稳定同位素技术的应用及前景

蔡金王 刘 骏 韩宝武

(四川省南充生态环境监测中心站，四川南充，637000)

同位素定义为同一元素中具有相同质子数，但中子数却不相同的原子，互为同位素的同一元素原子质量不同。而稳定性同位素是指某些元素的同位素中不发生放射性衰变的一类，其原子核自合成以来就保持稳定结构，自1912年首次发现稳定性同位素20Ne和22Ne以来，被发现的稳定同位素已有270余种。有的元素的稳定同位素较多，如第50号元素锡含有10个稳定同位素；
而有的元素的稳定同位素却很单一，如铝、磷等。自20世纪70年代以来稳定同位素技术已成为生态学、环境科学和水文学等多个研究领域的重要技术手段。

稳定同位素检测方法主要有质谱法、核磁共振法、气相色谱法、光谱法和中子活性分析法等，其中比值质谱分析法是最常用、最精确的方法。原理则是利用不同元素的同位素在物理、化学和生化变化中会发生同位素分馏，导致同位素会以不同比例分配于不同物质之中，使同位素的自然丰度呈现差异性变化[1]。稳定同位素比值就是某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度之比，如15N/14N和13C/12C等，在实际测量中均采用相对测量法进行测量，即所测样品(Sample)与标准物质(Standard)的同位素比值比较结果就称为样品的稳定性同位素比值(δ值)，具体的定义式为：

其中，X代表某一元素重同位素(如13C、15N等)；
A表示重同位素与轻同位素的比值(如13C/12C和15N/14N)。当δ值为正值时，表明样品的重同位素含量高于标准物质的重同位素含量[2]。

3.1 在农业生产中的应用

3.1.1 科学施肥

湖北省农科院原子能所应用同位素示踪法、同位素比例质谱法研究了作物对化肥氮的吸收利用及其响影因子，了解了对作物施氮量过大、施肥次数过多并不能使作物增产的机理问题，以此为理论依据可以科学地指导对农作物氮肥的施用，并得到了氮肥挥发的淋溶损失规律。另外，研究还得到了提高化肥利用率的改进施肥技术：氮肥的深层和全层施用。这样可以提高氮肥利用率10%—12%，作物增产5%—16%。同时，选择合适氮肥形态和品种施用，还可以进一步提高氮肥利用率和作物产量。

郭智成等[3]利用稳定同位素技术，测定在不同氮肥处理条件下土壤和番茄中的δ15N值，通过设定相应的临界值，可以有效鉴别农产品的有机种植和非有机种植，对施肥进行精准把控。

3.1.2 生物固氮

利用稳定性同位素作为示踪研究，同位素比例质谱法分析，开展生物固氮研究已经相当成熟。在生物固氮量的测定、固氮机理研究以及固氮新品种的鉴定等方面稳定同位素技术都有着独特的优势。它是测定生物固氮量最直接、最有效的方法。

中国农科院原子能所等单位根据国内情况，用设计的密闭装置探索了红萍排氮，得知红萍排出的氮能被水稻迅速吸收。用类似装置鉴定了粪产碱菌、阴沟肠细菌和稻黄杆菌的固氮能力，发现粪产碱菌与阴沟肠细菌混合培养时，固氮能力远比单独培养时高。同时，还用15N天然丰度估测了结瘤作物的共生固氮量，为15N的天然丰度测量在生物固氮领域中的应用提供了依据。

陈盛保等[4]采用15N2稳定同位素的示踪技术，在海水培养体系中直接引入15N2，同时准确测量了培养体系底物的同位素示踪水平，从而得到了水体生物固氮速率，这对研究海洋新氮来源等相关课题有重要作用。

3.1.3 在农业等其他方面的应用

应用15N同位素在研究作物栽培、生理、生化，以及家畜、家禽和水产的饲料配方等方面也作了大量的研究。山东农科院原子能所等单位应用15N同位素示踪法研究了啤酒大麦籽粒蛋白质含量对啤酒质量所起的重要作用，研究植物生长调节剂784-1使花生增产的机理；
北农大应用15N同位素研究了烟草愈伤组织培养过程中对不同形态氮素的吸收利用及愈伤组织的生长分化；
新疆农科院应用15N同位素研究出辐照土壤能使作物增产的原因是提高了土壤An值的缘故；
江苏、河北农科院在棉花、春小麦、春季作物上进行了低丰度富集15N同位素肥料试验，为大幅度降低15N研究成本，普及15N同位素应用提供了依据。

3.2 在环境科学中的应用

由于有些污染源包含一个或多个特定的稳定同位素，这些稳定同位素在污染物的迁移与反应过程和结果分析中都具有相当好的稳定性，因此在环境污染物的源解析中应用较广。同时由于稳定同位素不会产生放射性污染的特性，近年来在环境监测中将稳定同位素作为示踪剂用于研究污染物迁移转化与无害化降解过程已经得到了大量应用。

3.2.1 在水污染中的应用

在水污染防治中，主要是利用碳、汞、铅、硫、氮等元素的稳定同位素作为示踪剂解析水体中的污染源，分析污染物在水体中随时间的变化规律，从而能详细地了解水体污染的全过程。

王静等[5]利用氮、氧同位素示踪技术对巢湖支流店埠河水体硝酸盐污染源解析的结果表明，店埠河水体中NO3-主要来源于土壤中的有机氮以及农用化肥和粪肥污水，同时利用稳定同位素混合模型(Stable Isotope Analysis in R)定量评价了在枯水期和丰水期不同类型污染源对水体中硝酸盐的贡献率。Chung等[6]采集了研究区域内的地下水水样，通过对水样中的硝酸盐δ15N值与相关联的潜在污染源的硝酸盐δ15N值进行比较发现化学肥料是引起研究区内水样硝酸盐污染的主要原因。Schlosser等[7]利用同位素示踪技术，用D/3He与H218O/H216O的比值来推测污染物在海水中的迁移转化途径及其停留时间，通过H218O/H216O分布来推断污染物以及淡水的迁移传输途径。

3.2.2 在大气污染中的应用

同位素技术是大气污染源解析的重要手段之一，碳、铅、硫等稳定同位素示踪技术可以清晰地反映污染物的迁移转化过程，其研究介质主要包括煤炭燃烧向大气中排放的硫化物中的硫同位素组成以及多环芳烃中的稳定碳同位素组成、汽油燃烧后排放的铅尘中铅同位素组成等。

陈颖军等[8]采集了生物质燃烧、民用燃煤和机动车尾气(其为我国3种主要的黑炭排放源)排放的烟尘样品，分析了总碳(TC)以及黑炭(BC)中的δ13C，3种排放源烟尘样品的δ13CBC与对应燃料有较好的一致性，且不同排放源之间的δ13CBC变化范围有较为明显的差别，由于各排放源在黑炭(BC)形成过程中存在不同程度的碳同位素分馏，而其中C4植物表现相对明显，各类排放源的δ13C数据库可为黑炭(BC)源解析提供依据。Zong等[9]相关研究提出结合氧同位素和贝叶斯混合模型计算同位素分馏系数的方法，可得到大气中NOX转化为气态HNO3的氮同位素分馏系数，进而可以对大气中硝酸盐污染物的来源进行解析。

3.2.3 在土壤污染中的应用

土壤污染是指人类生产、生活活动产生的各类污染物进入土壤中而导致的土壤性质恶化的现象。当土壤中有害物质过多，超过土壤的自净能力时，就会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或其分解产物在土壤中逐渐积累，最终会通过食物链传递等方式危害人类生存。土壤污染中污染物与污染形式复杂多样，污染物来源探究也更加困难，利用铅、碳元素等的稳定同位素示踪技术解析土壤污染源具有明显的优势。

胡恭任等[10]通过分析测定常见端元组分及表层沉积物的稳定铅同位素组成，利用铅同位素示踪法解析研究区内沉积物中铅的来源，结果显示工业生产、污水排放以及汽车尾气是潮间带沉积物中的铅的主要来源。靳宇蓉等[11]以黄土高原黄绵土作为研究对象，分别研究了降雨入渗以及地下水补给两种不同的方式下土壤水分的迁移变化特点，结果显示在降雨入渗作为土壤水分补给方式的条件下，δD随着土壤深度增加呈现出减小→增大→稳定的发展轨迹，并提出土壤水分蒸发分馏作用在降雨入渗补给方式下强于地下水补给方式。杨国敏等[12]利用稳定同位素示踪技术，分析了黑岱沟矿区排土场土壤水分的稳定同位素特征，结果表明矿区降水中δD(氘)、δ18O(重氧)与降水量呈现明显的负相关。

3.3 在食品安全中的应用

利用稳定同位素分析既能识别各种食品及农产品是否存在掺杂，也能很好地追溯产地以及污染物来源等，在各类食品及农产品溯源中占有重要地位。通过同位素技术进行食品安全应用主要是利用了同位素的自然分馏效应，而地理条件、自然气候、土壤及生物代谢类型等因素均会对同位素的自然分馏效应产生不同程度的影响，最终使不同来源的同位素自然丰度存在一定差异，利用自然丰度的差异就能为各类食品及农产品的溯源提供重要的信息。

产地环境污染对农产品安全可造成直接或间接的影响，其主要表现形式有水污染、大气污染和土壤污染等。水体污染主要有无机物污染和有机物污染，无机污染物主要有各种盐类、硫化物、重金属等；
有机污染物主要有如多环芳烃、各类卤代烃、多氯联苯等。大气污染物主要包括氮氧化物、硫氧化物以及碳氢化合物等。农业土壤污染主要是由农业生产过程中的施肥、投放农药以及污灌带来的各类土壤问题。各类污染源的交错使得农产品生产过程可能受到不止一种污染源侵害，而是多种污染源协同作用。在食品成分掺假和食品中污染物来源相关的食品安全保障和溯源工作中，充分发挥稳定同位素技术的作用，针对当前我国发展过程中各种食品安全事件的非法添加问题都可以有效遏制，同时可以利用稳定同位素质谱对蜂蜜、茶叶、橄榄油等农副产品产地溯源的数据库，创建一套检测技术及检测标准相结合的科学预警系统，从源头控制农产品的污染程度。

马玉华等[13]利用元素分析仪-稳定同位素比质谱仪对常见的7种植物油进行了氢、碳稳定同位素比值检测，并对测量结果进行显著性差异分析，结果表明利用氢、碳稳定同位素比结合实际分析能有效地辨别橄榄油掺假行为。Bi 等[14]采用铅同位素指纹法对蔬菜中铅污染来源进行解析，结果表明研究区内的废物焚烧和工业生产是蔬菜中铅的主要来源。

随着稳定同位素的种类不断增加和同位素分离、检测技术的不断进步，随之带来了精密度和可靠性的提升，稳定同位素技术将会有更多的应用领域，应用范围更广。

氢稳定同位素近年来被运用于动物迁徙习性方面的相关研究，但在国内还处于起步阶段，其实际意义不仅包括对动物种群的迁徙、群落生态的研究，还包括对水环境污染的预测等方面。

在水文学研究中，同位素逐渐被应用于流域水源过程示踪研究，有效地解决了传统流域模型中建模信息缺乏和对自然状况模拟失真的重要问题，根据同位素的变化情况和所在位置可以有效地分析地表径流的流动方向等，在今后的水文研究中，稳定同位素技术将发挥更为重要的作用。

稳定同位素技术是目前国际上用于生态学、水文地质学、农业科学、环境科学研究和食品安全等领域研究的最重要手段之一，并有着广阔的应用前景，近年来国内开展的各领域同位素研究在理论深度及实践能力等方面也已经得到了极大的提升。本文阐述了稳定同位素技术的基本概念、检测方法，总结了稳定同位素技术在农业生产、环境科学研究、食品安全的应用情况，提出了稳定同位素技术在这些领域的未来前景，旨在为我国农业生产发展、环境科学和食品安全事业的进步提供参考。