土壤 - 植物系统中潜在有毒元素的下一代同位素示踪：来源解析、迁移、生物有效性及方法学挑战

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Next-generation isotope tracing of potentially toxic elements in soil–plant systems: Source apportionment, transfer, bioavailability, and methodological challenges

　　

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  金属同位素可解析土壤-植物系统中潜在有毒元素（PTEs）的来源与转化过程。
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  大气沉降可主导特定作物系统中镉（Cd）和铅（Pb）的输入。
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  同位素分馏可揭示根系吸收及植物内部运输机制。
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  多同位素方法可提高来源归因精度，但需要明确的不确定性分析。
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  将同位素技术与分子工具相结合可推进靶向PTEs风险管理。

引言

潜在有毒元素（PTEs）污染因其持久性、生物累积性和毒性，对全球农业生态系统和人类健康构成重大威胁[1]。在土壤-作物系统中，镉（Cd）、汞（Hg）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、铜（Cu）和砷（As）等PTEs易于进入食物链，危害作物安全和农业可持续性[2]。过去几十年，由于人口增长，农业活动导致PTEs进入土壤的输入量不断增加[3]。中国是这一挑战的典型代表，快速工业化和集约化耕作使土壤PTEs水平升高，尤其表现在酸性土壤区域和对金属敏感的作物种植区[3]。人为活动，包括采矿、冶炼、施肥和大气沉降，是农业土壤中PTEs的主要来源。这凸显了准确识别来源和追踪途径以降低相关风险的必要性[4]、[5]、[6]、[7]。潜在有毒元素（PTEs）在土壤中的生物有效性是影响其被植物吸收及生态风险评估的最重要因素之一。它代表了化学上可被生物受体（主要是植物根系）吸收的PTEs部分，与元素总浓度或操作性定义的萃取组分形成对比[8]。土壤生物有效性是一个动态过程，受元素形态、土壤性质、微生物活性和植物生理过程的调控[9]。以往研究表明生物有效性具有重要相对意义，在一项涉及多种潜在PTEs超富集植物的植物提取研究中被证实，印度芥菜可通过改善受污染土壤，显著减少部分生物可利用组分，其效果远大于其他组分[10]。因此，评估PTEs的生物可利用组分，而非仅依赖总浓度，对于准确评价其迁移性、植物吸收及关联环境风险至关重要[11]、[12]。了解这些相互作用对于在受污染介质中开发有效的风险评估和修复方法具有重要意义[10]。

同位素示踪技术通过促进来源区分、过程特异性追踪和生物有效性评估，彻底改变了PTEs生物地球化学的研究。与受限于轻元素的常规稳定同位素（如δ2H、δ13C）不同[13]、[14]，自20世纪末以来，多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术的进步开启了高精度分析周期表中非传统同位素（如Zn、Cd、Pb）的大门[15]、[16]。这些"重"同位素在工业过程和生物地球化学相互作用中表现出独特的分馏模式，为分子尺度上的PTEs动态提供了机制性洞察[17]。例如，Zn和Cd的同位素比值（δ⁶⁶Zn、δ¹¹⁴Cd）现已成为区分大气排放和岩石学来源的稳健示踪剂，而Pb同位素（²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb）则可用于量化土壤中历史污染的贡献[4]、[6]、[17]。过去十年，同位素示踪已成为破译PTEs迁移途径、超富集策略和根际动员机制的基石，填补了环境归趋与风险管理之间的关键空白。使用δ符号表示相对于适当参考标准的质量相关同位素变化。对于Hg，使用Δ符号表示质量无关分馏，并描述与理论上预测的质量相关关系的偏差。

以往评估侧重于特定组分，特别是Cd和/或金属同位素分馏的个别特征以及铁源追踪。相比之下，本综述提供了对全土壤-植物连续系统中同位素应用的整合性、批判性综合，涵盖从通过土壤-根系转移进行来源分配，到植物内部再分配和多种PTEs（Cd、Zn、Pb、Hg、Cu和Ni）的生物有效性。我们重点关注：来源混合是否可与过程诱导的分馏分离；同位素混合模型的假设和不确定性；高精度稳定同位素测量；以及不同元素、植物-物种对、组织和环境条件下分馏模式的明显差异。本综述还纳入了多同位素系统、同位素稀释研究、X射线光谱方法（包括NanoSIMS）以及分子生物学和转运蛋白水平研究的新信息。因此，这一综合研究是面向过程而非描述性来源追踪，导致对同位素信号演变的机制性解释——从污染物起源到生物吸收再到食物链暴露。

章节片段

同位素示踪技术在土壤-植物系统PTEs来源研究中的应用

PTEs的来源分配是预防或减轻PTEs污染的关键步骤[18]。土壤中的PTEs可能来源于自然来源（土壤母质材料、残余生物质、岩石成因、风化、沙漠化、侵蚀等）和人为来源（采矿和矿石加工、冶炼、汽车尾气、大气沉降、废物处置、污水和施肥等）[19]、[20]、[21]、[22]。而传统方法，包括多元统计方法

同位素示踪技术在土壤-植物系统PTEs转移分析中的应用

PTEs在土壤-植物界面的迁移及其在植物体内的转运已知会产生PTEs同位素分馏，这被认为是PTEs在土壤-植物系统中的"足迹"。PTEs同位素分馏可能为植物中PTEs的吸收、转运途径和储存机制提供新见解，并有助于理解超富集植物PTEs耐受机制。土壤-植物系统中的同位素分馏可能难以解释，因为

同位素示踪技术在土壤-植物系统PTEs生物有效性研究中的应用

尽管同位素示踪技术推进了我们对PTEs在土壤中运输（包括向根际方向垂直迁移和横向运动）的理解，但环境风险也取决于这些元素在多大程度上变得生物可利用。运输将PTEs输送到根-土界面，在此处地球化学条件调控其形态、迁移性以及随后的植物吸收。基于同位素的方法可帮助区分这些过程，将环境

总结与未来展望

本文对用于研究土壤-植物系统中潜在有毒元素（PTEs）生物地球化学行为的同位素示踪技术进行了全面综述。它为来源识别、运输机制和生物有效性动态提供了有价值的见解。主要结论如下：(i) 来源分配依赖于稳定同位素比值来区分人为贡献（如冶炼、大气沉降）与岩石学来源。尽管

伦理审批与参与同意

本研究未涉及任何人体或动物实验。本研究分析的所有数据均来源于环境样品和二次来源。因此，本研究不需要伦理审批和参与同意。

利益声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本文报告工作的个人关系。

CRediT作者贡献声明

孙敬伟： 软件。王明辉： 监督指导。Muhammad Adnan： 撰写——初稿。Muhammad Ubaid Ali： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。于瑞莲： 资金获取，形式分析。秦学怡： 撰写——初稿。燕宇： 形式分析。胡公任： 监督指导。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（42377244）、福建省自然科学基金（2022J01313，2025J09043）以及华侨大学科研启动基金（24BS133）的支持。

Muhammad Ubaid Ali | 秦学怡 | 于瑞莲 | 胡公任 | 燕宇 | 孙敬伟 | Muhammad Adnan | 王明辉