专家观点 陈玖斌:土壤环境重金属污染的同位素示踪
北极星环境修复网讯:陈玖斌博士/教授
专家介绍:天津大学地层地球系统科学研究院教授,国家“杰出青年”科学基金获得者,中组部、科技部“万人计划”中青年科技创新领军人才,中科院“百人计划”研究员。获国际地球化学学会Kharaka奖。主要从事金属稳定同位素环境地球化学研究,建立了地质样品锌、汞、镓、锑等同位素分析方法,在有机络合、矿物吸附等环境过程金属同位素分馏机制、汞同位素非质量分馏机理、古气候重建以及土壤、河流、大气、湖泊等环境金属同位素应用等研究方面取得系列原创性成果,在NC、GCA、EST等高水平SCI期刊发表多篇学术论文。
研究背景
一、稳定同位素是地球化学的核心研究领域
稳定性同位素分传统稳定同位素和非传统(金属)稳定同位素,它几乎奠定了地球化学的发展格局,自上世纪三四十年代,传统稳定同位素CNHOS开始发展,仅仅5个同位素体系就大大推动了对地学各领域的认知,特别是为重大地质事件提供了关键性证据,这促使人们一直努力开发占周期表绝大多数的金属稳定同位素,以期获得更多突破。然而,直到上世纪末,新一代质谱仪的开发和应用,金属同位素才得到快速发展,成为一个新的前沿领域。
二、测试方法和理论体系尚处于初创阶段
金属同位素测试方法和理论体系尚处于初创阶段,表现在有三个方面:一些新的同位素体系亟待开发;许多同位素分馏机制还不明确;特定储库同位素组成还不清楚,制约了金属同位素在整个地球科学或者环境地球化学领域的应用,由此可以预见,金属稳定同位素有着巨大发展潜力和应用前景。
三、非传统同位素和重金属的同位素在地球环境科学的影响
1、非传统同位素-地球环境科学研究新地标
金属同位素可以用来“诊断”地球的“健康状况”包括:明确内部壳幔演化和岩浆活动;追踪表层与深层物质能量交换;厘定地表物质运移和环境变化;判定人类活动演变和生命健康。
2、示踪地表物质运移和环境变化
(1)判定气溶胶金属及其载体颗粒来源,完善全球尺度金属元素生物地球化。
(2)厘定河流金属元素来源及贡献比例,标定陆地向海洋输送的元素(如铁、锌)及同位素特征及通量。
(3)核定地质时期重大历史事件,佐证地球表层环境变迁。
3、判定人类活动与生命健康
(1)考古学中的应用:鉴别古代人类骨骼与其性别关系(Fe和Cu同位素);研究古代人类膳食的营养水平(Sr同位素);标记古代人类的生活踪迹(Pb同位素)。
(2)生命健康-全新的研究领域:根据食物同位素组成,推定食物来源产地,衡量居民营养结构(Fe、Sr);结合人体各器官同位素变化规律,推演个体基因类型差异下的新陈代谢过程(Fe、Zn);筛查特定组织金属同位素组成,进行特殊疾病(乳腺癌)的早期诊断(Cu、Zn)。
四、金属同位素在土壤环境研究中的应用前景
(1)示踪金属来源,进行定性甚至定量源解析。
(2)判定金属在(土壤)环境中的迁移转化过程(微观到宏观)。
(3)重建土壤形成的过程及环境、气候条件。
(4)生态效应及医学领域 -> 值得关注的新的应用方向。
五、同位素在土壤重金属污染研究中的优越性
(1)元素浓度(HPLC,ICP-MS,ICP-OES, TOC…)----可判定含量多少,但无法准确追踪污染来源和贡献比例。
(2)赋存形态(XRD, TEM, SEM, GC…)----可揭示存在形式,但不能判断污染程度和提供来源信息。
(3)物质结构(EXAFS, XANES, XAFS, FTIR…)----可确定存在位置和结构性质,但无法判定迁移转化过程。
(4)同位素可用来判定金属从微观到宏观的迁移转化过程,进行定性甚至定量的污染溯源,提供更直接、更可靠甚至排他性的源解析信息。
同位素示踪理论
一、锌同位素源解析前提
潜在污染源具有不同锌同位素组成,表生环境样品都具有明显锌同位素组成,尤其是自然源与人类污染源具有截然不同的同位素组成,可有效判定污染来源。
二、锌同位素分馏理论计算
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