穩定碳·氮同位素在植物產地溯源中的應用

廖初琴，繆紳裕

(廣州大學生命科學學院，廣東廣州 510006)

近年來，隨著人們的食品安全意識以及對瀕危野生植物的保護意識不斷提高，農產品及珍稀物種的產地溯源也受到人們的高度重視。清楚地了解農產品以及珍稀物種的產地，一方面可以打擊假冒偽劣產品、打壓以次充好的現象，另一方面也可以更好地了解相關珍稀物種的生長環境以便做出相應的保護措施。與動物不同，植物在沒有人為移栽的情況下從種子萌芽開始都在一個地方固定生長，因此體內的穩定同位素組成與它的生長環境息息相關，也就是說植物體內的穩定同位素組成在一定程度上可以反映出其生長環境情況。想要更好的追溯農產品以及珍稀植物的源頭，當代的研究主要是通過研究植物組織中某一穩定同位素或者結合礦質元素來獲取相關信息，但是僅通過檢測分析單一穩定同位素或礦物質元素進行溯源會使結果出現較大偏差，成功率較低。產地溯源時所參考的指標均存在一定優缺點，例如δC可以綜合反映溫度等環境因子，但其在距離相近的地區之間差異不顯著，無法有效判別；δN是土壤氮來源、土地利用方式、耕作措施等的良好指示，但其同一個地區不同樣品間變異較大。由此可以看出穩定碳、氮同位素存在一定的互補性，且穩定碳氮同位素組成可用同一份植物組織或土壤等固體樣品中經穩定同位素質譜—元素分析聯用儀(EA-IRMS)被轉化為CO和N測試，從而得到樣品中的碳、氮百分含量及其穩定同位素值，同時測定，因此在今后可考慮將穩定碳、氮同位素結合起來進行產地溯源，這樣溯源結果的準確率比起單一使用碳、氮穩定同位素也會有所提高。

1 同位素的概念

同位素是指質子數相同中子數不同且在元素周期表中位置相同的不同核素。同位素按照穩定性強弱可分為穩定同位素和放射性同位素。該研究主要介紹在產地溯源使用較廣泛的穩定碳、氮同位素。碳同位素中的C屬于穩定同位素，與放射性同位素C不同的是，它進入植物體內不會自發地放出射線導致衰變且含量非常穩定。C進入植物體并形成植物組成物質過程的第一階段即大氣中的CO進入氣孔腔時，除受自身遺傳因素影響外，它還會受到與植物本身生長密切相關的地理和環境因子比如經緯度、海拔、大氣溫度、濕度、大氣CO濃度、光照強度、降水等的影響，這也就意味著在不同氣候環境條件下同種植物的穩定性碳同位素組成δC值也會存在較大差異，所以可以通過測定其在植物組織中和某些環境物質如土壤等的含量來揭示與植物生理生態過程相關的環境信息。

在植物生長過程中，氮是影響和限制植物生長的營養元素之一。氮同位素中N和N均為穩定同位素，常用N/N表示穩定氮同位素組成，以δN表示，一般采用空氣中氮為標準物質。植物組織中穩定性氮同位素組成δN在很大程度上受到植物本身類型和植物的生長環境如氣候條件、土壤狀況等因素的影響，造成其在不同地區間存在較大差異，即δN值在一定的時間和空間上也可以揭示與植物生理生態過程相關的環境信息，可作為產地溯源的指標之一。

2 同位素溯源的原理

穩定同位素分析目前已經越來越普遍應用于產地溯源，特別是在傳統分析方法不能提供明確結果的情況下。自然界中生物體與其生存的外界環境不斷進行物質交換，不同種類或來源的物質中的同位素受環境、生物代謝類型等因素影響會發生自然分餾效應，例如植物在固定CO時會因不同的光合羧化循環而發生碳分餾，進而使其自然豐度產生差異，這種差異因攜帶有環境因子的信息，能直接反映生物體所處的環境條件，因此可以通過這種差異來區分其可能的產地，從而實現產地溯源。換言之，產地溯源是根據自然分餾效應來實現的。自然生物體中穩定性同位素組成是物質的自然屬性，具有獨立性、不容易受人為因素的影響而被更改等特點，可作為物質的一種“自然指紋”來區分不同來源的物質。換言之，生物體中同位素指紋是外部環境在生物體中打下的“烙印”，因此可以把穩定同位素作為地理來源的過程指標和示蹤劑。

3 穩定同位素在植物產地溯源中的研究

溫周瑞等對貢湖灣、梅梁灣10種水生植物的穩定碳、氮同位素值進行了測定，研究表明水生植物不同種類之間、不同采樣時間和采樣點之間的穩定碳、氮同位素值不同，總體上季節性變化規律不明顯，空間變化有一定規律性。即高等水生植物的穩定碳、氮同位素能夠反映其生理生態學信息，因此今后在一定程度上可以根據穩定碳、氮同位素值對高等水生植物進行產地溯源。

Kornexl等測定了巴西等橙汁主要生產國橙汁中果肉的δC、δN 值，發現將δC值和δN值綜合起來可以實現特征聚類從而將不同產地的橙汁區分開，而僅憑單一的δC值或δN值不能。陳歷水等對哈爾濱、牡丹江、昌吉和塔城4個地區的黑加侖()的果實、樹葉、土壤和果汁進行了碳和氮穩定同位素比率研究，結果發現單一利用δC指標、δN指標對黑加侖果實整體的正確判別率分別為47.8%、80.8%，而綜合2個指標聯合分析黑加侖果實產地溯源的準確率達86.9%。Mimmo等比較了波爾察諾、費拉拉、烏迪內、維羅納4個地區的不同蘋果()品種的 δC、δN 值，發現 δC、δN 值能夠區分不同產地的蘋果，哪怕它們相距僅幾百千米，溯源準確率高達99%。王紅云等對河北省贊皇、行唐、阜平10個棗園的大棗()果肉中的δC和δN值進行了研究，研究表明利用穩定同位素技術對太行山中麓大棗進行產地溯源是可行的，同時使用碳、氮2種同位素比單獨使用其中1種同位素進行產地溯源的正確率更高。

在藥用植物方面，李國琛采集了遼寧、吉林、黑龍江、陜西、湖北、湖南和廣西7個省(區)的五味子()樣品，統計分析表明7個省(區)五味子δC值和δN均存在顯著差異，δC與δN是五味子產地溯源的良好指標。Maggi等通過分析希臘等4個典型產區的28個藏紅花()樣品的穩定碳、氮、氫同位素組成進行產地溯源，結果表明利用穩定碳、氮、氫同位素來區分藏紅花地理來源是一種準確率較高、較為可靠的手段。李輝等測定12個不同產區冬蟲夏草()以及3種亞香棒蟲草的δN和δC值，成功建立了氮穩定同位素比值分析技術方法對冬蟲夏草進行有效產地溯源。何忠俊等在獲得來自44個地區的3年生春三七()主根樣品數據的基礎上研究了49個生態指標與三七主根穩定碳同位素比率的數量關系，結果發現三七主根穩定碳同位素主要受到產地溫度狀況和經度的影響，因此可將其作為三七主根和相關產品產地溯源的主要指標，在實踐中可以結合其他溯源指標使用。杜華對四川峨眉山、四川洪雅、陜西鎮坪、云南貢山、湖北利川和重慶石柱等6個產地的103份黃連()樣品進行了穩定同位素分析，研究結果顯示δC與δN的組合圖可以對6個區域進行清晰分類，且比其他二維組合圖區分更有效。張文麗等對不同產地竹節參()進行穩定性碳、氮同位素組合，研究表明對中國湖北五峰、湖北利川、貴州畢節和日本秋田的竹節參可實現有效的地域區分。楊燕等對來自甘肅、四川和云南產地當歸()中δC、δN穩定同位素比率和碳、氮元素百分含量進行了測定，發現當歸中穩定碳、氮同位素等在多種環境因素共同影響下形成不同的“地域標簽”，表明δC、δN可能是當歸產地識別的重要指標。

在農作物方面，國內外則主要研究水稻()及小麥()2種糧食作物。Luo等通過元素分析—同位素比質譜法測定了來自我國江蘇省和山東省、澳大利亞、美國及加拿大的小麥樣品的穩定同位素δC、δN值，研究表明不同來源、不同類型樣品的δC和δN均值存在顯著差異，結合δC和δN值進行同位素分析可有效辨別來自不同地域的小麥樣品。劉宏艷等對來自3個不同省份的27份小麥及其制粉產品中的穩定碳、氮同位素進行研究，也得出相同的結論，即小麥及制粉產品中的穩定碳、氮同位素具有顯著的地域特征，可作為用來追蹤小麥及其制粉產品的原產地的有效指標。Wadood等對惠縣、楊凌、趙縣的全麥及其制粉的穩定碳、氮同位素進行了研究，結果顯示δC、δN對所有地區的樣品進行了正確分類且分類正確率達到了93.8%，δC、δN可作為區分小麥地理起源的有效工具。公維民等檢測分析了我國10種產自于不同省份的大米的穩定同位素δC和δN值，研究結果表明基于大米的穩定同位素碳、氮特性能夠實現對大米產地的溯源。除了水稻和小麥外，國內對馬鈴薯也進行了研究。張欣昕等對內蒙古、黑龍江、新疆、四川和廣東馬鈴薯()樣品的碳和氮同位素比值進行測定，發現不同地區的δC值和δN值存在顯著性差異，基本可以成功區分不同產地的馬鈴薯樣品，采用δC和δN建立的產地判別模型的判別正確率為82.0%，表明δC值和δN值的組成也可應用于馬鈴薯產地的鑒別研究。

4 結論與展望

國內外利用穩定同位素進行產地溯源已有幾十年，穩定同位素具有檢測靈敏度高、操作簡單快捷、適用范圍廣、不會給環境造成二次污染等優點，所以近年來對于這方面的研究和應用也越來越普遍、范圍也越來越廣。但目前對于利用穩定同位素追溯原產地大多還只停留在單一穩定同位素上，溯源的成功率還有待提升，而使用2種及2種以上穩定同位素或結合其他元素進行分析可能會有效地提高溯源的準確率。鐘敏對10份來自我國6個不同地區的大米的穩定碳氮同位素進行測定，結果表明單一使用δC或δN溯源結果成功率較低，而綜合使用穩定碳、氮同位素對大米產地溯源進行分析卻能獲得較好的結果。Miao等的研究結果表明，珠江口紅樹林濕地中不同生境下的無瓣海桑()、鹵蕨()、蠟燭果()的穩定碳、氮同位素組成存在較大差異，這可能是不同生境中的環境特征例如氮源存在的差異所引起的。Kornexl等認為將穩定性碳和氮同位素組合起來對于一個給定的地點來說更具特征，成功結合兩者將會是一種對植物進行產地溯源的有效工具。將穩定碳、氮同位素結合起來進行產地溯源研究可能會大大提高溯源成功率，這不失為一種快速建立同位素產地溯源數據庫的好辦法。目前穩定性同位素技術在植物上的研究大多專注于植源性農產品，對于野生瀕危物種的產地溯源相關研究較少，今后可加深這一方面的研究，有助于更好地保護相關物種。