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十億分之一克水體污染物,1分鐘“揪出”
發布日期:2025/4/30 10:15:43
    近日,中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所(以下簡稱“質標所”)農業環境污染物研究室成功研發出全球首套面源污染智能監測系統,并同步制定《農業面源污染智能監測技術規范》。

    這一創新成果首次實現對流動水體中高風險抗生素、農藥殘留等新發污染物的實時、在線、動態監測。相關研究成果已發表于《聚集體》《分析化學》《美國化學會材料快報》等國際權威期刊,并獲得2項國家發明專利授權。

    破解多項技術難題

    面源污染作為非點源污染的主要形式,具有分散性、隱蔽性和復雜性等特點,其監測治理長期面臨技術挑戰。

    質標所研究員、博士生導師程劼帶領團隊,針對流動水體中污染物種類多、含量低、干擾物多等難點,在材料、技術和裝備領域實現三重突破。

    “我們開發出具有分子識別與信號增強功能的納米復合材料,能夠同時捕獲多類污染物。相比傳統吸附劑,新材料穩定性提升5倍以上,顯著提高了對污染物的傳感性能。這種材料可實現對水體中的抗生素、農藥殘留等痕量污染物的高效富集與‘分子指紋’信號增強,可作為后續進行高靈敏傳感分析的基礎功能材料。”程劼說。

    在多靶標動態識別技術方面,團隊結合人工智能算法,系統實現了對3類9種農藥(包括有機磷類、煙堿類、苯并咪唑類)和3類10種抗生素(涵蓋喹諾酮類、四環素類、磺胺類)的特異性識別與同步檢測。檢測靈敏度達到納克/毫升級(ng/mL),相當于在1毫升水中檢測出十億分之一克的污染物,且響應時間縮短至1分鐘以內。這一技術突破解決了多類多種污染物同時動態識別的難題,為實現實時預警監測提供了有力的技術支撐。

    “通過采用物聯網技術,集成自動采樣、預處理、傳感分析等模塊,監測系統實現連續180天無人值守穩定運行。系統運維成本降低70%,顯著提升了監測效率。全自動設計使得系統可在河流、溝渠、養殖塘等復雜水文環境中穩定運行,耐受零下20攝氏度至50攝氏度的極端溫度,防腐蝕設計更使其適用于高鹽度水域。”程劼說。

    示范應用成效顯著

    “傳統監測方式依賴人工采樣和實驗室分析,耗時費力。新系統可實現無人值守運行,大幅減少了人力投入,有效提高了監測效率。在海河流域的示范工程中,人力成本降低約60%,監測頻次卻提高了3倍。”程劼說。

    目前,該系統已在太湖、海河等流域投入示范應用,成效顯著。

    通過將監測數據實時上傳至云端平臺,并結合GIS技術生成污染熱力圖,系統預警準確率超過90%。在太湖流域的試點中,系統成功捕捉到水體中抗生素和農藥殘留的異常波動,為管理部門提供了精準的污染溯源依據。

    該系統的研發不僅解決了技術難題,更在環境監測領域帶來了科學范式的轉變。

    “傳統監測側重于單一污染物的靜態分析,而新系統通過多靶標動態識別和大數據分析,實現了污染物的關聯性分析。”程劼說。

    結合污染熱力圖,管理部門可精準定位污染高發區域,制定靶向治理措施。例如,該系統可助力農藥殘留超標源頭的精準溯源,使相關部門可快速對周邊農田進行重點監管,有效減少了污染物入河量。

    在面源污染智能監測系統不斷應用于眾多流域監測的基礎上,團隊制定了《農業面源污染智能監測技術規范》。該規范不僅為行業提供了標準化框架,填補了抗生素、農藥殘留等新發面源污染智能監測領域的空白,而且推動了監測體系的規范化建設。

    程劼表示,下一步該系統將新增全氟化合物、內分泌干擾物、微塑料等新污染物的檢測功能,進一步拓寬監測范圍。同時,系統有望應用于更多領域,在城市供水、飲用水源地等場景部署,保障居民飲水安全。

    “該系統還可在規模化養殖場推廣,監測養殖尾水中的污染物,助力綠色養殖。廣東某對蝦養殖基地已計劃引入該系統,以控制抗生素殘留,提升產品競爭力。在河流、湖泊生態修復工程中,該系統可動態評估修復效果,為生態管理提供數據支持。”程劼說。

    來源:科技日報 
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