稳定同位素工具在评估有机污染物自然和人工生物降解中的应用

稳定同位素工具越来越多地应用于污染场地有机污染物生物降解的深入评估。它们可分为三种方法：1)使用化合物特异性稳定同位素分析（CSIA）测定稳定同位素自然丰度的变化；2)检测稳定同位素标记的目标化合物将稳定同位素标记并入降解和/或矿化产物；3)使用稳定同位素探测（SIP）测定稳定同位素标记并入生物标志物。

稳定同位素工具已被用作多证据线方法（MLEA）的关键监测工具，用于敏感评估污染物的生物降解。Anko Fischer^[1]等人综述了CSIA、SIP和MLEA（包括稳定同位素工具）在土壤和地下水污染实地研究中评估有机污染物自然和人工生物降解的应用。

人类面临的一项重大挑战是清理世界各地受有机污染物污染的大量土壤和地下水。考虑到与传统修复策略相关的高成本和技术困难，利用自然或受刺激的生物降解（如生物刺激、生物增强、监测自然衰减- MNA）的措施已成为清理受污染场地的实用和可持续的方法。

基于生物降解的措施具有成本效益和较少的侵入性，可以以生态创新的方式显著降低污染场地的修复成本。然而，它们是知识密集型的，它们的应用需要对自然和工程情况下的现场条件有透彻的了解。

一个主要的挑战是提供生物降解过程的明确证据，并量化其对污染物去除的影响。除了生成水化学数据等常规方法外，还建议使用先进的监测工具来评估污染物的生物降解。

在这种情况下，稳定同位素工具已经获得了评估污染物生物降解的牵引力。有三种主要的稳定同位素工具：1)使用化合物特异性稳定同位素分析（CSIA）测定稳定同位素的自然丰度变化；2)检测标记化合物的稳定同位素融入降解和/或矿化产物；3)使用稳定同位素探测（SIP）追踪标记化合物的稳定同位素融入生物标志物（如脂肪酸、氨基酸、核酸）。

图1. 稳定碳同位素δ13c值在A)可忽略的转化产物积累的生物降解和B)转化链中的演化：具有显著转化产物积累的生物降解（如TCE还原脱氯为乙烯）。^[1]

对于传统的CSIA，有机化合物被转化为一种气体，其同位素比率是确定的（例如，碳的CSIA为CO₂，氢的CSIA为H₂）。由于全部转化为测量气体，因此无法确定目标化合物同位素特征的位置特异性变化。

因此，常规CSIA检测到的稳定同位素分异程度随着位于分子非活性部分的元素原子数量的增加而降低。例如，对于超过12个碳原子的有机污染物，无法检测到由于生物降解而产生的碳同位素分馏。未来位置特异性稳定同位素分析（PSIA）的发展可能使大分子的生物降解评价成为可能。

由于与浓度分析相比，CSIA的灵敏度通常较低，因此通常不能应用于具有痕量目标化合物浓度的样品。

图2. 基于¹³CO₂或¹³CH₄的检测，使用¹³C标记的目标化合物评估其矿化的实验室微观方法的概念。。^[1]

正如许多案例研究所强调的那样，稳定同位素工具能够全面评估污染地点有机污染物的生物降解。

特别是，当稳定同位素工具与MLEA中的其他互补监测方法结合在一起时，可以促进对生物降解过程的深刻评估，因为可以确认单一方法的发现并补偿局限性。基于对生物降解过程的更广泛的了解，可以设计更合适和有效的修复计划和场地管理概念，从而降低失败的风险和成本。

具有暂时较高分辨率监测的MLEA，特别是在试点试验或生物修复措施开始或MNA期间，将揭示潜在的局限性和低效率。因此，这使得能够在早期阶段制定对策，避免了大量后处理的额外费用。最后，建议将包括稳定同位素工具在内的MLEA纳入有机污染物污染现场评价和修复的全过程。

[1] Fischer, A., Manefield, M., & Bombach, P. (2016). Application of stable isotope tools for evaluating natural and stimulated biodegradation of organic pollutants in field studies. Current Opinion in Biotechnology, 41, 99-107.

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