专家观点 陈玖斌：土壤环境重金属污染的同位素示踪

陈玖斌博士/教授

专家介绍：天津大学地层地球系统科学研究院教授，国家“杰出青年”科学基金获得者，中组部、科技部“万人计划”中青年科技创新领军人才，中科院“百人计划”研究员。获国际地球化学学会Kharaka奖。主要从事金属稳定同位素环境地球化学研究，建立了地质样品锌、汞、镓、锑等同位素分析方法，在有机络合、矿物吸附等环境过程金属同位素分馏机制、汞同位素非质量分馏机理、古气候重建以及土壤、河流、大气、湖泊等环境金属同位素应用等研究方面取得系列原创性成果，在NC、GCA、EST等高水平SCI期刊发表多篇学术论文。

研究背景

一、稳定同位素是地球化学的核心研究领域

稳定性同位素分传统稳定同位素和非传统（金属）稳定同位素，它几乎奠定了地球化学的发展格局，自上世纪三四十年代，传统稳定同位素CNHOS开始发展，仅仅5个同位素体系就大大推动了对地学各领域的认知，特别是为重大地质事件提供了关键性证据，这促使人们一直努力开发占周期表绝大多数的金属稳定同位素，以期获得更多突破。然而，直到上世纪末，新一代质谱仪的开发和应用，金属同位素才得到快速发展，成为一个新的前沿领域。

二、测试方法和理论体系尚处于初创阶段

金属同位素测试方法和理论体系尚处于初创阶段，表现在有三个方面：一些新的同位素体系亟待开发；许多同位素分馏机制还不明确；特定储库同位素组成还不清楚，制约了金属同位素在整个地球科学或者环境地球化学领域的应用，由此可以预见，金属稳定同位素有着巨大发展潜力和应用前景。

三、非传统同位素和重金属的同位素在地球环境科学的影响

1、非传统同位素-地球环境科学研究新地标

金属同位素可以用来“诊断”地球的“健康状况”包括：明确内部壳幔演化和岩浆活动；追踪表层与深层物质能量交换；厘定地表物质运移和环境变化；判定人类活动演变和生命健康。

2、示踪地表物质运移和环境变化

（1）判定气溶胶金属及其载体颗粒来源，完善全球尺度金属元素生物地球化。

（2）厘定河流金属元素来源及贡献比例，标定陆地向海洋输送的元素（如铁、锌）及同位素特征及通量。

（3）核定地质时期重大历史事件，佐证地球表层环境变迁。

3、判定人类活动与生命健康

（1）考古学中的应用：鉴别古代人类骨骼与其性别关系（Fe和Cu同位素）；研究古代人类膳食的营养水平(Sr同位素）；标记古代人类的生活踪迹(Pb同位素）。

（2）生命健康-全新的研究领域：根据食物同位素组成，推定食物来源产地，衡量居民营养结构（Fe、Sr）；结合人体各器官同位素变化规律，推演个体基因类型差异下的新陈代谢过程（Fe、Zn）；筛查特定组织金属同位素组成，进行特殊疾病（乳腺癌）的早期诊断（Cu、Zn）。

四、金属同位素在土壤环境研究中的应用前景

（1）示踪金属来源，进行定性甚至定量源解析。

（2）判定金属在(土壤）环境中的迁移转化过程（微观到宏观）。

（3）重建土壤形成的过程及环境、气候条件。

（4）生态效应及医学领域 -> 值得关注的新的应用方向。

五、同位素在土壤重金属污染研究中的优越性

（1）元素浓度（HPLC，ICP-MS，ICP-OES, TOC…)----可判定含量多少，但无法准确追踪污染来源和贡献比例。

（2）赋存形态（XRD, TEM, SEM, GC…)----可揭示存在形式，但不能判断污染程度和提供来源信息。

（3）物质结构（EXAFS, XANES, XAFS, FTIR…)----可确定存在位置和结构性质，但无法判定迁移转化过程。

（4）同位素可用来判定金属从微观到宏观的迁移转化过程，进行定性甚至定量的污染溯源，提供更直接、更可靠甚至排他性的源解析信息。

同位素示踪理论

一、锌同位素源解析前提

潜在污染源具有不同锌同位素组成，表生环境样品都具有明显锌同位素组成，尤其是自然源与人类污染源具有截然不同的同位素组成，可有效判定污染来源。

二、锌同位素分馏理论计算

不同的矿物有不同的锌同位素组成，锌尖晶石富集重的锌同位素，菱锌矿（ZnCO3）富集轻的锌同位素。二次矿物生成等过程可能引起明显锌同位素分馏，可有效判定迁移转化过程。

锌同位素在土壤中的应用

锌广泛参与土壤的成土等自然过程包括：矿物吸附；有机物吸附；二次矿物沉淀；微生物吸收；生物新陈代谢等，人类互动也会排放大量锌到土壤中。

一、界面过程判定

1、粘土矿物吸附产生明显的锌同位素分馏

粘土矿物-高岭石表面优先吸附重的锌同位素组成，骨架和边缘位置吸附造成的同位素分馏程度不同，判定吸附过程和位置。

2、土壤特殊过程产生特定的锌同位素分馏

总体来说，固态相对于液体会富集重的锌同位素，固液之间锌同位素分馏平均可达0.30%左右，同位素可用来有效追踪土壤锌污染和迁移转化过程。

二、来源解析

1、示踪铅锌精炼厂周围表层土壤颗粒物中锌的来源

距离铅锌精炼厂较近的区域，颗粒物主要来自于矿渣；在较远地区，颗粒物锌主要来自于烟气长距离传输。

2、炼锌厂附近土壤重金属污染的二元同位素体系示踪

相对于单一同位素体系，多同位素体系示踪有着不可替代的优越性，即使在土壤重金属污染源相对复杂的情况下，也能进行可靠的源解析。

三、成土环境判定

不同土壤剖面锌同位素特征不同

不同气候环境条件下形成的初始土、潜育土和淋溶土土壤剖面锌同位素变化规律明显不同，锌同位素可能指示不同的成土过程。

四、生态效应

1、土壤-植物根系锌同位素演化

（1）基岩溶解过程轻的锌同位素进入土壤溶液。

（2）水稻根茎表面（通过含铁载体吸附）重的锌同位素富集。

（3）水稻根茎通过细胞膜吸收轻的锌同位素。

2、土壤-根系-茎叶锌及其同位素演变

（1）根部富集重的锌同位素主要有两方面原因，一是茎面聚集的络合物吸附重的锌同位素；二是根部细胞膜选择吸收轻的锌同位素而使根部总体富集偏重的锌同位素。

（2）茎叶优先吸收利用轻的锌同位素。

（3）植株传输过程造成非常大的锌同位素分馏，轻的Zn同位素更容易被运输到地上叶片中。同位素可用来指示和判定土壤重金属的生态效应，从土壤到植物茎叶的锌同位素变化可能影响局地、区域甚至全球锌及其同位素生物地球化学循环。

五、区域环境效应-从流域土壤到河流的锌同位素演变

1、锌同位素是河流污染有效指示剂

污水处理厂排出的城市污水是锌的一个主要污染源。

2、流域土壤对锌的保存

同位素研究表明流域正处在对重金属（锌）保存的不饱和状态。因此金属同位素是示踪从流域土壤到河流重金属迁移转化的强有力的工具。

六、总结

1、重金属元素，特别是“人为干扰”元素如Zn、Cd等的同位素组成能得到精确检测。

2、同位素可以用来准确解析环境重金属的来源，判定其参与或经历的生物地球化学过程。

3、同位素可有效用来解析土壤重金属的污染来源，追踪其在土壤中迁移转化过程，判定其生态环境效应。

4、金属同位素可提供更直接、更可靠甚至排他性(如汞同位素的非质量分馏)的源解析信息，在场地土壤重金属污染或复合污染的研究和治理中有着广阔的应用前景。