Machine Learning-Based Spatial Mapping, Source Apportionment and Health Risk Prediction of Heavy Metal Contamination in Zanjan Province, Iran

غالبًا ما تُعامل الأرض تحت أقدامنا كمسرح صامت وثابت للحياة البشرية، لكنها في أجزاء كثيرة من العالم، تُعد خزانًا نشطًا لتاريخ كيميائي غير مرئي. فعندما تدخل المعادن الثقيلة مثل الرصاص أو الزنك أو الكادميوم إلى التربة عبر التعدين، أو النفايات الصناعية، أو انبعاثات المركبات، فإنها لا تتحلل ولا تختفي، بل تستمر لعقود، بانتظار أن تلتقطها الرياح، أو تغسلها الأمطار، أو -وهو الأمر الأكثر خطورة- تبتلعها الكائنات الحية والبشر. وتعتمد المخاطر التي تشكلها هذه المعادن بشكل كبير على كميتها، وموقعها، ومن يتعرض لها. ويُعد الأطفال عرضة للخطر بشكل فريد؛ فأجسادهم الصغيرة، وأعضاؤهم النامية، وميلهم الطبيعي للعب في الأتربة، تجعلهم يمتصون هذه السموم بسهولة أكبر من البزاءل. إن فهم الخريطة الدقيقة لهذا التلوث والتنبؤ بمن هم في خطر يتطلب ما هو أكثر من مجرد أخذ عينات قليلة والتخمين في الباقي؛ إذ يتطلب وسيلة لرؤية الأنماط غير المرئية التي تربط كيمياء الأرض بصحة سكانها.

في مقاطعة زنجان الواقعة في شمال غرب إيران، شرع فريق من الباحثين في رسم خريطة لهذا الخطر الخفي بتفاصيل غير مسبوقة. وتعد المنطقة موطنًا لمنجم "أنغوران"، وهو أحد أكبر رواسب الزنك في الشرق الأوسط، والذي يعمل منذ ستينيات القرن الماضي إلى جانب مصاهر نشطة ومدن صناعية. وعلى مدار عقود، تركت هذه العمليات بصمة كيميائية على الأراضي المحيطة بها. ولفهم النطاق الكامل للمشكلة، جمع الباحثون تربة من 357 موقعًا مختلفًا في جميع أنحاء المقاطعة، مما خلق شبكة كثيفة من نقاط البيانات التي غطت المنطقة بأكملها. وقاسوا مستويات ستة معادن ثقيلة محددة هي: الزنك، والنحاس، والكادميوم، والنيكل، والحديد، والرصاص. وبدلاً من الاعتماد على طريقة واحدة لتفسير هذا الكم الهائل من البيانات، لجأوا إلى مجموعة من البرامج الحاسوبية المتقدمة المعروفة باسم "تعلم الآلة". وتعمل هذه البرامج كمحركات عالية التدريب للتعرف على الأنماط، قادرة على إيجاد علاقات معقدة بين تركيزات المعادن والمخاطر الصحية المحتملة التي تشكلها على البشر.

كشفت الدراسة عن مشهد من التباينات الصارخة. فبينما أظهرت بعض المناطق مستويات معادن قريبة من الخلفية الطبيعية الموجودة في صخور المنطقة، كانت مناطق أخرى مشبعة بالتلوث. وكان الزنك هو المتهم الأكثر انتشارًا، حيث أظهرت ما يقرب من 96 بالمائة من المواقع التي تم فحصها مستويات أعلى من الخلفية الطبيعية، مع وجود بعض البقع التي تحتوي على ما يصل إلى أربعة وثلاثين ضعف الكمية المتوقعة. أما الكادميوم، رغم وجوده بكميات مطلقة أصغر، فقد وُجد أنه الأكثر خطورة من حيث التأثير الصحي لأنه شديد السمية حتى في الكميات الضئيلة جدًا ويبقى في جسم الإنسان لعقود. وتتبع الباحثون باستخدام نماذجهم الحاسوبية أصول هذا التلوث؛ حيث حددوا ثلاثة مصادر متميزة: بصمة تعدين وصهر يهيمن عليها الزنك والكادميوم والرصاص، تتركز حول منجم أنغوران؛ وبصمة صناعية من النحاس والحديد مرتبطة بمدينة زنجان الصناعية؛ وخلفية جيولوجية طبيعية من النيكل والحديد ناتجة عن الصخور المحلية نفسها.

وما جعل هذا البحث قويًا بشكل خاص هو قدرته على التنبؤ بالمخاطر الصحية بدقة عالية باستخدام أنواع مختلفة من النماذج الحاسوبية لأهداف مختلفة. وجد الفريق أنه لا يوجد برنامج حاسوبي واحد مثالي لكل مهمة. فبالنسبة للتنبؤ بأحمال التلوث العامة والمخاطر الصحية غير السرطانية، كان نموذج يُسمى "انحدار تعزيز التدرج" (Gradient Boosting Regression) هو الأفضل، حيث رسم بدقة خارطة الأماكن التي تكون فيها التربة خطرة. ومع ذلك، بالنسبة للتنبؤ بخطر الإصابة بالسرطان على مدى الحياة، أثبت نموذج آخر يُسمى "انحدار متجه الدعم" (Support Vector Regression) تفوقه. وكان هذا التمييز مهمًا لأن ذلك سمح للباحثين ببناء صورة أكثر دقة للتهديد مما لو أجبروا أداة واحدة على القيام بكل شيء. وأكد تحليلهم أن الكادميوم والرصاص هما المحركان الأساسيان للتهديدات الصحية الفورية غير السرطانية، بينما كان النحاس والنيكل المساهمين الرئيسيين في مخاطر السرطان طويلة المدى.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة في الدراسة هو الفرق الشاسع في المخاطر بين الأطفال والبالغين. فقد حسب الباحثون أنه بينما يشكل جزء ضئيل فقط من المواقع خطرًا صحيًا غير سرطاني للبالغين، فإن نسبة هائلة تبلغ 35 بالمائ-المئة من المواقع تجاوزت حد الأمان للأطفال. وبعبارة أخرى، فإن الطفل الذي يلعب في التربة في هذه المواقع يواجه خطرًا من الأذى يزيد بمقدار اثني عشر ضعفًا عن البالغ الواقف في نفس المكان. وينبع هذا التفاوت من حقيقة أن الأطفال يبتلعون كميات أكبر من التربة بالنسبة لوزن أجسامهم وهم أكثر حساسية للسموم. وقد حددت الدراسة خمسة مواقع "بؤر ساخنة" محددة، تقع بجوار مخلفات المنجم، حيث كان التلوث شديدًا لدرجة أن التدخل الفوري، مثل تنظيف التربة أو تغطيتها، أصبح ضروريًا لحماية السكان المحليين.

استخدم الباحثون أيضًا تقنية تعمل على تفكيك تحديد المعدن المسؤول عن الخطر في أي موقع. ووجدوا أنه في المناطق الأكثر خطورة، كان الكادميوم هو العامل الأكبر الذي يدفع المخاطر الصحية لتجاوز حد الأمان. وهذا يعني أنه إذا كان الهدف هو جعل التربة آمنة للأطفال، فإن إزالة أو تحييد الكادميوم سيكون الخطوة الأولى الأكثر فعالية، حتى لو بقيت معادن أخرى. لم تحدد الدراسة المشكلة فحسب، بل قدمت خارطة طريق واضحة مدفوعة بالبيانات لحلها. فمن خلال الجمع بين الخرائط المكانية التفصيلية والتنبؤات الحاسوبية المتقدمة، أظهر الفريق أن التهديد ليس موحدًا بل يتركز في مناطق محددة تقودها أنشطة صناعية معينة.

يعمل هذا العمل كنموذج لكيفية معالجة العلم الحديث لأزمات الصحة البيئية. فهو يتجاوز مجرد القياسات البسيطة لإنشاء فهم ديناميكي وتنبؤي لكيفية انتقال التلوث عبر البيئة وتأثيره على صحة الإنسان. وتشير النتائج إلى أن حماية الأطفال في المناطق ذات الكثافة التعدينية تتطلب نهجًا مستهدفًا يدرك ضعفهم الفريد. وتخلص الدراسة إلى أن التدخل الفوري مطلوب في مناطق "البؤر الساخنة" الخمس المحددة، إلى جانب المراقبة المنتظمة للتربة حول المدن الصناعية والمنجم نفسه. ومن خلال التركيز على المعادن المحددة التي تسبب أعلى المخاطر، يمكن للسلطات ترتيب أولويات جهودها لتطهير الهواء والتربة، مما يضمن أن تصبح الأرض تحت المقاطعة أساسًا آمنًا للأجيال القادمة.