《Frontiers in Environmental Science》：Mercury stable isotopes in human biomonitoring: source attribution, exposure pathways and monitoring readiness
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汞（Hg）污染仍是全球性的环境挑战，人体生物监测对于将环境污染与暴露途径联系起来至关重要。然而，头发、尿液和血液中的总汞及形态浓度往往无法区分重叠的污染源，也无法区分环境输入与生物加工过程。汞稳定同位素提供了额外的证据线索，因为质量相关分馏（δ202Hg）和质
汞（Hg）污染仍是全球性的环境挑战，人体生物监测对于将环境污染与暴露途径联系起来至关重要。然而，头发、尿液和血液中的总汞及形态浓度往往无法区分重叠的污染源，也无法区分环境输入与生物加工过程。汞稳定同位素提供了额外的证据线索，因为质量相关分馏（δ202Hg）和质量无关分馏（Δ199Hg、Δ201Hg和Δ200Hg）保留了关于污染源、环境转化和生物标志物化学性质的信息。本综述综合了经同行评议的汞同位素在人体生物标志物及相关暴露介质中应用的证据，重点关注来源归因、基质选择与监测就绪度。头发同位素测量目前为筛查来自鱼类、海洋哺乳动物和大米的膳食甲基汞暴露提供了最强有力的证据，尤其是与当地来源样品和汞形态分析相结合时。尿液更适用于无机汞和元素汞蒸气暴露，但证据基础较小，且受分析和生物学不确定性的影响更大。探索性定量综合包含360条提取的观测数据，汇总为26条研究/地点/生物标志物/来源记录。研究间异质性显著（I2普遍>95%）。留一法线性判别分析（LOOCV-LDA）的准确率为25.0%，平衡准确率为15.0%，均低于41.7%的多数类基线；留一参考法（leave-one-reference-out）准确率为16.7%。因此，同位素对比不应被视为通用的诊断性截断值。研究人员提出了一个明确的、有序的决策框架，用于在环境监测项目中部署汞同位素生物标志物，并确定了实现可重复来源归因所需的报告标准。这些优先事项有助于推动汞同位素应用从地球化学案例研究向经过仔细验证的环境污染监测工具转变。
1 引言
汞是一种全球分布的污染物，来源于自然过程、历史遗留污染以及持续的人为活动，包括燃煤、有色金属生产、废物焚烧和手工及小规模采金。人体暴露通过多种途径发生。甲基汞（MeHg）主要来源于鱼类、海洋哺乳动物和受污染稻田系统中种植的大米，而无机汞（IHg）和元素汞蒸气则与职业环境、牙科汞合金、美白产品、受污染土壤和工业排放相关。由于这些形态在吸收、分布、代谢和排泄方面存在差异，可靠的暴露评估需要同时考虑基质选择和化学解释。
传统的人体生物监测依赖于头发、尿液和血液中的总汞（THg）浓度，以及可获得的MeHg或IHg浓度。头发具有非侵入性，并在生长期间整合暴露信息，特别适用于膳食来源的MeHg。尿液更适合评估IHg暴露和体内负荷，因为无机汞通过肾脏途径排泄。血液反映近期暴露并可支持动力学解释，但在环境现场研究中较少获得。这些基于浓度的生物标志物在暴露源重叠、头发受到外部污染或内部去甲基化改变摄入与生物标志物浓度之间关系时，其效力受到限制。
本综述并非重复汞毒性或环境循环的一般性论述，而是评估汞同位素如何改进使用人体生物标志物的环境监测项目，以评估暴露途径、识别污染源并判断监测就绪度。汞暴露在妊娠期和儿童期尤为令人关注。本综述的独特贡献在于面向监测的综合分析，将生物标志物选择、同位素解释、分析就绪度、报告标准和环境污染应用联系起来。综述区分了定性来源归因或暴露途径推断与定量源解析：后者需要实测的、当地相关的端元、明确的混合模型、不确定性传播和敏感性分析。
2 文献检索与综述范围
于2026年3月23日在Web of Science核心合集、PubMed、ScienceDirect和Google Scholar进行了结构化文献检索。检索共识别出629条记录，去除76条重复后，553条唯一记录进入标题筛选。标题筛选排除517条，保留36条，最终14篇论文进入定量来源集。研究优先纳入满足以下至少一项标准的文献：在人体生物标志物中测量汞同位素组成；利用食物、环境介质或配对人体样本中的汞同位素评估暴露来源；开发与生物标志物同位素分析相关的分析程序；或讨论与人体暴露相关的生物分馏、毒代动力学或同位素混合模型。
对于汇编数据集，仅当同位素比值可关联到生物标志物或暴露介质、主要暴露来源类别以及足够的背景信息时才保留记录。视觉综合属于描述性分析而非正式荟萃分析。由于研究在生物标志物基质、暴露环境、分析工作流程和报告格式上存在差异，不适宜进行正式的诊断性荟萃分析，因此进行了探索性定量综合。
3 汞暴露评估的生物标志物
3.1 基质选择与暴露窗口
任何汞同位素测量的价值首先取决于所选生物标志物是否适合暴露问题。头发是同位素研究中使用最广泛的基质，易于采集、常温保存，并根据段长记录数周至数月的暴露。在食用鱼类或海洋哺乳动物的人群中，头发总汞通常以MeHg为主，可近似反映膳食MeHg暴露。然而，在大米消费或混合暴露人群中，头发可能同时包含MeHg和IHg贡献。尿液通常是非侵入性评估IHg和元素汞蒸气暴露的首选生物标志物，但尿液同位素数据集较小，且肾脏排泄可能施加额外分馏。血液提供近期暴露信息，但受样本可得性和低汞浓度限制。多基质设计在可行时更受青睐。
3.2 常规浓度生物标志物及其局限性
总汞和MeHg浓度仍是暴露评估的基础，提供剂量相关信息并可与健康指导值比较。然而，浓度无法唯一确定汞的来源。相同的头发总汞水平可能源于鱼类消费、大米消费、工业污染、职业暴露或这些途径的混合。对于同位素研究，浓度和形态数据应被视为共同要求而非可选背景。最强的暴露解释是在总汞、MeHg/IHg比例、同位素比值和暴露问卷同时评估时获得的。
4 汞同位素体系与分析工作流程
汞同位素组成通常相对于NIST SRM 3133报告。质量相关分馏以δxHg表示，通常为δ202Hg；质量无关分馏以Δ199Hg、Δ200Hg和Δ201Hg表示。奇数质量无关分馏（odd-MIF）对经历水生环境光化学转化的MeHg特别具有指示意义。分析上，大多数生物标志物研究使用冷蒸气发生联用多接收电感耦合等离子体质谱法（CVG-MC-ICP-MS）。由于人体生物标志物常含低汞浓度，分析不确定性可能成为来源归因不确定性的主要组成部分。化合物特异性稳定同位素分析日益重要，因为总汞同位素值可能合并同位素组成不同的MeHg和IHg库。
5 利用头发汞同位素进行来源归因与判别
5.1 鱼类和海洋食物网暴露
人体头发汞同位素最成熟的应用是识别来自鱼类和海洋食物网的MeHg暴露。鱼类来源的MeHg通常携带正奇数质量无关分馏特征，源自水生系统光化学反应并经营养级转移修饰。当可获得当地食物项目的同位素值时，解释最为有力。没有配对食物测量时，高Δ199Hg值可提示鱼类来源的MeHg，但无法总是区分海洋、淡水或混合水生来源。
5.2 大米来源的甲基汞暴露
大米来源的MeHg暴露在亚洲受污染的采矿和冶炼地区尤为重要。与鱼类不同，大米MeHg在稻田土壤和根际系统中形成，其同位素特征可能与水生食物网不同。来自大米暴露人群的头发可能表现出相对于鱼类消费人群较低或不同的奇数质量无关分馏模式。近期研究表明，当膳食信息和当地来源数据可用时，头发汞同位素可作为区分鱼类来源和大米来源MeHg暴露的非侵入性证据。
5.3 混合膳食与环境暴露
大多数真实人群并非通过单一途径暴露。在矿区附近居民中，可能同时消费当地种植的大米、受污染水体的鱼类以及受大气沉降影响的食物；工人可能吸入元素汞同时消费受污染食物。在此类情况下，定性来源归因或暴露途径推断可能可行，但定量源解析需要当地实测的、同位素可区分的端元、不确定性估计和明确的混合模型。
5.4 分组参考数据的探索性定量综合
为减少伪重复，将360条提取观测数据汇总为26条研究/地点/生物标志物/来源记录。来源组计数为：背景4条、无机汞12条、混合无机和有机汞5条、有机汞5条。探索性随机效应合并估计显示组间存在极端异质性，I2普遍大于95%。Δ199HgTot的最高合并值见于混合无机和有机暴露组（0.58‰），其次为无机汞（0.42‰）、背景（0.42‰）和有机汞（0.35‰），但预测区间宽且组间重叠。主成分分析显示PC1和PC2分别解释83.9%和16.1%的方差。LOOCV-LDA分类准确率为25.0%，平衡准确率为15.0%，低于41.7%的多数类基线；留一参考法准确率为16.7%。整体上，探索性综合支持来源筛查和监测设计，但不支持独立分类或定量解析。
6 监测设计的生物标志物选择
对于环境监测和暴露评估项目，最实际的问题不仅是汞同位素是否在来源间存在差异，还包括如何在监测项目中部署。生物标志物选择应由主要暴露假设、预期暴露窗口以及研究目标是识别来源、评估干预还是追踪内部加工过程所驱动。头发最适合膳食MeHg监测和回顾性暴露重建；尿液对IHg和汞蒸气暴露更具信息量；当暴露途径重叠或代谢可能模糊总汞同位素特征时，首选多基质设计与化合物特异性同位素分析相结合。
7 对环境污染监测项目的启示
当监测问题无法仅通过总汞、MeHg/IHg形态分析和暴露问卷回答时，汞同位素分析最为合理。推荐实际决策顺序：首先定义主要暴露假设并选择匹配暴露窗口的生物标志物基质；其次在解释同位素比值前测量浓度和形态；第三，在尝试来源归因时收集当地来源或端元样本；最后，明确报告不确定性并将同位素证据视为多证据评估的一个组成部分。
8 尿液汞同位素与无机汞暴露
与头发相比，尿液汞同位素研究较少，但对IHg和元素汞蒸气暴露至关重要。职业人群包括手工采金矿工、汞矿工、冶炼厂工人和牙科专业人员，可能通过吸入或皮肤及偶然摄入途径积累IHg。尿液总汞可指示暴露量级，而同位素比值在配对测量可用时可能有助于评估来源材料和内部加工过程。当前解释面临若干挑战：尿液汞浓度通常低于头发；尿液汞是肾脏处理产物，可能无法在无分馏情况下保留原始来源特征；许多现场研究缺乏空气、粉尘、产品和尿液的配对测量。
9 生物分馏与化合物特异性同位素分析
人体汞同位素生物监测的核心不确定性在于生物标志物同位素值是否保留暴露来源特征或受生物过程修饰。吸收、分布、蛋白结合、去甲基化、肾脏排泄和头发掺入可施加同位素分馏。动物和人体证据表明MeHg去甲基化可改变δ202Hg并改变膳食摄入与生物标志物组成之间的关系。化合物特异性同位素分析可减少歧义，因为MeHg和IHg在同一生物标志物内可能携带不同同位素特征。当前证据基础仍太小，无法建立通用校正因子，应避免声称单一δ202Hg位移唯一证明代谢途径。
10 质量控制与报告标准
为使汞同位素生物标志物被暴露科学接受，报告必须更加标准化。已发表数据集在采样位置、头发清洗方案、消解程序、浓度匹配、空白校正、同位素表示法、不确定性报告和元数据完整性方面存在差异。稿件至少应报告确切采样方案、头发段长和位置、美容处理筛查、清洗方法、消解和分离程序、总汞和MeHg/IHg浓度、带两倍标准误或两倍标准差的同位素比值、参考物质、程序空白、重复性能、定量限和完整暴露元数据。
11 证据强度、知识缺口与监测就绪度
为使框架可重复，每项应用在四个领域进行评估：人体数据集覆盖度、分析成熟度、来源特异性和监测就绪度。人体数据集覆盖度在至少两个环境中至少三项独立研究时评为强；分析成熟度在跨研究建立验证测量、质量控制和相关形态分析程序时评为强；来源特异性在配对当地端元和相关物种信息支持归因时评为强。对于头发/鱼类来源MeHg应用，人体数据集覆盖度和分析成熟度评为强，而来源特异性和监测就绪度评为中等。相比之下，尿液IHg和汞蒸气暴露同位素监测处于新兴而非成熟阶段。
12 未来研究方向
首先，该领域需要更大规模的配对人体-环境数据集。其次，化合物特异性汞同位素分析应从方法开发扩展到常规暴露应用。第三，必须通过受控动力学研究约束代谢分馏。第四，数据应更具互操作性，需要一致的元数据和不确定性报告。最后，同位素生物标志物应转化为决策相关工具，明确说明同位素测量能确定和不能确定的内容，以及不确定性如何影响来源归因。
13 讨论
汞稳定同位素为环境污染评估的人体生物监测增添了来源和过程敏感维度。头发同位素分析是目前最成熟的应用，特别是区分鱼类、大米和混合膳食来源的甲基汞暴露。尿液同位素分析对无机汞和元素汞蒸气暴露有前景，但在广泛监测使用前需要更多配对来源和生物标志物数据集。跨基质而言，当与汞形态分析、暴露元数据、当地端元和透明不确定性分析整合时，同位素解释最强。该领域正从概念验证研究向标准化监测框架发展，但目前定量证据未证明可靠的来源分类。汞同位素生物标志物可支持假设生成、来源筛查和监测设计，但不应作为独立诊断截断值或普遍可靠的定量源解析工具呈现。
