发布时间：2023-06-23
随着经济的快速发展，重工业和农业活动产生了过量的重金属 (HMs) 排放。HMs 进入到环境中后难以去除，从而在环境中长期积累，进而直接或间接地对生物和人类产生危害 (图 1)。无论是现在还是将来，控制环境中的 HMs 污染都是一项紧迫的任务。需要明确的是，控制 HMs 污染的首要任务是确定来源，这对预防和有效控制 HMs 污染极其关键。目前，稳定同位素技术具有较高的区分污染源的能力，能够较好地反映不同污染源的 HMs 迁移行为和贡献，已成为 HMs 污染源识别的热门研究工具。
基于上述背景，中国地质大学 (北京) 博士研究生王鹏与中科院生态中心胡健副研究员、天津师范大学柳听义研究员合作，以 Zn、Cd、Cr 和 Cu 四种金属同位素为切入点 (图 1)，回顾了稳定同位素的分馏机制以及环境过程对同位素分馏的影响，总结了金属稳定同位素比值的测量过程和要求，评估了同位素分析技术的校准方法和检测精度，整理了污染源过程中常用的二元模型和多元混合模型，重点讨论了不同金属元素在自然和人为条件下的同位素变化，最后评价了多同位素耦合体系在环境地球化学溯源中的应用前景。这项工作对稳定同位素在环境污染源识别中的应用具有一定的指导意义。
结果表明:
(1) 尽管同位素鉴定技术被广泛用于不同环境介质 (如，大气、土壤、沉积物和植物) 的污染源识别，但对生物样品的同位素研究相对较少。随着质谱分析技术的不断改进，同位素技术有着广阔的应用前景。
(2) 需要进一步研究生物或非生物介质中金属同位素的分馏，这可能为理解重金属污染物的污染源和汇转运机制提供关键信息。
(3) 为了阐明 HMs 在环境介质中的迁移和转化，有必要清楚地了解自然过程和室内实验过程之间的分馏差异，从而在它们之间架起一座桥梁。
(4) 特殊环境基质 (如，大气颗粒物、土壤和沉积物) 的潜在来源有三个以上的端元会使得稳定同位素技术只能用于识别污染过程，难以计算来源贡献。
(5) 使用单一同位素的污染源识别往往会识别一些重要的人为污染源，而弱化或忽略了其他潜在污染源。另外，自然样品中同位素组成的重叠效应会导致源识别结果的准确性下降。为解决上述问题，应用多同位素耦合来追踪 HMs 的污染源可能是一个更好的选择。
(6) 除了结合一些常规的数学模型外，还可以比较环境样品的物理性质 (如，颜色、形状、大小、密度) 和化学成分 (如，有机和无机的含量和比例)，从而提高同位素识别结果的准确性，进而为环境保护和污染控制提供科学依据。
图1 金属同位素识别重金属污染物来源及其在环境中的迁移转化过程
论文信息: Wang, P., Hu, J.*, Liu, T., Liu, J.K., Ma, S.R., Ma, W.M., Li, J., Zheng, H.Y., Lu, R., 2023. Advances in the application of metallic isotopes to the identification of contaminant sources in environmental geochemistry. Journal of Hazardous Materials, 458, 131913.