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十亿分之一克水体污染物,1分钟“揪出”
发布日期:2025/4/30 10:15:43
    近日,中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所(以下简称“质标所”)农业环境污染物研究室成功研发出全球首套面源污染智能监测系统,并同步制定《农业面源污染智能监测技术规范》。

    这一创新成果首次实现对流动水体中高风险抗生素、农药残留等新发污染物的实时、在线、动态监测。相关研究成果已发表于《聚集体》《分析化学》《美国化学会材料快报》等国际权威期刊,并获得2项国家发明专利授权。

    破解多项技术难题

    面源污染作为非点源污染的主要形式,具有分散性、隐蔽性和复杂性等特点,其监测治理长期面临技术挑战。

    质标所研究员、博士生导师程劼带领团队,针对流动水体中污染物种类多、含量低、干扰物多等难点,在材料、技术和装备领域实现三重突破。

    “我们开发出具有分子识别与信号增强功能的纳米复合材料,能够同时捕获多类污染物。相比传统吸附剂,新材料稳定性提升5倍以上,显著提高了对污染物的传感性能。这种材料可实现对水体中的抗生素、农药残留等痕量污染物的高效富集与‘分子指纹’信号增强,可作为后续进行高灵敏传感分析的基础功能材料。”程劼说。

    在多靶标动态识别技术方面,团队结合人工智能算法,系统实现了对3类9种农药(包括有机磷类、烟碱类、苯并咪唑类)和3类10种抗生素(涵盖喹诺酮类、四环素类、磺胺类)的特异性识别与同步检测。检测灵敏度达到纳克/毫升级(ng/mL),相当于在1毫升水中检测出十亿分之一克的污染物,且响应时间缩短至1分钟以内。这一技术突破解决了多类多种污染物同时动态识别的难题,为实现实时预警监测提供了有力的技术支撑。

    “通过采用物联网技术,集成自动采样、预处理、传感分析等模块,监测系统实现连续180天无人值守稳定运行。系统运维成本降低70%,显著提升了监测效率。全自动设计使得系统可在河流、沟渠、养殖塘等复杂水文环境中稳定运行,耐受零下20摄氏度至50摄氏度的极端温度,防腐蚀设计更使其适用于高盐度水域。”程劼说。

    示范应用成效显著

    “传统监测方式依赖人工采样和实验室分析,耗时费力。新系统可实现无人值守运行,大幅减少了人力投入,有效提高了监测效率。在海河流域的示范工程中,人力成本降低约60%,监测频次却提高了3倍。”程劼说。

    目前,该系统已在太湖、海河等流域投入示范应用,成效显著。

    通过将监测数据实时上传至云端平台,并结合GIS技术生成污染热力图,系统预警准确率超过90%。在太湖流域的试点中,系统成功捕捉到水体中抗生素和农药残留的异常波动,为管理部门提供了精准的污染溯源依据。

    该系统的研发不仅解决了技术难题,更在环境监测领域带来了科学范式的转变。

    “传统监测侧重于单一污染物的静态分析,而新系统通过多靶标动态识别和大数据分析,实现了污染物的关联性分析。”程劼说。

    结合污染热力图,管理部门可精准定位污染高发区域,制定靶向治理措施。例如,该系统可助力农药残留超标源头的精准溯源,使相关部门可快速对周边农田进行重点监管,有效减少了污染物入河量。

    在面源污染智能监测系统不断应用于众多流域监测的基础上,团队制定了《农业面源污染智能监测技术规范》。该规范不仅为行业提供了标准化框架,填补了抗生素、农药残留等新发面源污染智能监测领域的空白,而且推动了监测体系的规范化建设。

    程劼表示,下一步该系统将新增全氟化合物、内分泌干扰物、微塑料等新污染物的检测功能,进一步拓宽监测范围。同时,系统有望应用于更多领域,在城市供水、饮用水源地等场景部署,保障居民饮水安全。

    “该系统还可在规模化养殖场推广,监测养殖尾水中的污染物,助力绿色养殖。广东某对虾养殖基地已计划引入该系统,以控制抗生素残留,提升产品竞争力。在河流、湖泊生态修复工程中,该系统可动态评估修复效果,为生态管理提供数据支持。”程劼说。

    来源:科技日报 
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