重金属污染对生态环境、农产品质量和人类健康构成了重大挑战。为了应对这一问题，明确土壤中重金属的来源和迁移路径，并实施持续且精确的治理与修复措施，已成为我国面对重金属污染现状的重要任务。不过，对于重金属在农田中的某些迁移转化过程，例如吸附与解吸、络合与螯合、沉淀与溶解等，我们仍缺乏足够的了解。稳定同位素技术为解析这些过程提供了有力工具。郭庆军的研究团队使用非传统稳定同位素（如镉和锌的同位素）来研究铅锌矿区附近农田土壤-植物系统中元素的迁移转化过程及其同位素分馏机制，旨在为控制和治理重金属污染提供科学依据。他们的研究取得了以下成果：
利用多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)技术，研究团队针对铅锌矿区受污染的农田土壤进行了调查，确定了锌同位素的组成和不同来源的贡献比例，阐明了锌元素迁移转化过程中的同位素变化规律。研究显示，锌同位素的分馏主要发生在土壤表层0至30厘米深度范围内，其主要受到土壤原始状态和尾矿的影响，而大气沉降和人为施肥的影响相对较小。锌在迁移过程中主要以可交换态、有机态和残留态存在，其中，有机物质的吸附作用和淋滤作用是导致锌同位素分馏的关键因素，而无机矿物的吸附作用影响较小。
通过纳米二次离子质谱(NanoSIMS)和MC-ICP-MS等技术的应用，研究团队选择了云南、河南和北京地区不同程度重金属污染的农田土壤为研究对象，分别采用了超积累植物（如东南景天）和耐性植物（如八宝景天）作为修复材料，通过向土壤中添加根际激活剂，研究了两种植物在不同污染水平下细胞内的元素分布和Cd同位素特征。研究发现，八宝景天能够通过细胞壁上的沉淀/吸附以及细胞内部区域的分布机制来抵抗Cd的毒性。此外，研究还发现含有氧/氮官能团的有机物更倾向于螯合较重的Cd同位素，而含有硫基团的化合物则优先螯合较轻的Cd同位素。这表明，有机配体在土壤-植物系统中Cd的同位素分馏和累积过程中发挥着关键作用。
上述研究在国际主流期刊《Environmental Science & Technology》和《Journal of Hazardous Materials》上发表，题为Impact of rhizosphere biostimulation on Cd transport and isotope fractionation in Cd tolerant and hyperaccumulating plants based on MC-ICP-MS and NanoSIMS和Study on the variation mechanism of Zn isotope in polluted farmland soil的研究论文。获得了国家自然科学基金（联合重点基金、面上基金）、科技部重点研发等项目资助。
图1 根际活化对超富集植物及耐性植物Cd转运和同位素分馏影响的机制示意图
图2 本研究被选为Environmental Science & Technology副封面Supplementary Cover文章
图3 铅锌矿区不同端元的锌同位素组成及锌同位素在农田土壤中的迁移转化
