязнитель в систему государственного экологического контроля. Но для этого должны быть простые методики, которые в любой лаборатории специалист может реализовать. И они должны быть у всех одинаковые. Потому что если считать и сортировать вручную, то данные в разных регионах могут кардинально отличаться. Инструменты машинного обучения позволяют исключить человеческий фактор и унифицировать анализ микропластика.

По словам Юлии Франк, ТГУ плотно сотрудничает с вузами, научными организациями и государственными контролирующими органами, поэтому томская нейросеть может стать базовой методикой для анализа микропластика по всей России.  Совсем недавно ученые получили свидетельство о регистрации РИД на программный продукт. Также у них в арсенале есть система «АЭРОЩУП», с помощью которой давно и успешно ведется очистка донных отложений от нефти. Биологи и инженеры ТГУ занимаются адаптацией технологии под пластиковый мусор.