科学网-多介质环境中新污染物检测识别的难点和未来研究方向-李剑超的博文

多介质环境中新污染物检测识别的难点和未来研究方向

2024-7-2 15:45

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近日，在第二十六届中国科协年会主论坛上，中国科协发布2024重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。其中10大前沿科学问题的第三个，在环境领域提出了一个很核心的科学问题：“对多介质环境中新污染物进行识别、溯源和健康风险管控”。在这里，我想对多介质环境中的新污染物的监测与识别进行一些总体的分析。

在多介质环境中，新污染物的检测和识别是一项复杂而关键的任务。这些污染物，通常指的是一些新出现的、有潜在危害的化学物质，如药物残留、个人护理产品、工业化学品等，其检测和识别面临诸多挑战。这些污染物在环境中分布广泛，形式多样，检测和识别它们需要综合运用多种技术和方法。因此，研究人员正致力于开发更有效的检测技术，以应对新污染物带来的环境风险。

新污染物的多样性和复杂性增加了检测和识别的难度。与传统污染物不同，新污染物的化学结构多样且复杂，常常以微量存在于环境中。现有的分析方法，如气相色谱-质谱法（GC-MS）和液相色谱-质谱法（LC-MS），虽然在检测灵敏度和准确度方面表现出色，但在面对大量不同种类的化合物时，依然存在一定的局限性。此外，新污染物在不同介质中的行为和归趋也不尽相同，这使得在不同环境介质中检测这些污染物的工作更加复杂。

环境介质的复杂性对新污染物的检测带来了巨大的挑战。环境介质包括水、土壤、空气和生物体等，这些介质的物理化学性质各不相同，导致新污染物在其中的存在形式和浓度差异很大。例如，在水体中，污染物可能以溶解态、悬浮态或吸附态存在，而在土壤中，污染物则可能与有机质或矿物质结合。为了在多介质环境中准确检测新污染物，研究人员需要开发能够适应不同介质特点的检测技术，并且在样品前处理和分析方法上进行优化。

数据分析和人工智能在新污染物检测中的应用可能是突破上述挑战很重要的技术路径。由于新污染物检测数据量大且复杂，传统的数据处理方法难以满足需求。人工智能技术，特别是机器学习和深度学习，可以从海量数据中提取有价值的信息，提高检测效率和准确度。例如，通过建立污染物行为预测模型，可以更好地理解新污染物在环境中的迁移和转化过程，从而为污染治理提供科学依据。同时，利用大数据技术，可以实现对新污染物的实时监测和预警，有效降低环境风险。

以下的几点可能是未来这方面进行科学研究的重点方向：

· 高灵敏度检测技术的开发： 高灵敏度检测技术的开发是应对新污染物微量存在和多样化结构的关键。当前的研究方向包括利用纳米材料的独特性质（如表面等离子体共振、量子点发光等）来增强传感器的灵敏度和选择性。例如，金纳米粒子和石墨烯等材料可以显著提高检测限。此外，结合高分辨质谱技术，如超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）和高分辨率气相色谱-质谱（HRGC-MS），可以实现对复杂混合物中微量新污染物的精准检测。

· 综合检测方法的创新： 综合检测方法的创新在于将多种分析技术结合起来，形成一套系统的检测方法，以应对新污染物的多样性和复杂性。例如，化学分析与生物传感技术的结合，可以利用化学分析提供定量信息，而生物传感技术提供特异性识别。光谱分析，如红外光谱（IR）和拉曼光谱（Raman），可以补充化学结构信息。通过多技术联用，可以显著提高新污染物的检测效率和准确性。

· 环境介质适应性研究： 针对不同环境介质的新污染物检测，需要开发专门的样品前处理和分析方法。水体中的新污染物可能需要采用液液萃取、固相萃取等方法进行浓缩和分离；土壤样品则可能需要超声波提取或加压流体萃取；空气样品则需考虑采样方法和富集技术。优化这些前处理步骤，有助于提高检测的灵敏度和准确性。此外，还需研究新污染物在不同介质中的稳定性和转化行为，以确保检测结果的可靠性。

· 新型传感技术的应用： 新型传感技术的应用为新污染物检测提供了新的工具。纳米传感器利用纳米材料的高表面积和优异的电学、光学性质，可以显著提高检测的灵敏度。生物传感器则利用生物分子（如酶、抗体、DNA）的特异性识别能力，实现对特定污染物的高效检测。微流控芯片技术结合了微缩化和自动化的优势，可以在极小的样品量下进行快速、多参数检测。通过集成这些新型传感技术，可以大幅提升新污染物检测的效率和便捷性。

· 数据分析和人工智能技术的结合： 随着检测数据量的增加和复杂性提升，传统的数据处理方法已无法满足需求。人工智能技术，尤其是机器学习和深度学习，可以从海量数据中提取有价值的信息，提高检测效率和准确度。通过构建污染物行为预测模型，可以更好地理解新污染物在环境中的迁移和转化过程，从而为污染治理提供科学依据。同时，利用大数据技术，可以实现对新污染物的实时监测和预警，降低环境风险。

· 新污染物行为与归趋研究： 研究新污染物在不同环境介质中的行为和归趋，对于污染控制和风险评估至关重要。这些研究包括新污染物的吸附、降解、迁移和转化过程。例如，在水体中，新污染物可能会通过光解、微生物降解等过程转化为其他化合物；在土壤中，新污染物可能与有机质或矿物质结合，影响其生物可利用性。通过实验研究和模型模拟，可以揭示新污染物的环境行为，提供污染治理的科学依据。

· 多尺度环境模型的构建： 多尺度环境模型的构建旨在模拟新污染物在不同空间尺度上的分布和变化。这些模型可以从微观尺度（如分子水平的化学反应和转化过程）到宏观尺度（如流域或大气圈层的新污染物扩散和沉降）进行模拟。通过集成物理、化学和生物过程的模型，可以更全面地预测新污染物的环境行为和影响，帮助制定有效的污染控制策略和政策。

· 新污染物毒理学研究： 新污染物的毒理学研究对于评估其对生态系统和人类健康的潜在风险至关重要。这些研究包括急性和慢性毒性试验、生物积累和生物放大效应研究、内分泌干扰效应评估等。通过实验研究和流行病学调查，可以确定新污染物的毒性机制和健康风险，为制定科学合理的环境标准和政策提供依据。例如，研究新污染物对水生生物的生殖、发育和行为影响，可以评估其生态风险；研究新污染物对人类健康的潜在影响，可以指导环境管理和风险沟通。

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