十億分之一克水體污染物，1分鐘“揪出”！

視覺中國(guó)供圖

◎本報(bào)記者 馬愛平

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱“質(zhì)標(biāo)所”）農(nóng)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(cè)系統(tǒng)，并同步制定《農(nóng)業(yè)面源污染智能監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》。

這一創(chuàng)新成果首次實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)水體中高風(fēng)險(xiǎn)抗生素、農(nóng)藥殘留等新發(fā)污染物的實(shí)時(shí)、在線、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《聚集體》《分析化學(xué)》《美國(guó)化學(xué)會(huì)材料快報(bào)》等國(guó)際權(quán)威期刊，并獲得2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)。

破解多項(xiàng)技術(shù)難題

面源污染作為非點(diǎn)源污染的主要形式，具有分散性、隱蔽性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)治理長(zhǎng)期面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

質(zhì)標(biāo)所研究員、博士生導(dǎo)師程劼帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)流動(dòng)水體中污染物種類多、含量低、干擾物多等難點(diǎn)，在材料、技術(shù)和裝備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)三重突破。

“我們開發(fā)出具有分子識(shí)別與信號(hào)增強(qiáng)功能的納米復(fù)合材料，能夠同時(shí)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(duì)污染物的傳感性能。這種材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中的抗生素、農(nóng)藥殘留等痕量污染物的高效富集與‘分子指紋’信號(hào)增強(qiáng)，可作為后續(xù)進(jìn)行高靈敏傳感分析的基礎(chǔ)功能材料。”程劼說。

在多靶標(biāo)動(dòng)態(tài)識(shí)別技術(shù)方面，團(tuán)隊(duì)結(jié)合人工智能算法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)3類9種農(nóng)藥（包括有機(jī)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(shí)別與同步檢測(cè)。檢測(cè)靈敏度達(dá)到納克/毫升級(jí)（ng/mL），相當(dāng)于在1毫升水中檢測(cè)出十億分之一克的污染物，且響應(yīng)時(shí)間縮短至1分鐘以內(nèi)。這一技術(shù)突破解決了多類多種污染物同時(shí)動(dòng)態(tài)識(shí)別的難題，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐。

“通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集成自動(dòng)采樣、預(yù)處理、傳感分析等模塊，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)180天無人值守穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)維成本降低70%，顯著提升了監(jiān)測(cè)效率。全自動(dòng)設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)可在河流、溝渠、養(yǎng)殖塘等復(fù)雜水文環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，耐受零下20攝氏度至50攝氏度的極端溫度，防腐蝕設(shè)計(jì)更使其適用于高鹽度水域。”程劼說。

示范應(yīng)用成效顯著

“傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式依賴人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析，耗時(shí)費(fèi)力。新系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)行，大幅減少了人力投入，有效提高了監(jiān)測(cè)效率。在海河流域的示范工程中，人力成本降低約60%，監(jiān)測(cè)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(yīng)用，成效顯著。

通過將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端平臺(tái)，并結(jié)合GIS技術(shù)生成污染熱力圖，系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率超過90%。在太湖流域的試點(diǎn)中，系統(tǒng)成功捕捉到水體中抗生素和農(nóng)藥殘留的異常波動(dòng)，為管理部門提供了精準(zhǔn)的污染溯源依據(jù)。

該系統(tǒng)的研發(fā)不僅解決了技術(shù)難題，更在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域帶來了科學(xué)范式的轉(zhuǎn)變。

“傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)側(cè)重于單一污染物的靜態(tài)分析，而新系統(tǒng)通過多靶標(biāo)動(dòng)態(tài)識(shí)別和大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了污染物的關(guān)聯(lián)性分析。”程劼說。

結(jié)合污染熱力圖，管理部門可精準(zhǔn)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(nóng)藥殘留超標(biāo)源頭的精準(zhǔn)溯源，使相關(guān)部門可快速對(duì)周邊農(nóng)田進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管，有效減少了污染物入河量。

在面源污染智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷應(yīng)用于眾多流域監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)制定了《農(nóng)業(yè)面源污染智能監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范不僅為行業(yè)提供了標(biāo)準(zhǔn)化框架，填補(bǔ)了抗生素、農(nóng)藥殘留等新發(fā)面源污染智能監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的空白，而且推動(dòng)了監(jiān)測(cè)體系的規(guī)范化建設(shè)。

程劼表示，下一步該系統(tǒng)將新增全氟化合物、內(nèi)分泌干擾物、微塑料等新污染物的檢測(cè)功能，進(jìn)一步拓寬監(jiān)測(cè)范圍。同時(shí)，系統(tǒng)有望應(yīng)用于更多領(lǐng)域，在城市供水、飲用水源地等場(chǎng)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(chǎng)推廣，監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖尾水中的污染物，助力綠色養(yǎng)殖。廣東某對(duì)蝦養(yǎng)殖基地已計(jì)劃引入該系統(tǒng)，以控制抗生素殘留，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。在河流、湖泊生態(tài)修復(fù)工程中，該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)評(píng)估修復(fù)效果，為生態(tài)管理提供數(shù)據(jù)支持。”程劼說。