综述：稳定同位素在污染物来源追溯和责任认定中的应用：以环境法医学为框架

《Process Safety and Environmental Protection》：Application of Stable Isotopes in Pollutant Source Attribution and Liability Determination: Under the Framework of Environmental Forensics

　　

杨旭倩|程宏杰|张琦|王伟|李晓静|赵倩|熊明敏

农业农村部农业环境保护研究所 / 农业农村部农业环境污染防控重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，中国天津市300191

摘要

环境法医学是一个新兴的跨学科领域，它应用法医学原理和方法来解决环境问题，其中环境损害评估是核心研究领域。同位素技术具有高灵敏度、强特异性和可追溯性等优势，有效支持环境损害评估的关键方面，包括因果关系的确定。本文系统回顾了稳定同位素在识别环境损害中的应用进展。文章概述了从整体同位素分析到化合物特异性同位素分析（CSIA），再到位置特异性同位素分析（PSIA）的技术演变过程。通过国内外典型案例研究，总结了同位素技术在四种污染情景下的具体应用模式，并提出了一种包括“端元混合模型、同位素分馏追踪和多同位素联合约束”的系统方法框架。为应对当前挑战（如单同位素系统的局限性、同位素指纹数据库发展滞后以及数据解释方法过于简化等问题），本文指出了未来的研究方向，包括开发高灵敏度的原位分析平台、建立综合多技术协同源解析系统以及构建大规模同位素指纹数据库。这项工作为提高环境损害评估结果的科学严谨性和准确性提供了理论支持。

引言

环境法医学是一个融合了环境科学、法医学、化学、生物学等领域知识和技术的新兴跨学科领域。通过分析生物样本中的化学元素和同位素组成，环境法医学可以推断个体的生活环境和行为模式。它主要研究和识别生态环境损害，包括责任方、损害程度、来源及损害评估，并在解决与环境相关的法律问题中发挥关键作用（Spikmans, 2019）。其核心任务是利用科学分析方法确定污染事件中的污染物来源、类型和地理位置。这有助于识别肇事者、事件发生时间、污染原因及范围及其对周围人类群体和生态系统的影响。环境法医学在污染案件中确定责任，为环境诉讼提供有力的证据支持（Murphy & Morrison, 2014）。随着环境问题日益复杂以及环境法律法规的不断演变，环境法医学的重要性日益凸显。

在环境诉讼案件中，准确可靠的环境法医学证据可以直接影响判决结果，确保污染者承担应有的法律责任并保护受害者的合法权益。环境法医学的核心任务是精确追踪污染物的来源，为环境监管和司法裁决提供科学依据。长期以来，传统的识别技术（如显微镜观察和化学指纹分析）在该领域发挥了重要作用。然而，当污染物在环境中迁移和转化时，这些技术常常面临“能识别形态但难以确定来源”的困境，导致其特征发生变化，从而阻碍了线索的追踪。目前，同位素分析技术显示出明显优势。它不依赖于污染物的外部形态，而是针对其内在的、难以伪造的“原子指纹”。同位素技术可以绕过环境过程，揭示污染物分子的来源，并提供有关工业过程的信息，在环境源追踪方面具有高灵敏度、强特异性和可追溯性。

同位素技术越来越多地应用于环境损害识别；然而，仍存在显著的研究空白和紧迫的挑战。首先，现有研究主要集中在使用δ13C或δ1?N等单同位素系统来识别硝酸盐或有机物的来源。但在涉及复杂多源污染的情景中，单同位素指纹往往无法实现精确的来源区分，因为不同污染源的同位素范围可能重叠，导致来源分配结果的不确定性（Keesari, 2024）。其次，非传统稳定同位素系统的研究仍处于起步阶段，相应的同位素指纹数据库的发展滞后，限制了其在复合重金属污染源解析中的应用深度。第三，同位素数据的解释主要依赖于传统的端元混合模型，这些模型往往无法捕捉高维同位素信息中的非线性关系和潜在模式。尽管机器学习方法在提高数据处理效率、预测准确性和稳定同位素应用中的机制洞察力方面显示出巨大潜力，但其应用仍受到数据稀缺、模型可解释性差以及可能导致不合理因果推断预测风险等挑战的阻碍。

自1996年同位素技术应用于环境法医学以来（Whittaker et al., 1996），随着同位素技术的快速发展，其在这一领域的应用越来越广泛。过去五年的相关文章数量几乎是1996年至2000年期间的10倍（图1）。鉴于同位素技术在环境损害评估中的重要性和应用潜力，系统回顾稳定同位素技术在环境损害识别中的应用进展并分析其优势和局限性对于推动该领域的理论创新和技术突破具有重要意义。本文分析了同位素技术在环境损害识别应用中存在的问题和不足，并探讨了该技术的未来研究和应用前景。这项工作对于提高环境损害识别结果的科学严谨性和准确性以及保护受害者的合法权益具有重要的实际意义。

章节摘录

确定环境损害因果关系的技术方法

环境法医学研究和调查关注所有导致生态和环境损害及生态服务功能下降的活动，以及它们的发生区域、潜在影响区和控制区（GB/T 39791.1-2020）。环境法医学研究污染事件中的关键因素，包括污染物性质、来源、迁移分布和责任归属（Stout et al., 1998）。其中，污染物的迁移、转化等

技术原理

同一元素的同位素具有几乎相同的化学性质。但由于中子数不同，不同同位素在环境过程中的行为各异。它们以不同的比例分布成两种物质或相——这种现象称为同位素分馏。同位素分馏导致不同储库之间的同位素组成不同。实际应用中，通常使用两种同位素之间的比率（R）来表示它们的相对

同位素技术在环境损害识别中的应用

基于同位素的方法已成为评估环境损害的成熟分析框架。在污染源相对明确的情景中，通常采用端元混合模型进行源解析。通过构建潜在污染源的同位素指纹库，并将其与质量平衡模型结合，可以定量分配各个端元的贡献，从而实现可靠的源归属。

尽管同位素技术经过多年发展，但单独使用时仍存在许多不足。特别是在稳定同位素技术方面，识别受污染区域中的污染物存在一定的困难。难以准确确定污染发生的具体时间和初始污染物量，需要结合多种分析方法进行综合分析。例如，在由多种因素引起的水污染中

在识别环境损害时，确定污染物的来源至关重要。同位素技术常与其他污染物的识别技术结合使用，以有效识别污染源、分析迁移过程和形成机制，并帮助提高污染源确定的准确性，解决复杂的环境损害识别问题（图6）。

同位素技术创新为追踪污染物和识别

展望

随着全球环境问题的复杂性和深度增加，精确、科学且快速地识别和追踪环境损害的因果关系已成为环境损害评估的核心要求。同位素技术凭借其独特的“自然指纹”属性，在揭示污染物的来源、迁移和命运方面展现出不可替代的优势。未来，这项技术将迎来前所未有的发展

作者声明没有竞争性财务利益。

(Ding, 2016; Li et al., 2024; Ma et al., 2020; Ma et al., 2016; M?kel? et al., 2023; Pontér et al., 2020; Shifrin, 2014; Wang & Chen, 2024; Zhao et al., 2016; Zhou, 2011)

杨旭倩：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据整理。李晓静：资金获取、调查、监督、撰写——审阅与编辑。张琦：软件、调查。程宏杰：调查、正式分析。赵倩：撰写——审阅与编辑、资源协调、调查、正式分析、概念构思。王伟：监督、资源协调。熊明敏：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

本工作得到了农业科技创新计划（CAAS-BRC-GLCA-2023-02）、天津市自然科学基金重点项目（23JCZDJC00480）和中国农业科学院创新计划（农业环境法医学团队）的财政支持。