廖初琴，繆紳裕

(廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510006)

近年來，隨著人們的食品安全意識(shí)以及對(duì)瀕危野生植物的保護(hù)意識(shí)不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品及珍稀物種的產(chǎn)地溯源也受到人們的高度重視。清楚地了解農(nóng)產(chǎn)品以及珍稀物種的產(chǎn)地，一方面可以打擊假冒偽劣產(chǎn)品、打壓以次充好的現(xiàn)象，另一方面也可以更好地了解相關(guān)珍稀物種的生長環(huán)境以便做出相應(yīng)的保護(hù)措施。與動(dòng)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(gè)地方固定生長，因此體內(nèi)的穩(wěn)定同位素組成與它的生長環(huán)境息息相關(guān)，也就是說植物體內(nèi)的穩(wěn)定同位素組成在一定程度上可以反映出其生長環(huán)境情況。想要更好的追溯農(nóng)產(chǎn)品以及珍稀植物的源頭，當(dāng)代的研究主要是通過研究植物組織中某一穩(wěn)定同位素或者結(jié)合礦質(zhì)元素來獲取相關(guān)信息，但是僅通過檢測分析單一穩(wěn)定同位素或礦物質(zhì)元素進(jìn)行溯源會(huì)使結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，成功率較低。產(chǎn)地溯源時(shí)所參考的指標(biāo)均存在一定優(yōu)缺點(diǎn)，例如δC可以綜合反映溫度等環(huán)境因子，但其在距離相近的地區(qū)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(gè)地區(qū)不同樣品間變異較大。由此可以看出穩(wěn)定碳、氮同位素存在一定的互補(bǔ)性，且穩(wěn)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(jīng)穩(wěn)定同位素質(zhì)譜—元素分析聯(lián)用儀(EA-IRMS)被轉(zhuǎn)化為CO和N測試，從而得到樣品中的碳、氮百分含量及其穩(wěn)定同位素值，同時(shí)測定，因此在今后可考慮將穩(wěn)定碳、氮同位素結(jié)合起來進(jìn)行產(chǎn)地溯源，這樣溯源結(jié)果的準(zhǔn)確率比起單一使用碳、氮穩(wěn)定同位素也會(huì)有所提高。

1 同位素的概念

同位素是指質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)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(wěn)定性強(qiáng)弱可分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素。該研究主要介紹在產(chǎn)地溯源使用較廣泛的穩(wěn)定碳、氮同位素。碳同位素中的C屬于穩(wěn)定同位素，與放射性同位素C不同的是，它進(jìn)入植物體內(nèi)不會(huì)自發(fā)地放出射線導(dǎo)致衰變且含量非常穩(wěn)定。C進(jìn)入植物體并形成植物組成物質(zhì)過程的第一階段即大氣中的CO進(jìn)入氣孔腔時(shí)，除受自身遺傳因素影響外，它還會(huì)受到與植物本身生長密切相關(guān)的地理和環(huán)境因子比如經(jīng)緯度、海拔、大氣溫度、濕度、大氣CO濃度、光照強(qiáng)度、降水等的影響，這也就意味著在不同氣候環(huán)境條件下同種植物的穩(wěn)定性碳同位素組成δC值也會(huì)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(huán)境物質(zhì)如土壤等的含量來揭示與植物生理生態(tài)過程相關(guān)的環(huán)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(yǎng)元素之一。氮同位素中N和N均為穩(wěn)定同位素，常用N/N表示穩(wěn)定氮同位素組成，以δN表示，一般采用空氣中氮為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。植物組織中穩(wěn)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(huán)境如氣候條件、土壤狀況等因素的影響，造成其在不同地區(qū)間存在較大差異，即δN值在一定的時(shí)間和空間上也可以揭示與植物生理生態(tài)過程相關(guān)的環(huán)境信息，可作為產(chǎn)地溯源的指標(biāo)之一。

2 同位素溯源的原理

穩(wěn)定同位素分析目前已經(jīng)越來越普遍應(yīng)用于產(chǎn)地溯源，特別是在傳統(tǒng)分析方法不能提供明確結(jié)果的情況下。自然界中生物體與其生存的外界環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)交換，不同種類或來源的物質(zhì)中的同位素受環(huán)境、生物代謝類型等因素影響會(huì)發(fā)生自然分餾效應(yīng)，例如植物在固定CO時(shí)會(huì)因不同的光合羧化循環(huán)而發(fā)生碳分餾，進(jìn)而使其自然豐度產(chǎn)生差異，這種差異因攜帶有環(huán)境因子的信息，能直接反映生物體所處的環(huán)境條件，因此可以通過這種差異來區(qū)分其可能的產(chǎn)地，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)地溯源。換言之，產(chǎn)地溯源是根據(jù)自然分餾效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。自然生物體中穩(wěn)定性同位素組成是物質(zhì)的自然屬性，具有獨(dú)立性、不容易受人為因素的影響而被更改等特點(diǎn)，可作為物質(zhì)的一種“自然指紋”來區(qū)分不同來源的物質(zhì)。換言之，生物體中同位素指紋是外部環(huán)境在生物體中打下的“烙印”，因此可以把穩(wěn)定同位素作為地理來源的過程指標(biāo)和示蹤劑。

3 穩(wěn)定同位素在植物產(chǎn)地溯源中的研究

溫周瑞等對(duì)貢湖灣、梅梁灣10種水生植物的穩(wěn)定碳、氮同位素值進(jìn)行了測定，研究表明水生植物不同種類之間、不同采樣時(shí)間和采樣點(diǎn)之間的穩(wěn)定碳、氮同位素值不同，總體上季節(jié)性變化規(guī)律不明顯，空間變化有一定規(guī)律性。即高等水生植物的穩(wěn)定碳、氮同位素能夠反映其生理生態(tài)學(xué)信息，因此今后在一定程度上可以根據(jù)穩(wěn)定碳、氮同位素值對(duì)高等水生植物進(jìn)行產(chǎn)地溯源。

Kornexl等測定了巴西等橙汁主要生產(chǎn)國橙汁中果肉的δC、δN 值，發(fā)現(xiàn)將δC值和δN值綜合起來可以實(shí)現(xiàn)特征聚類從而將不同產(chǎn)地的橙汁區(qū)分開，而僅憑單一的δC值或δN值不能。陳歷水等對(duì)哈爾濱、牡丹江、昌吉和塔城4個(gè)地區(qū)的黑加侖()的果實(shí)、樹葉、土壤和果汁進(jìn)行了碳和氮穩(wěn)定同位素比率研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單一利用δC指標(biāo)、δN指標(biāo)對(duì)黑加侖果實(shí)整體的正確判別率分別為47.8%、80.8%，而綜合2個(gè)指標(biāo)聯(lián)合分析黑加侖果實(shí)產(chǎn)地溯源的準(zhǔn)確率達(dá)86.9%。Mimmo等比較了波爾察諾、費(fèi)拉拉、烏迪內(nèi)、維羅納4個(gè)地區(qū)的不同蘋果()品種的 δC、δN 值，發(fā)現(xiàn) δC、δN 值能夠區(qū)分不同產(chǎn)地的蘋果，哪怕它們相距僅幾百千米，溯源準(zhǔn)確率高達(dá)99%。王紅云等對(duì)河北省贊皇、行唐、阜平10個(gè)棗園的大棗()果肉中的δC和δN值進(jìn)行了研究，研究表明利用穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)太行山中麓大棗進(jìn)行產(chǎn)地溯源是可行的，同時(shí)使用碳、氮2種同位素比單獨(dú)使用其中1種同位素進(jìn)行產(chǎn)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(gè)省(區(qū))的五味子()樣品，統(tǒng)計(jì)分析表明7個(gè)省(區(qū))五味子δC值和δN均存在顯著差異，δC與δN是五味子產(chǎn)地溯源的良好指標(biāo)。Maggi等通過分析希臘等4個(gè)典型產(chǎn)區(qū)的28個(gè)藏紅花()樣品的穩(wěn)定碳、氮、氫同位素組成進(jìn)行產(chǎn)地溯源，結(jié)果表明利用穩(wěn)定碳、氮、氫同位素來區(qū)分藏紅花地理來源是一種準(zhǔn)確率較高、較為可靠的手段。李輝等測定12個(gè)不同產(chǎn)區(qū)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(wěn)定同位素比值分析技術(shù)方法對(duì)冬蟲夏草進(jìn)行有效產(chǎn)地溯源。何忠俊等在獲得來自44個(gè)地區(qū)的3年生春三七()主根樣品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上研究了49個(gè)生態(tài)指標(biāo)與三七主根穩(wěn)定碳同位素比率的數(shù)量關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三七主根穩(wěn)定碳同位素主要受到產(chǎn)地溫度狀況和經(jīng)度的影響，因此可將其作為三七主根和相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的主要指標(biāo)，在實(shí)踐中可以結(jié)合其他溯源指標(biāo)使用。杜華對(duì)四川峨眉山、四川洪雅、陜西鎮(zhèn)坪、云南貢山、湖北利川和重慶石柱等6個(gè)產(chǎn)地的103份黃連()樣品進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析，研究結(jié)果顯示δC與δN的組合圖可以對(duì)6個(gè)區(qū)域進(jìn)行清晰分類，且比其他二維組合圖區(qū)分更有效。張文麗等對(duì)不同產(chǎn)地竹節(jié)參()進(jìn)行穩(wěn)定性碳、氮同位素組合，研究表明對(duì)中國湖北五峰、湖北利川、貴州畢節(jié)和日本秋田的竹節(jié)參可實(shí)現(xiàn)有效的地域區(qū)分。楊燕等對(duì)來自甘肅、四川和云南產(chǎn)地當(dāng)歸()中δC、δN穩(wěn)定同位素比率和碳、氮元素百分含量進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)歸中穩(wěn)定碳、氮同位素等在多種環(huán)境因素共同影響下形成不同的“地域標(biāo)簽”，表明δC、δN可能是當(dāng)歸產(chǎn)地識(shí)別的重要指標(biāo)。

在農(nóng)作物方面，國內(nèi)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(zhì)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(wěn)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(jié)合δC和δN值進(jìn)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(duì)來自3個(gè)不同省份的27份小麥及其制粉產(chǎn)品中的穩(wěn)定碳、氮同位素進(jìn)行研究，也得出相同的結(jié)論，即小麥及制粉產(chǎn)品中的穩(wěn)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(chǎn)品的原產(chǎn)地的有效指標(biāo)。Wadood等對(duì)惠縣、楊凌、趙縣的全麥及其制粉的穩(wěn)定碳、氮同位素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示δC、δN對(duì)所有地區(qū)的樣品進(jìn)行了正確分類且分類正確率達(dá)到了93.8%，δC、δN可作為區(qū)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(chǎn)自于不同省份的大米的穩(wěn)定同位素δC和δN值，研究結(jié)果表明基于大米的穩(wěn)定同位素碳、氮特性能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大米產(chǎn)地的溯源。除了水稻和小麥外，國內(nèi)對(duì)馬鈴薯也進(jìn)行了研究。張欣昕等對(duì)內(nèi)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(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的δC值和δN值存在顯著性差異，基本可以成功區(qū)分不同產(chǎn)地的馬鈴薯樣品，采用δC和δN建立的產(chǎn)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(yīng)用于馬鈴薯產(chǎn)地的鑒別研究。

4 結(jié)論與展望

國內(nèi)外利用穩(wěn)定同位素進(jìn)行產(chǎn)地溯源已有幾十年，穩(wěn)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(huì)給環(huán)境造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，所以近年來對(duì)于這方面的研究和應(yīng)用也越來越普遍、范圍也越來越廣。但目前對(duì)于利用穩(wěn)定同位素追溯原產(chǎn)地大多還只停留在單一穩(wěn)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(wěn)定同位素或結(jié)合其他元素進(jìn)行分析可能會(huì)有效地提高溯源的準(zhǔn)確率。鐘敏對(duì)10份來自我國6個(gè)不同地區(qū)的大米的穩(wěn)定碳氮同位素進(jìn)行測定，結(jié)果表明單一使用δC或δN溯源結(jié)果成功率較低，而綜合使用穩(wěn)定碳、氮同位素對(duì)大米產(chǎn)地溯源進(jìn)行分析卻能獲得較好的結(jié)果。Miao等的研究結(jié)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(wěn)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(huán)境特征例如氮源存在的差異所引起的。Kornexl等認(rèn)為將穩(wěn)定性碳和氮同位素組合起來對(duì)于一個(gè)給定的地點(diǎn)來說更具特征，成功結(jié)合兩者將會(huì)是一種對(duì)植物進(jìn)行產(chǎn)地溯源的有效工具。將穩(wěn)定碳、氮同位素結(jié)合起來進(jìn)行產(chǎn)地溯源研究可能會(huì)大大提高溯源成功率，這不失為一種快速建立同位素產(chǎn)地溯源數(shù)據(jù)庫的好辦法。目前穩(wěn)定性同位素技術(shù)在植物上的研究大多專注于植源性農(nóng)產(chǎn)品，對(duì)于野生瀕危物種的產(chǎn)地溯源相關(guān)研究較少，今后可加深這一方面的研究，有助于更好地保護(hù)相關(guān)物種。