铅、锌、镉同位素示踪技术在沉积物重金属污染源解析中的应用:综述与展望

沉积物重金属污染防治的关键在于识别其污染源,采用铅、锌、镉多元同位素示踪技术是对其进行污染源解析的最佳手段之一。铅同位素示踪技术较为成熟且应用广泛,锌和镉同位素示踪技术作为新兴技术,在重金属污染源解析研究中可作为有力补充。本文系统概述了Pb-Zn-Cd同位素的示踪机理、组成特征及其在沉积物重金属污染溯源中的应用,提出未来研究工作的重点是采用多元同位素示踪技术,并结合沉积物形态中重金属稳定同位素的组成示踪污染源。

贵州纳雍枝铅锌矿床成因研究:来自镉同位素和微量元素的约束

纳雍枝铅锌矿床是贵州省内发现的第一个大型铅锌矿床,前人对该矿床进行过大量地质和地球化学研究,对该矿床成因有了一定认识,但其成矿金属来源,特别是其中稀散金属(如Cd)的来源却少有涉及。本文分析了该矿床硫化物和精矿样品的微量元素及镉同位素组成,结合该区域不同地质端元的地球化学数据,来探讨以Cd为代表的稀散金属来源。结果表明,样品的Zn/Cd值变化较大(377~953),均高于川滇黔地区沉积岩的Zn/Cd比值(13~367),而更接近火成岩的Zn/Cd值(515~1319)。精矿和闪锌矿样品的镉同位素组成(δ^(114/110)Cd_(NIST-3108))变化范围极小(-0.09‰~-0.05‰),与已获得的岩浆岩数据一致(-0.22‰~0.15‰),但明显区别于该地区的碳酸盐岩地层(-0.25‰~0.82‰)。结合精矿的Zn/Cd-δ^(114/110)Cd_(NIST-3108)关系图解和前人研究成果,本文认为该矿床金属成矿物质(如镉、铅等)主要来自基底。

镉同位素及其环境示踪

随着多道接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)的发展和广泛应用,镉(Cd)稳定同位素已成为当前非传统同位素地球化学的研究热点之一。本文对Cd同位素的分析方法、组成特征、变化规律、分馏机制及环境应用等问题进行了系统评述。总体来说,地球样品的Cd同位素组成(δ114/110 Cd)分馏较小(-2.47‰^+3.17‰),陨石等地外物质同位素分馏较大(-9.07‰^+16.13‰),已发现的分馏过程包括蒸发/冷凝过程、吸附沉淀/溶解过程、生物吸收过程。同时,Cd同位素作为一种全新的地球化学指标,可指示物源、天体演化、海洋初级生产力及营养物质循环、全球碳循环等过程;有效示踪环境介质与生物体中Cd的污染来源,为环境科学的研究提供新的视角和信息。

土壤样品镉同位素分析中Cd与Sn有效分离方法的改进

保证Cd的高回收率以及彻底的Sn干扰去除是获得精确镉同位素组成的前提,目前报道的多种Cd分离与纯化方法获得的Cd回收率有较大差异（42.6%~99.8%）,且去除Sn干扰的效果也不同（去除率在87.8%~97.4%之间）,Cd回收率和Sn去除率均不理想。本文对前人报道的分离方法进行对比实验,发现0.1 mol/L氢溴酸-0.5 mol/L硝酸是分离Cd和Sn的有效试剂,增加该组混合酸的用量可淋洗出样品中更多的Sn且不会损失Cd,当混合酸的淋洗用量增加至30 mL时,Sn的淋洗率达到99.8%以上,Cd的回收率亦达到99.0%±0.5%,可满足土壤样品镉同位素的测定要求。本工作为获得高精度的镉同位素组成奠定了基础,为研究土壤环境中镉的污染来源提供了技术手段。

高精度镉同位素分析样品消解方法对比研究

为考察不同消解方法的优缺点以及对不同基质样品(沉积物和大米)Cd同位素组成的影响,该文采用干法灰化法、酸提取法、微波消解法和高温高压密闭消解法等消解方法对水系沉积物(GSD)进行消解处理,比较了不同消解方法对沉积物Cd同位素组成测定的影响。随后使用微波消解法和高温高压密闭消解法对大米标准物质以及实际大米样品进行了消解。结果表明:高温高压密闭消解法所获得的沉积物Cd同位素测试结果在国内外文献报道的参考值范围内,能够满足同位素测定要求。而使用干法灰化法和酸提取法消解样品时,由于存在元素损失或消解不完全,标准物质Cd元素的回收率偏低(低至72.8%),导致同位素测试结果显著偏离真实值(Δ^(114/110)Cd值最大偏差达0.24‰)。微波消解法处理标准物质Cd元素的回收率在96.6%~98.8%范围内,且同位素测试结果与高温高压密闭消解法结果吻合良好(Δ^(114/110)Cd≤±0.04‰),表明微波消解法可以满足沉积物Cd同位素的测定要求,能够获得准确的Cd同位素组成数据。对大米标准物质和实际大米样品进行消解,所获得的Cd同位素测试结果与上述沉积物样品结果相同(Δ^(114/110)Cd≤±0.04‰),进一步验证了微波消解法的可靠性,证实微波消解法可用于沉积物及植物样品(大米)Cd同位素分析的快速消解。

镉同位素在古环境重建中的应用:以晚泥盆世弗拉期-法门期生物灭绝事件为例

磷(P)是海洋初级生物不可或缺的营养元素,现代海水中溶解态镉与磷的含量线性关系极好,表明镉可能作为海洋初级生物的营养元素而被利用。浮游生物优先摄取轻的镉同位素,使得海水中的镉同位素变化与海洋初级生产力的变化紧密相关。目前镉同位素已成功应用于二叠纪-三叠纪之交古海洋初级生产力的重建。广西桂林晚泥盆世弗拉期-法门期(Frasnian-Famennian,F-F)之交杨堤剖面的镉同位素数据显示,在F-F灭绝事件前,δ114Cd总体偏重(0.03‰~0.49‰),指示当时海洋具有较强的初级生产力;F-F之交,δ114Cd呈现负偏(-0.44‰^-0.01‰),表明这一时期海洋初级生产力显著下降;F-F灭绝事件后,δ114Cd又逐渐增大(-0.04‰~0.13‰),反映灭绝事件后海洋初级生产力的恢复。海洋初级生产力的下降,导致了海洋生态系统中的食物链受到破坏,从而引发了F-F之交的生物灭绝事件。

镉同位素分馏及其在示踪土壤镉来源和迁移转化过程中的应用进展

土壤镉污染已成为危害人体健康的主要因素之一,要实现精准、快速和有效地防治土壤镉污染,首先必须厘清土壤中镉的来源及其迁移转化行为。近年来,随着镉同位素分析技术的进步及其分馏机制认识的深入,镉同位素在土壤镉示踪中展示出了巨大的应用潜力。本文在前人研究的基础上,归纳了土壤样品镉同位素分析前处理方法以及测试技术的研究进展。对于基质复杂的土壤样品,高温高压密闭消解和微波消解可以满足其镉同位素测试要求。在分离纯化镉回收率足够、干扰元素去除彻底的情况下,应用多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)分析镉同位素并采用标准-样品匹配法、外标法或双稀释剂法进行质量歧视校正,均可获得较高精度的土壤镉同位素组成数据。同时,本文概括了土壤多个潜在镉源的镉同位素组成以及典型过程(风化淋滤、吸附、沉淀/共沉淀、络合)镉同位素分馏方向与程度。结合最新研究成果,总结了镉同位素在示踪土壤镉来源及其迁移转化过程中的应用。在未来的工作中,需进一步开发和优化高精度镉同位素分析方法,建立土壤镉同位素指纹图谱,揭示土壤多组分、多界面过程中的镉同位素分馏机制和特征。

镉同位素分馏在土壤-植物体系中的研究进展

镉污染土壤因其导致粮食作物超标以及通过食物链对居民健康构成威胁,引起了人们的高度关注。土壤镉的迁移转化、植物根部对镉的吸收、植物体内对镉的装载转运和贮存是土壤-植物体系镉生物地球化学循环的重要过程。近年来,稳定同位素分馏技术被广泛应用于土壤-植物系统中镉的迁移和储存,为研究镉在不同土壤库和植物部位中的迁移和转化提供了新的思路和视角。本文首先介绍了镉同位素组成分析的基本原理和方法;其次对土壤矿物溶解、共沉淀、吸附和有机质螯合配位等四个关键过程引起的镉同位素分馏方向和程度进行综述,并重点针对植物根部对镉的吸收、根部-地上部转运和籽粒储存等三个关键过程阐述植物体内镉同位素分馏机制;最后基于目前研究现状,展望了土壤-植物体系镉同位素分馏尚需解决的科学问题和未来的研究方向。有助于深入理解镉在土壤-植物体系中的生物地球化学过程与机制,以期为镉污染土壤的安全利用与治理修复、农产品减毒脱毒等应用技术的研发提供科学依据。

镉锌稳定同位素地球化学及其在土壤等地质体中的危害与治理研究进展

【研究目的 】镉、锌既是重要的矿产资源,也是有害的重金属元素。随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的发展,镉、锌等非传统稳定同位素体系的建立与应用使镉、锌地球化学研究水平迈上新的高度,镉、锌同位素体系建立与应用成为国际研究热点。【研究方法 】本文通过查阅大量镉、锌同位素的相关文献,从镉、锌同位素的分析方法、分馏机制、自然界储库组成及应用领域进行了综述。【研究结果 】(1)随着镉、锌同位素分析技术的不断改进,其同位素体系正在逐步建立;(2)地球各储库中的锌同位素组成已基本查明,镉同位素组成正处于数据积累阶段;(3)镉、锌同位素分馏机制主要包括吸附沉淀、生物作用、化学作用等,目前已逐渐被应用到指示行星分异、探明成矿机制、重建古环境、示踪污染源等多种领域中;(4)在解析重金属污染源时,多种同位素的联用有助于减小不确定性。【结论 】在新型同位素分析仪器和技术的开发下,镉、锌同位素的研究拥有更大的发展空间。未来的研究重点主要包括对镉、锌同位素分馏机制、部分储库含量、应用领域进行完善。

黔西北典型旱作土壤重金属镉污染及同位素特征分析

以黔西北土法炼锌集中区域外的典型旱作土壤为研究对象,分析了土壤的Cd含量和同位素组成。结果表明,研究区域土壤样品重金属Cd含量为1.79~3.36 mg/kg,超出《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)规定的农用地土壤污染风险筛选值和风险管制值4.97~10.20倍和0.26~1.24倍,超标率分别为100%和90%;土壤Cd的单因子污染指数均大于3属重度污染水平,平均地累积指数为1.31属偏中度污染水平,平均潜在生态危害指数为112属强的生态危害水平;土壤样品的δ^(114/110)Cd值为-0.34‰~-0.27‰,Cd同位素组成变化范围小且富集轻同位素;通过对比已有研究成果可知,该区域土壤Cd来源主要为铅锌矿区地质背景下的自然风化输入。

土壤中有机质镉的同位素组成特征:来自第一性原理计算的约束

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法来精确量化有机质表面配合物(OSCs)和金属-有机框架(MOFs)形成过程中产生的镉(Cd)同位素平衡分馏。计算结果表明,25℃下OSCs和水溶液之间的Cd同位素平衡分馏较小且无明显的选择性,Δ114/110 Cd_(OSCs-Cd(aq))=-0.34‰~0.02‰。相反,Cd^(2+)一旦从OSCs转换为MOFs时,Cd同位素将产生极大的分馏,Δ114/110 Cd_(MOFs-Cd(aq))=-1.92‰~-0.29‰。此外,Cd的第一配位层中出现的N和S原子越多,MOFs与水溶液之间的Cd同位素平衡分馏越大。计算结果范围覆盖了实验测定的表层土壤Cd同位素分馏,表明土壤有机质中Cd的不同赋存状态控制着其同位素组成。最后,这些分馏数据丰富了Cd同位素数据库,便于学者们定量地使用Cd同位素手段来限定Cd的迁移转化过程。

镉稳定同位素研究进展

Cd具有挥发性和亲硫性,在海洋环境中Cd为微量营养元素,而在生态环境及农业土壤环境中Cd为有毒元素。因此,镉同位素被应用于海洋科学、地球科学、环境科学及农业科学研究,并展现出巨大的应用潜力。本文总结了近年来富含有机质的环境样品、植物样品和生物样品的消解方法,以及Cd分离纯化及双稀释剂校正方法的研究进展。采用微波、高压灰化和高氯酸消解等样品前处理方法均可消除有机质对镉同位素测定的影响;基于AG MP-1(M)树脂-盐酸淋洗体系可有效分离基体及干扰元素,不会导致镉同位素分馏;^(111 )Cd-^(113 )Cd同位素双稀释剂校正体系的测试精度高,可达0.1εCd/amu。同时,本文阐述了镉同位素在海洋科学、地球科学、环境科学及农业科学领域研究的最新进展和认识。镉同位素已成功应用于构建海洋生物地球化学Cd循环体系、反演古海洋环境及初级生产力变化,硫化物矿床成矿流体演化、成矿物质来源示踪及不同成因矿床类型判别研究,环境体系Cd污染源的源区判别、农田面源Cd来源及其运移、循环及储存机制研究。本文提出需要进一步开展镉同位素分馏机制及分馏模型的研究,构建Cd稳定同位素地球化学体系。

镉稳定同位素在土壤-植物体系研究中的应用进展

随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的发展和广泛应用,镉(Cd)稳定同位素的研究进入了蓬勃发展的阶段,在示踪土壤-植物体系中的Cd污染来源和迁移转化过程等方面显示出巨大的应用潜力。详细阐述了Cd同位素的测定分析方法、分馏机制及在土壤-植物体系研究中的应用进展。提出今后需进一步研究的重点是:(1)植物不同器官、细胞等水平的Cd同位素组成及分馏机理,揭示植物对Cd的吸收和转运机制。(2)将土壤、植物与岩石、沉积物及地表水等库的Cd稳定同位素研究相结合,通过实验和理论计算建立Cd同位素分馏模型和质量平衡模型,加深理解土壤-植物-水-大气以及其他圈层间的Cd迁移转化过程。

Cd稳定同位素测试技术进展及其应用

Cd是个典型的分散元素,在不同地质环境下具有亲硫性、亲石性和挥发性。生物学上,Cd既是一个营养元素(其与营养元素P和Zn有着密切的关系),又是一个剧毒元素。因此,Cd同位素在宇宙地球化学、海洋科学、环境科学及矿床学中有着独特的应用优势并显示出巨大的应用潜力。本文在前人研究成果的基础上,结合笔者最新的研究工作,对Cd同位素的测试技术和手段等方面作了较全面的总结,内容包括Cd同位素化学前处理方法的研究进展、Cd同位素测试过程中仪器产生的质量歧视的校正方法。同时,亦对自然界样品中Cd同位素的组成、Cd同位素分馏机制及应用等方面做了评述。

土壤重金属污染源解析的应用与展望

综述了重金属污染物源解析方法,并对其优缺点进行了阐述、对比;其次,以铅(Pb)、镉(Cd)及锌(Zn)同位素示踪为例,对其同位素的表达、测定及应用进行了分析总结;最后,针对同位素示踪法在国内外重金属污染源解析中存在的不足,对同位素源解析的研究方向作了一些粗浅的展望,以起抛砖引玉之用。

镉元素的发现及其概念的发展

通过对镉元素概念发展历程的考证分析可知,19世纪初,随着科学思想和化学分析方法的发展,德国化学家斯特罗迈耶首次通过药物分析制取并命名镉单质。至1826年,瑞典化学家贝采利乌斯首次测定镉原子量,赋予镉元素新的含义。镉原子量测定以及元素周期表形成,使镉元素的概念和镉原子结合起来。1924年,英国化学家阿斯顿通过质谱仪发现了镉同位素,从而形成了现代的镉元素概念。总之,随着科学思想和方法的不断发展,镉元素概念的内涵也在不断发展变化。