專家觀點 陳玖斌:土壤環境重金屬汙染的同位素示蹤

北極星環境修復網訊:陳玖斌博士/教授

專家介紹：天津大學地層地球系統科學研究院教授，國家「傑出青年」科學基金獲得者，中組部、科技部「萬人計劃」中青年科技創新領軍人才，中科院「百人計劃」研究員。獲國際地球化學學會Kharaka獎。主要從事金屬穩定同位素環境地球化學研究，建立了地質樣品鋅、汞、鎵、銻等同位素分析方法，在有機絡合、礦物吸附等環境過程金屬同位素分餾機制、汞同位素非質量分餾機理、古氣候重建以及土壤、河流、大氣、湖泊等環境金屬同位素應用等研究方面取得系列原創性成果，在NC、GCA、EST等高水平SCI期刊發表多篇學術論文。

研究背景

一、穩定同位素是地球化學的核心研究領域

穩定性同位素分傳統穩定同位素和非傳統（金屬）穩定同位素，它幾乎奠定了地球化學的發展格局，自上世紀三四十年代，傳統穩定同位素CNHOS開始發展，僅僅5個同位素體系就大大推動了對地學各領域的認知，特別是為重大地質事件提供了關鍵性證據，這促使人們一直努力開發佔周期表絕大多數的金屬穩定同位素，以期獲得更多突破。然而，直到上世紀末，新一代質譜儀的開發和應用，金屬同位素才得到快速發展，成為一個新的前沿領域。

二、測試方法和理論體系尚處於初創階段

金屬同位素測試方法和理論體系尚處於初創階段，表現在有三個方面：一些新的同位素體系亟待開發；許多同位素分餾機制還不明確；特定儲庫同位素組成還不清楚，制約了金屬同位素在整個地球科學或者環境地球化學領域的應用，由此可以預見，金屬穩定同位素有著巨大發展潛力和應用前景。

三、非傳統同位素和重金屬的同位素在地球環境科學的影響

1、非傳統同位素-地球環境科學研究新地標

金屬同位素可以用來「診斷」地球的「健康狀況」包括：明確內部殼幔演化和巖漿活動；追蹤表層與深層物質能量交換；釐定地表物質運移和環境變化；判定人類活動演變和生命健康。

2、示蹤地表物質運移和環境變化

（1）判定氣溶膠金屬及其載體顆粒來源，完善全球尺度金屬元素生物地球化。

（2）釐定河流金屬元素來源及貢獻比例，標定陸地向海洋輸送的元素（如鐵、鋅）及同位素特徵及通量。

（3）核定地質時期重大歷史事件，佐證地球表層環境變遷。

3、判定人類活動與生命健康

（1）考古學中的應用：鑑別古代人類骨骼與其性別關係（Fe和Cu同位素）；研究古代人類膳食的營養水平(Sr同位素）；標記古代人類的生活蹤跡(Pb同位素）。

（2）生命健康-全新的研究領域：根據食物同位素組成，推定食物來源產地，衡量居民營養結構（Fe、Sr）；結合人體各器官同位素變化規律，推演個體基因類型差異下的新陳代謝過程（Fe、Zn）；篩查特定組織金屬同位素組成，進行特殊疾病（乳腺癌）的早期診斷（Cu、Zn）。

四、金屬同位素在土壤環境研究中的應用前景

（1）示蹤金屬來源，進行定性甚至定量源解析。

（2）判定金屬在(土壤）環境中的遷移轉化過程（微觀到宏觀）。

（3）重建土壤形成的過程及環境、氣候條件。

（4）生態效應及醫學領域 -> 值得關注的新的應用方向。

五、同位素在土壤重金屬汙染研究中的優越性

（1）元素濃度（HPLC，ICP-MS，ICP-OES, TOC…)----可判定含量多少，但無法準確追蹤汙染來源和貢獻比例。

（2）賦存形態（XRD, TEM, SEM, GC…)----可揭示存在形式，但不能判斷汙染程度和提供來源信息。

（3）物質結構（EXAFS, XANES, XAFS, FTIR…)----可確定存在位置和結構性質，但無法判定遷移轉化過程。

（4）同位素可用來判定金屬從微觀到宏觀的遷移轉化過程，進行定性甚至定量的汙染溯源，提供更直接、更可靠甚至排他性的源解析信息。

同位素示蹤理論

一、鋅同位素源解析前提

潛在汙染源具有不同鋅同位素組成，表生環境樣品都具有明顯鋅同位素組成，尤其是自然源與人類汙染源具有截然不同的同位素組成，可有效判定汙染來源。

二、鋅同位素分餾理論計算

不同的礦物有不同的鋅同位素組成，鋅尖晶石富集重的鋅同位素，菱鋅礦（ZnCO3）富集輕的鋅同位素。二次礦物生成等過程可能引起明顯鋅同位素分餾，可有效判定遷移轉化過程。

鋅同位素在土壤中的應用

鋅廣泛參與土壤的成土等自然過程包括：礦物吸附；有機物吸附；二次礦物沉澱；微生物吸收；生物新陳代謝等，人類互動也會排放大量鋅到土壤中。

一、界面過程判定

1、粘土礦物吸附產生明顯的鋅同位素分餾

粘土礦物-高嶺石表面優先吸附重的鋅同位素組成，骨架和邊緣位置吸附造成的同位素分餾程度不同，判定吸附過程和位置。

2、土壤特殊過程產生特定的鋅同位素分餾

總體來說，固態相對於液體會富集重的鋅同位素，固液之間鋅同位素分餾平均可達0.30%左右，同位素可用來有效追蹤土壤鋅汙染和遷移轉化過程。

二、來源解析

1、示蹤鉛鋅精煉廠周圍表層土壤顆粒物中鋅的來源

距離鉛鋅精煉廠較近的區域，顆粒物主要來自於礦渣；在較遠地區，顆粒物鋅主要來自於煙氣長距離傳輸。

2、煉鋅廠附近土壤重金屬汙染的二元同位素體系示蹤

相對於單一同位素體系，多同位素體系示蹤有著不可替代的優越性，即使在土壤重金屬汙染源相對複雜的情況下，也能進行可靠的源解析。

三、成土環境判定

不同土壤剖面鋅同位素特徵不同

不同氣候環境條件下形成的初始土、潛育土和淋溶土土壤剖面鋅同位素變化規律明顯不同，鋅同位素可能指示不同的成土過程。

四、生態效應

1、土壤-植物根系鋅同位素演化

（1）基巖溶解過程輕的鋅同位素進入土壤溶液。

（2）水稻根莖表面（通過含鐵載體吸附）重的鋅同位素富集。

（3）水稻根莖通過細胞膜吸收輕的鋅同位素。

2、土壤-根系-莖葉鋅及其同位素演變

（1）根部富集重的鋅同位素主要有兩方面原因，一是莖面聚集的絡合物吸附重的鋅同位素；二是根部細胞膜選擇吸收輕的鋅同位素而使根部總體富集偏重的鋅同位素。

（2）莖葉優先吸收利用輕的鋅同位素。

（3）植株傳輸過程造成非常大的鋅同位素分餾，輕的Zn同位素更容易被運輸到地上葉片中。同位素可用來指示和判定土壤重金屬的生態效應，從土壤到植物莖葉的鋅同位素變化可能影響局地、區域甚至全球鋅及其同位素生物地球化學循環。

五、區域環境效應-從流域土壤到河流的鋅同位素演變

1、鋅同位素是河流汙染有效指示劑

汙水處理廠排出的城市汙水是鋅的一個主要汙染源。

2、流域土壤對鋅的保存

同位素研究表明流域正處在對重金屬（鋅）保存的不飽和狀態。因此金屬同位素是示蹤從流域土壤到河流重金屬遷移轉化的強有力的工具。

六、總結

1、重金屬元素，特別是「人為幹擾」元素如Zn、Cd等的同位素組成能得到精確檢測。

2、同位素可以用來準確解析環境重金屬的來源，判定其參與或經歷的生物地球化學過程。

3、同位素可有效用來解析土壤重金屬的汙染來源，追蹤其在土壤中遷移轉化過程，判定其生態環境效應。

4、金屬同位素可提供更直接、更可靠甚至排他性(如汞同位素的非質量分餾)的源解析信息，在場地土壤重金屬汙染或複合汙染的研究和治理中有著廣闊的應用前景。

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