穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用及前景

蔡金王 劉 駿 韓寶武

(四川省南充生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川南充，637000)

1 前言

同位素定義為同一元素中具有相同質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)卻不相同的原子，互為同位素的同一元素原子質(zhì)量不同。而穩(wěn)定性同位素是指某些元素的同位素中不發(fā)生放射性衰變的一類，其原子核自合成以來就保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，自1912年首次發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性同位素20Ne和22Ne以來，被發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素已有270余種。有的元素的穩(wěn)定同位素較多，如第50號(hào)元素錫含有10個(gè)穩(wěn)定同位素；而有的元素的穩(wěn)定同位素卻很單一，如鋁、磷等。自20世紀(jì)70年代以來穩(wěn)定同位素技術(shù)已成為生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和水文學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。

2 穩(wěn)定同位素分析方法

穩(wěn)定同位素檢測(cè)方法主要有質(zhì)譜法、核磁共振法、氣相色譜法、光譜法和中子活性分析法等，其中比值質(zhì)譜分析法是最常用、最精確的方法。原理則是利用不同元素的同位素在物理、化學(xué)和生化變化中會(huì)發(fā)生同位素分餾，導(dǎo)致同位素會(huì)以不同比例分配于不同物質(zhì)之中，使同位素的自然豐度呈現(xiàn)差異性變化[1]。穩(wěn)定同位素比值就是某一元素的重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度之比，如15N/14N和13C/12C等，在實(shí)際測(cè)量中均采用相對(duì)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，即所測(cè)樣品(Sample)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(Standard)的同位素比值比較結(jié)果就稱為樣品的穩(wěn)定性同位素比值(δ值)，具體的定義式為：

其中，X代表某一元素重同位素(如13C、15N等)；A表示重同位素與輕同位素的比值(如13C/12C和15N/14N)。當(dāng)δ值為正值時(shí)，表明樣品的重同位素含量高于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的重同位素含量[2]。

3 穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1.1 科學(xué)施肥

湖北省農(nóng)科院原子能所應(yīng)用同位素示蹤法、同位素比例質(zhì)譜法研究了作物對(duì)化肥氮的吸收利用及其響影因子，了解了對(duì)作物施氮量過大、施肥次數(shù)過多并不能使作物增產(chǎn)的機(jī)理問題，以此為理論依據(jù)可以科學(xué)地指導(dǎo)對(duì)農(nóng)作物氮肥的施用，并得到了氮肥揮發(fā)的淋溶損失規(guī)律。另外，研究還得到了提高化肥利用率的改進(jìn)施肥技術(shù)：氮肥的深層和全層施用。這樣可以提高氮肥利用率10%—12%，作物增產(chǎn)5%—16%。同時(shí)，選擇合適氮肥形態(tài)和品種施用，還可以進(jìn)一步提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量。

郭智成等[3]利用穩(wěn)定同位素技術(shù)，測(cè)定在不同氮肥處理?xiàng)l件下土壤和番茄中的δ15N值，通過設(shè)定相應(yīng)的臨界值，可以有效鑒別農(nóng)產(chǎn)品的有機(jī)種植和非有機(jī)種植，對(duì)施肥進(jìn)行精準(zhǔn)把控。

3.1.2 生物固氮

利用穩(wěn)定性同位素作為示蹤研究，同位素比例質(zhì)譜法分析，開展生物固氮研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。在生物固氮量的測(cè)定、固氮機(jī)理研究以及固氮新品種的鑒定等方面穩(wěn)定同位素技術(shù)都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它是測(cè)定生物固氮量最直接、最有效的方法。

中國農(nóng)科院原子能所等單位根據(jù)國內(nèi)情況，用設(shè)計(jì)的密閉裝置探索了紅萍排氮，得知紅萍排出的氮能被水稻迅速吸收。用類似裝置鑒定了糞產(chǎn)堿菌、陰溝腸細(xì)菌和稻黃桿菌的固氮能力，發(fā)現(xiàn)糞產(chǎn)堿菌與陰溝腸細(xì)菌混合培養(yǎng)時(shí)，固氮能力遠(yuǎn)比單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)高。同時(shí)，還用15N天然豐度估測(cè)了結(jié)瘤作物的共生固氮量，為15N的天然豐度測(cè)量在生物固氮領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了依據(jù)。

陳盛保等[4]采用15N2穩(wěn)定同位素的示蹤技術(shù)，在海水培養(yǎng)體系中直接引入15N2，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量了培養(yǎng)體系底物的同位素示蹤水平，從而得到了水體生物固氮速率，這對(duì)研究海洋新氮來源等相關(guān)課題有重要作用。

3.1.3 在農(nóng)業(yè)等其他方面的應(yīng)用

應(yīng)用15N同位素在研究作物栽培、生理、生化，以及家畜、家禽和水產(chǎn)的飼料配方等方面也作了大量的研究。山東農(nóng)科院原子能所等單位應(yīng)用15N同位素示蹤法研究了啤酒大麥籽粒蛋白質(zhì)含量對(duì)啤酒質(zhì)量所起的重要作用，研究植物生長調(diào)節(jié)劑784-1使花生增產(chǎn)的機(jī)理；北農(nóng)大應(yīng)用15N同位素研究了煙草愈傷組織培養(yǎng)過程中對(duì)不同形態(tài)氮素的吸收利用及愈傷組織的生長分化；新疆農(nóng)科院應(yīng)用15N同位素研究出輻照土壤能使作物增產(chǎn)的原因是提高了土壤An值的緣故；江蘇、河北農(nóng)科院在棉花、春小麥、春季作物上進(jìn)行了低豐度富集15N同位素肥料試驗(yàn)，為大幅度降低15N研究成本，普及15N同位素應(yīng)用提供了依據(jù)。

3.2 在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用

由于有些污染源包含一個(gè)或多個(gè)特定的穩(wěn)定同位素，這些穩(wěn)定同位素在污染物的遷移與反應(yīng)過程和結(jié)果分析中都具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，因此在環(huán)境污染物的源解析中應(yīng)用較廣。同時(shí)由于穩(wěn)定同位素不會(huì)產(chǎn)生放射性污染的特性，近年來在環(huán)境監(jiān)測(cè)中將穩(wěn)定同位素作為示蹤劑用于研究污染物遷移轉(zhuǎn)化與無害化降解過程已經(jīng)得到了大量應(yīng)用。

3.2.1 在水污染中的應(yīng)用

在水污染防治中，主要是利用碳、汞、鉛、硫、氮等元素的穩(wěn)定同位素作為示蹤劑解析水體中的污染源，分析污染物在水體中隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而能詳細(xì)地了解水體污染的全過程。

王靜等[5]利用氮、氧同位素示蹤技術(shù)對(duì)巢湖支流店埠河水體硝酸鹽污染源解析的結(jié)果表明，店埠河水體中NO3-主要來源于土壤中的有機(jī)氮以及農(nóng)用化肥和糞肥污水，同時(shí)利用穩(wěn)定同位素混合模型(Stable Isotope Analysis in R)定量評(píng)價(jià)了在枯水期和豐水期不同類型污染源對(duì)水體中硝酸鹽的貢獻(xiàn)率。Chung等[6]采集了研究區(qū)域內(nèi)的地下水水樣，通過對(duì)水樣中的硝酸鹽δ15N值與相關(guān)聯(lián)的潛在污染源的硝酸鹽δ15N值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)化學(xué)肥料是引起研究區(qū)內(nèi)水樣硝酸鹽污染的主要原因。Schlosser等[7]利用同位素示蹤技術(shù)，用D/3He與H218O/H216O的比值來推測(cè)污染物在海水中的遷移轉(zhuǎn)化途徑及其停留時(shí)間，通過H218O/H216O分布來推斷污染物以及淡水的遷移傳輸途徑。

3.2.2 在大氣污染中的應(yīng)用

同位素技術(shù)是大氣污染源解析的重要手段之一，碳、鉛、硫等穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)可以清晰地反映污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，其研究介質(zhì)主要包括煤炭燃燒向大氣中排放的硫化物中的硫同位素組成以及多環(huán)芳烴中的穩(wěn)定碳同位素組成、汽油燃燒后排放的鉛塵中鉛同位素組成等。

陳穎軍等[8]采集了生物質(zhì)燃燒、民用燃煤和機(jī)動(dòng)車尾氣(其為我國3種主要的黑炭排放源)排放的煙塵樣品，分析了總碳(TC)以及黑炭(BC)中的δ13C，3種排放源煙塵樣品的δ13CBC與對(duì)應(yīng)燃料有較好的一致性，且不同排放源之間的δ13CBC變化范圍有較為明顯的差別，由于各排放源在黑炭(BC)形成過程中存在不同程度的碳同位素分餾，而其中C4植物表現(xiàn)相對(duì)明顯，各類排放源的δ13C數(shù)據(jù)庫可為黑炭(BC)源解析提供依據(jù)。Zong等[9]相關(guān)研究提出結(jié)合氧同位素和貝葉斯混合模型計(jì)算同位素分餾系數(shù)的方法，可得到大氣中NOX轉(zhuǎn)化為氣態(tài)HNO3的氮同位素分餾系數(shù)，進(jìn)而可以對(duì)大氣中硝酸鹽污染物的來源進(jìn)行解析。

3.2.3 在土壤污染中的應(yīng)用

土壤污染是指人類生產(chǎn)、生活活動(dòng)產(chǎn)生的各類污染物進(jìn)入土壤中而導(dǎo)致的土壤性質(zhì)惡化的現(xiàn)象。當(dāng)土壤中有害物質(zhì)過多，超過土壤的自凈能力時(shí)，就會(huì)引起土壤的組成、結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，微生物活動(dòng)受到抑制，有害物質(zhì)或其分解產(chǎn)物在土壤中逐漸積累，最終會(huì)通過食物鏈傳遞等方式危害人類生存。土壤污染中污染物與污染形式復(fù)雜多樣，污染物來源探究也更加困難，利用鉛、碳元素等的穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)解析土壤污染源具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

胡恭任等[10]通過分析測(cè)定常見端元組分及表層沉積物的穩(wěn)定鉛同位素組成，利用鉛同位素示蹤法解析研究區(qū)內(nèi)沉積物中鉛的來源，結(jié)果顯示工業(yè)生產(chǎn)、污水排放以及汽車尾氣是潮間帶沉積物中的鉛的主要來源。靳宇蓉等[11]以黃土高原黃綿土作為研究對(duì)象，分別研究了降雨入滲以及地下水補(bǔ)給兩種不同的方式下土壤水分的遷移變化特點(diǎn)，結(jié)果顯示在降雨入滲作為土壤水分補(bǔ)給方式的條件下，δD隨著土壤深度增加呈現(xiàn)出減小→增大→穩(wěn)定的發(fā)展軌跡，并提出土壤水分蒸發(fā)分餾作用在降雨入滲補(bǔ)給方式下強(qiáng)于地下水補(bǔ)給方式。楊國敏等[12]利用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，分析了黑岱溝礦區(qū)排土場土壤水分的穩(wěn)定同位素特征，結(jié)果表明礦區(qū)降水中δD(氘)、δ18O(重氧)與降水量呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。

3.3 在食品安全中的應(yīng)用

利用穩(wěn)定同位素分析既能識(shí)別各種食品及農(nóng)產(chǎn)品是否存在摻雜，也能很好地追溯產(chǎn)地以及污染物來源等，在各類食品及農(nóng)產(chǎn)品溯源中占有重要地位。通過同位素技術(shù)進(jìn)行食品安全應(yīng)用主要是利用了同位素的自然分餾效應(yīng)，而地理?xiàng)l件、自然氣候、土壤及生物代謝類型等因素均會(huì)對(duì)同位素的自然分餾效應(yīng)產(chǎn)生不同程度的影響，最終使不同來源的同位素自然豐度存在一定差異，利用自然豐度的差異就能為各類食品及農(nóng)產(chǎn)品的溯源提供重要的信息。

產(chǎn)地環(huán)境污染對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全可造成直接或間接的影響，其主要表現(xiàn)形式有水污染、大氣污染和土壤污染等。水體污染主要有無機(jī)物污染和有機(jī)物污染，無機(jī)污染物主要有各種鹽類、硫化物、重金屬等；有機(jī)污染物主要有如多環(huán)芳烴、各類鹵代烴、多氯聯(lián)苯等。大氣污染物主要包括氮氧化物、硫氧化物以及碳?xì)浠衔锏?。農(nóng)業(yè)土壤污染主要是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的施肥、投放農(nóng)藥以及污灌帶來的各類土壤問題。各類污染源的交錯(cuò)使得農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程可能受到不止一種污染源侵害，而是多種污染源協(xié)同作用。在食品成分摻假和食品中污染物來源相關(guān)的食品安全保障和溯源工作中，充分發(fā)揮穩(wěn)定同位素技術(shù)的作用，針對(duì)當(dāng)前我國發(fā)展過程中各種食品安全事件的非法添加問題都可以有效遏制，同時(shí)可以利用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜對(duì)蜂蜜、茶葉、橄欖油等農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建一套檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的科學(xué)預(yù)警系統(tǒng)，從源頭控制農(nóng)產(chǎn)品的污染程度。

馬玉華等[13]利用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀對(duì)常見的7種植物油進(jìn)行了氫、碳穩(wěn)定同位素比值檢測(cè)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯著性差異分析，結(jié)果表明利用氫、碳穩(wěn)定同位素比結(jié)合實(shí)際分析能有效地辨別橄欖油摻假行為。Bi 等[14]采用鉛同位素指紋法對(duì)蔬菜中鉛污染來源進(jìn)行解析，結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)的廢物焚燒和工業(yè)生產(chǎn)是蔬菜中鉛的主要來源。

4 穩(wěn)定同位素技術(shù)發(fā)展前景

隨著穩(wěn)定同位素的種類不斷增加和同位素分離、檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，隨之帶來了精密度和可靠性的提升，穩(wěn)定同位素技術(shù)將會(huì)有更多的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)用范圍更廣。

氫穩(wěn)定同位素近年來被運(yùn)用于動(dòng)物遷徙習(xí)性方面的相關(guān)研究，但在國內(nèi)還處于起步階段，其實(shí)際意義不僅包括對(duì)動(dòng)物種群的遷徙、群落生態(tài)的研究，還包括對(duì)水環(huán)境污染的預(yù)測(cè)等方面。

在水文學(xué)研究中，同位素逐漸被應(yīng)用于流域水源過程示蹤研究，有效地解決了傳統(tǒng)流域模型中建模信息缺乏和對(duì)自然狀況模擬失真的重要問題，根據(jù)同位素的變化情況和所在位置可以有效地分析地表徑流的流動(dòng)方向等，在今后的水文研究中，穩(wěn)定同位素技術(shù)將發(fā)揮更為重要的作用。

5 結(jié)束語

穩(wěn)定同位素技術(shù)是目前國際上用于生態(tài)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、環(huán)境科學(xué)研究和食品安全等領(lǐng)域研究的最重要手段之一，并有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來國內(nèi)開展的各領(lǐng)域同位素研究在理論深度及實(shí)踐能力等方面也已經(jīng)得到了極大的提升。本文闡述了穩(wěn)定同位素技術(shù)的基本概念、檢測(cè)方法，總結(jié)了穩(wěn)定同位素技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境科學(xué)研究、食品安全的應(yīng)用情況，提出了穩(wěn)定同位素技術(shù)在這些領(lǐng)域的未來前景，旨在為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、環(huán)境科學(xué)和食品安全事業(yè)的進(jìn)步提供參考。