AI ska avslöja skadliga kemiska ämnen snabbare

Vattenprover visar att i reningsverk finns tusentals olika kemikalier, varav minst 90 procent är helt okända. Foto: Gudellaphoto/Mostphotos

Från livsmedel, kosmetika, kläder, pesticider, byggmaterial och annat som mänskligheten har producerat, kan det ha läckt ut ungefär en halv miljon olika kemiska ämnen i miljön, enligt forskares uppskattningar. När ämnena hamnar i naturen börjar de brytas ner och kan även reagera med varandra. Då skapas ännu fler substanser. Så när forskare analyserar vattenprover från exempelvis reningsverk finns där tusentals olika kemikalier, varav minst 90 procent är helt okända.

– De flesta av dem är naturliga och ofarliga, men problemet är att vi inte vet vilka som är toxiska. Så vi vet inte vilka ämnen som vi behöver ta bort, säger Anneli Kruve, lektor vid Institutionen för material- och miljökemi, Stockholms universitet.

Nyligen beviljades hon 1,9 miljoner av Europeiska forskningsrådet ERC för att utveckla en AI-modell som ska göra det möjligt att snabbt identifiera potentiellt skadliga ämnen.

– Vi ska försöka ta reda på vilka av alla ämnen i ett prov som kan vara toxiska, så att vi kan fokusera på rätt ämnen.

Idag är en stor del av toxiciteten i ett miljöprov oförklarlig, i vissa fall kan man bara förklara någon procent av den.

Kan ta åratal att hitta skadligt miljögift

Anneli Kruve

Med dagens kemiska metoder tar det ofta väldigt lång tid för forskare att hitta de skadliga ämnena i en soppa av okända kemikalier. I decennier såg man till exempel en årlig massdöd bland silverlaxar i nordvästra USA. När fiskarna sökte sig till forsar med färskvatten för att leka, dog i vissa fall över hälften av dem. Giftet kom från städernas dagvatten, men det tog forskarna nästan tjugo år att identifiera vilken av alla kemikalier i dagvattnet som var boven.

– Det visade sig att dödligheten orsakades av en antioxidant som användes vid tillverkning av gummi för bildäck, säger Anneli Kruve.

När antioxidanten bröts ner formades den dittills okända giftiga kemikalien. Vid kraftiga regn hamnade den i dagvattnet, som rann ut i vattendragen.

Dagens kemiska analyser räcker inte till

För att snabba upp jakten på potentiellt toxiska ämnen miljögifter eller hälsovådliga ämnen, ska Anneli Kruve utveckla smartare metoder för att analysera olika kemiska prover. När forskare i dagsläget kartlägger prover från till exempel reningsverk, separerar de först alla ämnena i provet med hjälp av något som kallas för kromatografi. I det steget kommer vattenlösliga ämnen att skiljas från fetare kemikalier. Sedan skickar forskarna in ämnena i något som kallas för en masspektrometer. Enkelt beskrivet är det en metod som delar upp de kemiska ämnena efter deras massa. I ett sista steg slår sedan forskarna sönder de kemiska ämnena i småbitar, och kartlägger vilka slags bitar de består av.

När analysen är klar vet forskarna alltså bland annat vilken storlek olika ämnen i provet har och ungefär vilka kemiska byggstenar de består av. Utifrån dessa ledtrådar kan de ofta identifiera några av de ämnen som finns i provet, men de flesta är okända ämnen med en okänd toxicitet. 

AI-modell tränas att känna igen giftiga ämnen

Anneli Kruves forskargrupp i labbet.

Det är här som Anneli Kruves beräkningsmetoder kommer in i bilden. Hennes mål är att utveckla en AI-modell som ska kunna avslöja misstänkt skadliga ämnen enbart med hjälp av de ledtrådar som den kemiska kartläggningen ger. Hittills har hon tränat AI-modellen med hjälp av en databas skapad av USA:s miljöskyddsmyndighet, där det finns information om olika ämnens struktur, egenskaper och toxicitet. När hon nyligen testade att leta efter ett skadligt ämne i ett konstgjort prov, lyckades AI-modellen avslöja rätt ämne.
- Det är en lovande början! Testet var blindat, så vi visste inte vad vi skulle leta efter.  

Med hjälp av EU-anslaget ska nu Anneli Kruve anställa fem–sex doktorander och postdocs i sitt projekt. Målet är att träna AI-modellen med hjälp av fler tillgängliga kemiska databaser och se till att den lär sig att känna igen allt ifrån potentiellt hormonstörande och gentoxiska ämnen, till miljögifter. Hon hoppas också kunna analysera prover från olika slags material.

– Vi har till exempel samarbeten där vi ska titta på ämnen i textilier och även i filter från vattenreningsverk. I det senare fallet kan vi se hur många potentiellt giftiga ämnen som filtren fångar upp under vattenreningen, säger Anneli Kruve.  

En annan förhoppning är att AI-modellen ska kunna föreslå en kemisk struktur för de okända ämnen man hittar. Då kan det i vissa fall gå snabbare att förstå varifrån de kommer.

– Vi jobbar med ett rörligt mål. När olika kemikalier släpps ut i miljön vet vi inte alltid vad som händer med dem, så vi behöver bra metoder för att övervaka dem. Förhoppningsvis kan vi bli smartare och identifiera potentiella problem mycket tidigare än vad vi gör idag, säger Anneli Kruve.  

Text: Ann Fernholm

Läs mer om Anneli Kruves forskning