基于薄膜扩散梯度技术的植物中放射性锶铅同位素特征预测及其生物有效性示踪研究

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Prediction of radiogenic Sr and Pb isotope signatures in plants using diffusive gradients in thin films

本研究针对土壤中生物有效性锶(Sr)和铅(Pb)同位素特征难以直接关联植物吸收的难题，开发了TK100型薄膜扩散梯度(DGT)技术，通过对比传统提取方法及多物种植物实验，证实DGT可精准捕获植物可利用的Sr、Pb同位素组成，为环境法医学、食品溯源及考古物源研究提供了创新技术支撑。

　　

放射性锶(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)和铅(²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb等)同位素比值如同自然界的“地质指纹”，因其在表生环境中具有稳定分馏特性，被广泛应用于生物迁移轨迹示踪、污染物溯源及考古物源鉴定等领域。然而，如何准确获取土壤中真正能被植物吸收的“生物有效性同位素特征”，一直是困扰研究者的技术瓶颈。传统土壤提取方法虽能测定全量或可提取态同位素组成，但操作步骤繁琐、基质干扰严重，且无法模拟植物根系的动态吸收过程，导致其预测植物同位素组成的可靠性存疑。

为突破这一局限，本研究创新性地将薄膜扩散梯度(Diffusive Gradients in Thin-films, DGT)技术应用于Sr、Pb同位素生物有效性评估。DGT技术通过扩散层和结合层模拟植物根系的吸收作用，可选择性富集土壤中易被植物利用的活性组分。研究团队选取了五种地球化学性质迥异的土壤（包括受铅锌采矿污染的土壤），分别使用TK100 DGT（新型锶铅选择性结合膜）和传统Chelex DGT进行部署，同步开展生菜、小麦、萝卜的盆栽实验，并对比了NH₄NO₃、NH₄OAc、EDTA等常规提取方法的结果。

关键技术方法包括：① 使用TK100与Chelex两种DGT装置同步采集土壤中labile（可扩散态）Sr、Pb；② 通过多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)高精度测定同位素比值；③ 结合化学提取（NH₄NO₃、EDTA等）及全土壤消解分析，系统比较不同方法所获同位素特征的差异性；④ 利用DGA树脂及prepFAST MC系统实现Sr、Pb的自动化基质分离。

土壤性质与DGT有效性评估

研究发现，TK100 DGT能显著降低Ca、Rb等基质的干扰，其测定的Sr同位素比值（δ(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)）与NH₄NO₃提取液高度吻合（R²>0.999），且Ca/Sr质量分数比降至54.4±12.6，远低于传统提取方法（300以上）。对于Pb，TK100 DGT在污染土壤（AS、MZ、PR）中测定的labile-Pb浓度显著高于Chelex DGT，且在酸化敏感土壤中能通过质子交换作用活化部分固相Pb，更真实地反映植物根际的微环境过程。

DGT与植物同位素组成的关联性

δ(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)在植物组织与TK100 DGT之间的平均差异仅为-0.26±0.38‰，且不同植物种类（生菜、小麦、萝卜）及部位（地上部/块茎）的同位素组成均与DGT数据高度一致。对于Pb，污染土壤中植物与DGT的δ(²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb)差异维持在0.20‰以内，证明DGT捕获的正是植物吸收的同位素库。尤为重要的是，萝卜块茎中Pb含量显著高于地上部，但两者同位素比值无显著分馏，说明植物体内Pb迁移过程未引起明显质量分馏效应。

技术优势与应用前景

相较于传统方法，DGT技术三大优势凸显：其一，所需土壤样品量少（约2克），且通过选择性结合层降低基质复杂度，更适合MC-ICP-MS直接分析；其二，能够反映根-土界面动态过程，尤其是TK100 DGT对Sr/Pb的选择性富集能力，避免了Chelex树脂中Ca²⁺、Mg²⁺竞争吸附造成的Sr低估问题；其三，在污染土壤中，DGT揭示的Pb同位素组成与植物高度吻合，而EDTA提取虽效率高但引入有机络合剂，增加后续处理难度。

结论与意义

本研究证实DGT技术尤其TK100型装置可作为一种可靠的“土壤-植物同位素传递桥梁”，精准预测植物中Sr、Pb的放射性同位素特征。该方法为环境污染物溯源（如矿区Pb迁移途径解析）、食品真实性认证（如特色农产品地理标志保护）及考古物源重建提供了更高效、直观的技术工具。未来需在更多自然土壤-植物体系及野外条件下验证其普适性，进一步推动DGT在生物地球化学循环研究中的广泛应用。

（论文发表于《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》）