硫驱动镉同位素分馏效应：唐南膜技术揭示低分子量有机配体的关键作用

《Environmental Science & Technology Letters》：Sulfur-Driven Cadmium Isotope Fractionation by Low-Molecular Weight Organic Ligands: Experimental Evidence from the Donnan Membrane Technique

本研究发现含硫有机配体DMPS可诱导显著的镉同位素分馏（Δ114/110CdCdDMPS–freeCd= -0.66‰），而含氧氮配体EDTA无显著分馏效应。该成果通过唐南膜技术（DMT）首次实验证实硫配体对轻镉同位素的选择性结合是植物根茎中镉滞留的关键机制，为重金属生物地球化学循环研究提供了重要同位素分馏参数。

　　

硫驱动镉同位素分馏的低分子量有机配体机制：唐南膜技术的实验证据

引言

镉（Cd）作为对人体具有毒性的痕量元素，长期积累可导致肾功能损害并被归类为致癌物。这种污染物普遍存在于环境中，既可能天然存在于土壤，也可能通过含镉的磷肥无意间施加到土壤中。尽管镉对作物非必需且具有高毒性，却能轻易被植物吸收并转运至可食用部位，包括主粮作物。因此，理解控制镉在作物中传输的生物地球化学过程至关重要。

先前研究表明同位素过程示踪是研究这些过程的新途径。对于镉，多项研究提示硫醇（thiols）在控制作物中镉滞留、转运和同位素分馏方面起重要作用。在大多数作物中，轻镉同位素被保留在茎部和根部。结合同位素与形态分析的研究表明，水稻根部轻镉同位素的封存与镉同有机配体硫醇基团（R-SH）的络合有关。在一项研究中，水稻茎部异常富集轻镉同位素。基因表达分析显示，镉与富含硫醇的蛋白CAL1的结合促进了轻同位素的优先传输。这些结果表明镉与硫醇的络合和螯合可能是作物中镉同位素分馏模式的主要驱动因素。基于密度泛函理论（DFT）计算的数据解读提示，轻镉同位素优先与有机配体的硫（S）供体原子（即硫醇）结合，而重同位素优先与氧（O）和氮（N）供体结合。然而，迄今为止，尚缺乏关于镉与有机配体络合平衡同位素分馏因子的实验证据，这类分馏因子对于可靠解读复杂生物系统中观察到的同位素分馏模式至关重要。

材料与方法

本研究采用唐南膜技术（DMT），该装置包含供体侧、受体侧和阳离子交换膜（即唐南膜）。这些隔室通过管路和蠕动泵连接，形成供体侧和受体侧的循环流动。由于阳离子交换膜带负电，仅阳离子可从供体侧传递至受体侧，而络合的镉无法通过膜。当供体侧和受体侧的自由Cd²⁺浓度相等时，装置达到唐南平衡，可测量供体侧（络合镉和自由Cd²⁺）和受体侧（自由Cd²⁺）的同位素组成。

为确定镉与这些配体络合诱导的平衡同位素分馏，制备了不同配体/镉混合溶液，其中自由Cd²⁺比例在5%至60%之间变化。所有供体溶液中的总镉浓度恒定为15 μmol/L，而EDTA和DMPS的浓度在6.0至14.3 μmol/L范围内变化。基于先前理论研究，镉与EDTA形成Cd(EDTA)^2–络合物，其中镉以六配位与EDTA的四个氧和两个氮原子结合。镉与DMPS预计形成Cd(DMPS)(H₂O)₂^–和Cd(DMPS)₂^4–络合物，其中镉以四配位与DMPS的硫醇基团结合。初始受体溶液包含2 mmol/L Ca(NO₃)₂，但不含镉和配体。供体和受体初始溶液的pH值设定为7，以模拟胞质条件，所选的高钙镉比反映了植物组织中主要金属养分和镉的浓度。

样品制备与镉同位素分析采用双稀释剂技术和镉纯化方案。纯化样品的镉同位素组成使用高分辨率多接收器电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICPMS）测定。仪器质量歧视通过双稀释剂以及每五个样品使用NIST 3108进行标准-样品-标准 bracketing 技术校正。对参考标准溶液Münster Cd、BAM-I012 Cd和标准镉溶液的重复分析显示出高精度和分析精密度为δ^114/110Cd = 0.06‰。

计算与统计

样品的镉同位素组成相对于标准NIST 3108以千分差（δ）表示。在唐南平衡时，测定供体、受体和膜浸出液中的镉同位素组成。随后应用同位素质量平衡计算供体溶液中络合镉组分的同位素组成。表观镉同位素分馏（络合镉与自由Cd²⁺之间）通过络合镉与受体侧自由Cd²⁺的同位素组成差异近似求得。同位素分馏的误差条基于实验重复的标准偏差进行传递。

结果与讨论

镉与有机配体络合的镉同位素组成

由于三项预测试均未显示关于镉同位素分馏的显著人为误差，唐南膜技术可用于测定Cd–EDTA和Cd–DMPS络合物的平衡同位素分馏因子。对于EDTA，供体侧测量的镉同位素组成平均比受体侧轻0.08‰。然而，计算得到的Cd–EDTA络合物的同位素组成（平均0.03‰）在0.06‰的分析精密度范围内，与初始镉储备溶液（0.06‰）以及供体溶液中的镉同位素组成（0.03‰）均无法区分。对于DMPS，受体溶液（0.47‰）和Cd络合物（-0.18‰）中的同位素组成与相应供体溶液（0.03‰）可区分。该评估表明，具有O/N供体（Cd–EDTA）和S供体（Cd–DMPS）的有机配体之间的镉同位素分馏存在显著差异。

Cd–EDTA络合物与自由Cd²⁺之间的表观同位素分馏（Δ^114/110Cd_{CdEDTA–freeCd}）平均为-0.08 ± 0.12‰。然而，该表观分馏在统计上不显著，因为自由Cd²⁺和Cd–EDTA络合物镉同位素组成的传递误差条存在重叠。相比之下，理论计算预测Cd–EDTA络合物相比自由Cd²⁺有轻微的重同位素富集（0.07至0.09‰）。但当应用包含溶剂模型（CPCM）的理论计算时，同位素分馏转向略微负值（-0.04‰）。考虑到理论预测和实验唐南膜方法的不确定性，两种方法间的差异可忽略。

Cd–DMPS络合物与自由Cd²⁺之间的镉同位素分馏（Δ^114/110Cd_{CdDMPS–freeCd}）平均为-0.66 ± 0.20‰，约为分析精密度0.06‰的10倍。应用DFT的理论研究预测Cd–DMPS络合物与自由Cd²⁺之间的同位素分馏范围在-0.97‰至-0.53‰之间，与本实验结果一致。EDTA和DMPS之间显著的同位素分馏可能与O和N供体相比S供体具有更高的电负性有关。因此，O和N供体形成更短且可能更硬的键，从而相比S供体优先结合更重的镉同位素。此外，与环境（包括土壤和植物）中观察到的镉同位素分馏范围相比，通过镉与硫醇络合诱导的同位素分馏是巨大的。总体而言，本研究与先前的理论研究清晰地表明，具有O/N供体的有机配体对镉的螯合几乎不引起或仅引起微小的同位素分馏，而具有S供体的配体对镉的螯合则强烈地使镉同位素分馏向轻同位素方向进行。

Cd–硫醇络合物在植物镉同位素分馏中的作用

本研究确定的平衡同位素分馏因子可进一步推动镉同位素过程示踪在植物及其他领域的应用。例如，植物器官及其亚区室中自由Cd²⁺（及其他痕量金属）的浓度部分受可溶性有机配体控制。其中，具有S供体的有机配体，如植物螯合素（phytochelatin），被认为在螯合镉方面起重要作用，从而最小化活性Cd²⁺的浓度。此外，这些配体有助于镉在胞质和/或亚细胞区室（如根液泡）中的封存。因此，硫醇减少了镉从根部向可食用植物部位的转移。鉴于镉被硫醇螯合诱导强烈的向轻同位素的分馏，小麦、大麦、水稻、豆类以及可可幼苗的根部相对于茎部强烈富集轻镉同位素的现象，可以通过Cd–硫醇络合物以及这些络合物在液泡等处的封存来解释。此外，该同位素分馏因子也支持了促进水稻根-茎传输的蛋白CAL1的解释。该蛋白在非淹水水稻生长条件下编码，同时茎部镉浓度增加。这些变化诱导茎部镉同位素向轻同位素方向转变。结合本研究结果，这种转变可解释为优先结合的轻镉与CAL1络合，随后该镉结合蛋白被转运至茎部，镉在茎部被封存。

环境意义

实验确定的镉同位素分馏因子揭示，在胞质pH条件下，具有S供体原子的低分子量有机配体优先螯合轻镉同位素。相比之下，含有O和N供体原子的螯合分子（EDTA）未观察到显著同位素分馏。这些发现强调了镉同位素分馏与镉形态之间的联系，以及后者在限制镉向食物链转移中的作用。除了植物，动物或微生物也能合成硫醇以解毒镉。对于后者，报道的镉同位素模式也指向硫醇在镉解毒中的重要作用。此外，来自死亡生物体（如植物和微生物）的硫醇持续存在于土壤等环境隔室中。在那里，硫醇能与污染物镉的相当大部分形成络合物，从而可能改变其生物有效性和在土壤剖面中的迁移性。因此，如本研究那样扩展同位素分馏因子数据库，是应用同位素示踪以增进我们对环境中污染物镉的生物地球化学循环理解的关键前提。