近日，中國農業(yè)科學院農業(yè)質量標準與檢測技術研究所（以下簡稱“質標所”）農業(yè)環(huán)境污染物研究室成功研發(fā)出全球首套面源污染智能監(jiān)測系統(tǒng)，并同步制定《農業(yè)面源污染智能監(jiān)測技術規(guī)范》。
這一創(chuàng)新成果首次實現(xiàn)對流動水體中高風險抗生素、農藥殘留等新發(fā)污染物的實時、在線、動態(tài)監(jiān)測。相關研究成果已發(fā)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(fā)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(jiān)測治理長期面臨技術挑戰(zhàn)。
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(xiàn)三重突破。
“我們開發(fā)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(tǒng)吸附劑，新材料穩(wěn)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(xiàn)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(xù)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(tài)識別技術方面，團隊結合人工智能算法，系統(tǒng)實現(xiàn)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(huán)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(tài)識別的難題，為實現(xiàn)實時預警監(jiān)測提供了有力的技術支撐。
“通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術，集成自動采樣、預處理、傳感分析等模塊，監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)180天無人值守穩(wěn)定運行。系統(tǒng)運維成本降低70%，顯著提升了監(jiān)測效率。全自動設計使得系統(tǒng)可在河流、溝渠、養(yǎng)殖塘等復雜水文環(huán)境中穩(wěn)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(tǒng)監(jiān)測方式依賴人工采樣和實驗室分析，耗時費力。新系統(tǒng)可實現(xiàn)無人值守運行，大幅減少了人力投入，有效提高了監(jiān)測效率。在海河流域的示范工程中，人力成本降低約60%，監(jiān)測頻次卻提高了3倍。”程劼說。
目前，該系統(tǒng)已在太湖、海河等流域投入示范應用，成效顯著。
通過將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至云端平臺，并結合GIS技術生成污染熱力圖，系統(tǒng)預警準確率超過90%。在太湖流域的試點中，系統(tǒng)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(jù)。
該系統(tǒng)的研發(fā)不僅解決了技術難題，更在環(huán)境監(jiān)測領域帶來了科學范式的轉變。
“傳統(tǒng)監(jiān)測側重于單一污染物的靜態(tài)分析，而新系統(tǒng)通過多靶標動態(tài)識別和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了污染物的關聯(lián)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(fā)區(qū)域，制定靶向治理措施。例如，該系統(tǒng)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(jiān)管，有效減少了污染物入河量。
在面源污染智能監(jiān)測系統(tǒng)不斷應用于眾多流域監(jiān)測的基礎上，團隊制定了《農業(yè)面源污染智能監(jiān)測技術規(guī)范》。該規(guī)范不僅為行業(yè)提供了標準化框架，填補了抗生素、農藥殘留等新發(fā)面源污染智能監(jiān)測領域的空白，而且推動了監(jiān)測體系的規(guī)范化建設。
程劼表示，下一步該系統(tǒng)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(jiān)測范圍。同時，系統(tǒng)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(tǒng)還可在規(guī)模化養(yǎng)殖場推廣，監(jiān)測養(yǎng)殖尾水中的污染物，助力綠色養(yǎng)殖。廣東某對蝦養(yǎng)殖基地已計劃引入該系統(tǒng)，以控制抗生素殘留，提升產(chǎn)品競爭力。在河流、湖泊生態(tài)修復工程中，該系統(tǒng)可動態(tài)評估修復效果，為生態(tài)管理提供數(shù)據(jù)支持。”程劼說。
來源：科技日報
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