综述：稀土元素作为新兴污染物：多源释放、地球化学示踪及其对环境监测和管理的启示

《Journal of Environmental Management》：Rare earth elements as emerging contaminants: Multi-source release, geochemical tracing, and implications for environmental monitoring and management

　　

摘要稀土元素（REEs）对绿色和高科技产业日益重要，但其用量的扩大导致了广泛的环境污染。本综述评估了 REE 的释放途径、追踪方法以及限制有效环境管理的知识空白。我们综合了采矿、农业、工业和医疗领域的 REE 输入情况。在多源混合环境中，重叠的地球化学特征使源识别变得复杂，这一挑战因全球 REE 回收率低于 1% 和耗散率超过 90% 而加剧。在此背景下，我们系统比较了一系列源追踪方法，包括 REE 异常计算、同位素追踪（如锶、钕和铅同位素）、受体模型（如正矩阵因子分解和化学质量平衡）以及形态分析（如高效液相色谱 - 电感耦合等离子体质谱和薄膜扩散梯度技术）。我们确定了两个主要的方法论瓶颈。首先，超过七种标准化系统和三十多种异常方程的泛滥导致结果在不同研究间难以比较。这一点因特定区域基线，特别是钆（Gd）的基线，而进一步复杂化。其次，主要依赖总浓度掩盖了 REE 的形态和生物有效部分。为了应对这些局限性，我们提出了一个分层监测框架，将筛查级别的异常检测与定量源解析相结合。该框架优先考虑标准化计算、本地基线映射和基于生物有效性的风险评估。推进 REE 治理需要从被动监测转向主动框架，将环境存在、地球化学追踪和基于生物有效性的风险评估联系起来。

引言稀土元素（REEs）通常被称为“工业维生素”或“新材料宝库”，由 15 种镧系元素（Ln，原子序数 57–71）、钪（Sc）和钇（Y）组成（Hatje et al., 2024）。基于电子构型和地球化学行为，REEs 通常分为轻稀土元素（LREEs，包括镧 (La)、铈 (Ce)、镨 (Pr)、钕 (Nd)、钷 (Pm)、钐 (Sm) 和铕 (Eu)）和重稀土元素（HREEs，包括钆 (Gd)、铽 (Tb)、镝 (Dy)、钬 (Ho)、铒 (Er)、铥 (Tm)、镱 (Yb) 和镥 (Lu)）（Dushyantha et al., 2020）。工业界通常采用三分法：LREEs (La–Pm)、中稀土元素（MREEs：Sm、Eu 和 Gd）和 HREEs (Tb–Lu)（Dashti et al., 2023）。鉴于 Y 具有类似 Ho 的离子半径，通常将其归入 HREEs，而由于 Sc 具有较小的阳离子半径和独特的化学行为，则单独评估（Hatje et al., 2024; Marshall and Marshall, 2001）。

“稀有”这一称谓是一个历史误称，可追溯至 1787 年在瑞典 Ytterby 发现 Y 之时（表 S1）（Behrsing et al., 2022; da Rocha et al., 2024; Marshall and Marshall, 2001）。REEs 在地壳中并不稀缺，而是广泛分散，很少形成富集的矿床（Van Gosen et al., 2017）。例如，平均 Ce 含量（～70 ppm）与铜相当，而 Tm（最稀有的稳定 REE）比银更丰富（Han et al., 2025b）。如今，“稀有”指的是由地理集中、经济可采储量驱动的战略脆弱性（Chen et al., 2024）。

REEs 的战略意义源于其不可替代的技术作用，这得益于其独特的磁学、光学和催化性质（Arshi et al., 2018）。传统上，其工业价值集中在磁性和清洁能源应用，Nd、Pr、Dy 和 Tb 用于永磁体，La 和 Ce 用于电池和催化（da Rocha et al., 2024; Zhao et al., 2025b）。在脱碳目标的推动下，REE 应用已扩展至建筑行业。据报道，基于 REE 的创新通过水泥补充剂（Zhang et al., 2025a）、耐腐蚀钢筋合金（Yang et al., 2025）和阻燃添加剂（Zheng et al., 2026）提供了一条互补的材料级途径。此外，Eu、Tb、Y 和 Gd 服务于专门的光学和医疗功能，包括磁共振成像（MRI）（da Rocha et al., 2024; Zhao et al., 2025b）。鉴于缺乏可行的功能替代品（Graedel et al., 2015）以及每年 5–10% 的需求增长（Han et al., 2025b），协调市场扩张与环境可持续性已成为一个关键的全球挑战。

REEs 的环境足迹始于开采过程中的土地清理和强化浸出（Han et al., 2025b）。然而，随着 REEs 从工业原料转化为下游产品，其战略效用往往掩盖了其生态风险。作为关键的“技术金属”，REEs 以微量水平（ppm 到 ppb）用于数十亿终端设备中（Barmettler et al., 2016; Marsh, 2026）。这种极端的分散性使得经济回收几乎不可行（全球回收率低于 1%）（Graedel et al., 2011; Marsh, 2026; Rizos et al., 2024）。因此，环境耗散率超过 90%（Zimmermann and G??ling-Reisemann, 2013, 2014），污染已从采矿点扩展到城市和农业生态系统（Ma and Wu, 2025; Zhang and Shen, 2026）。

尽管广泛耗散，但在扩散、多介质运输中追踪 REEs 仍然困难（Hatje et al., 2024; Helbig et al., 2020），分析方法的差异和主要依赖总浓度使这一挑战更加复杂。首先，多源输入（如农业肥料、医院废水和工业废水）产生重叠的地球化学信号。虽然人为 REEs 表现出独特的元素特征（Dang et al., 2025; Schmidt et al., 2019），但由于多样化标准化参考系统使用的不一致和超过 30 种异常方程，相同的数据集可能会得出不同的结论（Lawrence et al., 2006a; Rétif et al., 2023）。其次，常规监测主要依赖总浓度，忽略了形态和生物有效性（Viana et al., 2026），正如跨部门报告的以总浓度为主的数据所示（第 3 节 采矿活动作为 REEs 的点源：硬岩和离子吸附型矿床的释放指纹，第 4 节 农业分散 REE 释放：从肥料副产品到故意应用，第 5 节 工业活动中的 REE 释放，第 6 节 医疗 REE 足迹：作为持久人为特征的 Gd，第 7 节 来自不确定或混合来源的 REE 释放）。因此，环境治理必须从总负荷监测转向高分辨率异常追踪、基于生物有效性的风险评估和针对性缓解（见第 10 节）。为了应对这些挑战，本综述引入了一种分层框架，将物理释放途径与诊断追踪工具和风险指标相结合。

REEs 用量的扩大引发了综述文章的激增。然而，现有的综合主要集中在冶金提取（Jiang et al., 2026）、浸出机制（Han et al., 2025b）、回收技术（Joshi et al., 2025; Shao et al., 2026; Wu et al., 2018）、材料应用（Zhao et al., 2025b）或一般（生态）毒性（He et al., 2024a; Wang et al., 2025）。在环境领域，综合仍然碎片化，未能很好地整合物理释放途径与治理所需的诊断追踪和缓解工具。

环境 REE 文献在三条相互关联的研究路线中存在关键空白。首先，关于 REE 存在和生态风险的广泛概述缺乏对特定隔室释放和运输机制的系统综合（Gonzalez et al., 2025, 2026; Gwenzi et al., 2018; Patel et al., 2023; Sysolyatina and Olkova, 2022），对输入量化提供的指导有限。其次，方法论综述汇编了标准化公式或同位素示踪剂，而没有将其建立在特定的污染源基础上（Ali et al., 2026; Hatje et al., 2024; Rétif et al., 2023）。具体来说，Hatje et al. (2024) 强调宏观尺度的自然循环而非局部人为影响，而 Rétif et al. (2023) 将异常公式严格汇编为数学表达式，而没有在真实世界源场景下验证诊断准确性。Ali et al. (2026) 完全评估了同位素系统和受体模型（如正矩阵因子分解（PMF）和绝对主成分得分/多元线性回归（APCS/MLR）），但他们的综述仅限于城市环境，遗漏了农业、采矿和医疗来源，以及高效液相色谱（HPLC）和薄膜扩散梯度（DGT）等形态工具。然而，这些研究路线是脱节的：源评估缺乏分析严谨性，方法论评估忽略了真实世界基质，以前的综合很少将源解析与可操作的污染缓解联系起来。

为了弥合这些空白，本综述将采矿、农业、工业和医疗释放中的源 - 释放 - 运输途径与诊断追踪方法相结合。具体来说，我们的目标是：1) 在各种环境基质中建立针对源的标准化系统和异常计算方程选择矩阵；2) 结合多同位素指纹识别（锶 (Sr)、Nd 和铅 (Pb)）、受体模型（PMF、APCS/MLR 和化学质量平衡 (CMB)）和生物有效性形态（如 DGT）批判性评估先进的源解析工具；3) 提出一个综合监管框架，将地球化学指标转化为实际的缓解策略、基线建立和针对性污染管理。

章节摘要
文献搜索策略
本综述提供了关于 REE 来源、基于异常的追踪和缓解策略的批判性综合。因此，我们采用了一种主题驱动、多阶段的搜索策略，而不是严格的 PRISMA 协议，通过 Web of Science 和 Google Scholar 识别相关文献（1996 年 1 月至 2026 年 5 月）。起始年份对应于人为水生 Gd 异常的最初记录（Bau and Dulski, 1996）。搜索查询结合了主要术语（“rare earth elements”, “rare

采矿活动作为 REEs 的点源：硬岩和离子吸附型矿床的释放指纹
基于生命周期视角，REEs 通过三条主要途径进入环境：采矿/冶金过程中的活化、农业/城市活动的分散释放以及终端产品的耗散（Ma and Wu, 2025），大气和水体迁移作为主要的分散途径（表 1）。中国占全球 REE 产量的 60–70%（Han et al., 2025b）。因此，白云鄂博复杂矿床和中国南部离子吸附型粘土矿床（IACDs）

农业分散 REE 释放：从肥料副产品到故意应用
采矿和加工过程中 REEs 的环境释放是开采的非预期后果。然而，在农业中，存在一种悖论情况。自 1970 年代以来，中国率先应用 REEs 作为作物微量营养素以提高产量（Kastori et al., 2023; Tommasi et al., 2021），但这种做法带来了复杂的风险特征，由两种汇聚机制驱动：商业磷酸盐肥料中固有的 REEs 被动释放，以及 REEs 的故意应用 to

工业活动中的 REE 释放
REEs 本质上与铁 (Fe)、铌和磷酸盐矿物等矿物相关，并以显著浓度存在于煤炭中。除了采矿和农业外，水泥生产和石油精炼等行业代表了 REE 释放进入城市 - 工业循环的关键非采矿途径（图 1；表 1）。

医疗 REE 足迹：作为持久人为特征的 Gd
与其他 REEs 不同，城市水文系统中的正 Gd 异常主要源于通过市政污水处理厂（WWTPs）排放进入水生系统的医疗造影剂（图 1；表 1）。强顺磁性决定了 Gd 被螯合为高度稳定的有机络合物，如 Gd-二乙三胺五乙酸（Gd-DTPA），从而减轻游离 Gd3+ 在人体组织中的急性毒性（Birka et al., 2016）。

来自不确定或混合来源的 REE 释放
虽然特定的异常源于明确的驱动因素，但城市 - 工业 - 农业景观中重叠的输入汇聚到市政污水处理厂等共享通道中，掩盖了源解析（表 1）。

用于 REE 异常检测的标准化参考系统
在原始地质材料中，REEs 遵循特征的 Oddo–Harkins 丰度模式。它产生一种特征的锯齿状分布，其中偶数原子序数的元素自然比其奇数邻居更丰富（Goldschmidt, 1937; Xu et al., 2025）。地球化学过程或人类活动破坏这种规律性，产生定义为异常的偏差（Bau and Dulski, 1996; Taylor and McLennan, 1985）。这些异常是使用标准化 REE 异常计算方法进行识别的。

用于追踪 REE 来源和环境行为的异常计算方法
细微地球化学偏差的定量检测源于 Coryell et al. (1963) 开发的视觉比较图。现代数学方法通过对邻近的非异常元素进行空间插值来估计目标 REE 未受污染的地球化学背景。

用于 REE 监测的源解析技术和其他可用工具
如第 9 节所述，REE 异常计算是标记基线偏差和人为输入的不可或缺的一线筛查工具（Hatje et al., 2024; Rétif et al., 2023）。然而，在多源混合的城市 - 工业 - 农业景观中（第 7 节），重叠的特征阻止了单个源的解析或定量贡献估计。此外，异常不提供关于形态或生物有效性的信息，这对于生态和

环境追踪和管理的综合与启示
弥合检测和风险依赖于基于 DGT 的证据（第 10.4 节），综合 REE 来源、异常计算方法和互补追踪工具揭示了具有直接环境影响监测和管理的关键发现（图 3）。在整个本综述中，我们区分了人为 REE 信号的三个概念水平：1) 地球化学背景，反映自然岩源基线浓度；2) 人为标记，表示可检测的偏差

结论
本综述系统评估了 REE 异常作为诊断示踪剂，同时确定了限制其监管转化的方法论和概念瓶颈。

得出五个主要综合结论：（1）指纹特异性：人为稀土元素表现出特定行业的指纹特征，其中来自医学 MRI 造影剂的 Gd 代表了唯一的明确单一来源示踪剂（通常 Gd/Gd* 值 > 1000），而 La、Sm、Eu、Pr、Tb 和 Lu 作为可靠的次要或新兴示踪剂。

CRediT 作者贡献声明
韩永和：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，调查，形式分析，数据整理，概念化。邹明珠：写作 – 审阅与编辑，软件，形式分析，数据整理。关冬兴：写作 – 审阅与编辑，形式分析，概念化。李益希：写作 – 审阅与编辑，验证，形式分析。项平：写作 – 审阅与编辑，监督，形式分析。张勇：写作 – 审阅与编辑，形式分析。

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术声明
在本工作的准备过程中，作者使用了 Gemini 以提高手稿的可读性和语言质量。使用此服务后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42277013）和福建师范大学科技创新团队培养计划（Y0720409B06）的支持。

韩永和 | 邹明珠 | 关冬兴 | 李益希 | 项平 | 张勇 | 张红 | 陈志彪
中国福建省福州市福建师范大学环境与资源科学学院污染控制与资源再利用福建省重点实验室，350117