面源污染智能监测系统实现水体实时在线动态监测

  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。