稳定同位素环境化学

　　本书在介绍稳定同位素基本知识的基础上，重点介绍了有机污染物在环境中稳定同位素分馏的基本理论原理、分析模型、研究方法及有机物单体稳定同位素分析技术在不同尺度环境中应用的研究进展和案例，旨在总结以往环境有机污染物单体稳定同位素分析的研究成果，推动有机物单体稳定同位素分析技术在环境化学领域的不断发展和完善。 本书具有系统性、可读性强等特点，从稳定同位素的基本知识、同位素分馏的基本概念模型、样品前处理与分析方法到不同环境尺度的应用案例，内容上层层递进，可供同位素环境化学领域科研人员及管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、化学化工及相关专业师生参阅。

　　马利民，同济大学环境科学与工程学院，教授、主任，博士，博士生导师，现在同济大学环境工程学院工作。2001年毕业于中国科学院地球环境研究所，获博士学位，2003年同济大学环境与工程博士后出站。分别于1998年、2002年、2003年在韩国忠北大学、英国城市大学、德国尤里希研究中心进行合作研究， 2009至2010年意大利比萨大学访问学者。多次参加或负责国家863项目、上海市科委等项目。发表论文120余篇，其中SCI、Ei收录40余篇，申请专利10余项，获授权7项。任上海市创造学会土木与环境专业委员会副主任、《环境化学》，《生态学报》，《环境工程学报》《Bioresource Technology》，《建筑语环境工程学报》等杂志的评审专家和自然科学基金评审专家，意大利MUIR项目评审专家，WWF（世界自然基金会）项目咨询专家。2010年在美国获第五届国际环境科学技术会议大会优 秀论文奖，2012获同济大学国泰-顾国维优 秀指导教师奖。

第一章概论/001
第一节同位素的发现及基本概念001
一、同位素的发现及应用简介001
二、同位素的基本概念002
第二节稳定同位素在环境领域的应用007
一、应用背景007
二、应用进展008
第三节稳定同位素环境化学010
一、稳定同位素环境化学的定义010
二、稳定同位素环境化学的研究内容和方法011
三、稳定同位素环境化学和其他学科的关系011
参考文献012

第二章环境稳定同位素基础/016
第一节稳定同位素概述016
一、原子模型和核素016
二、稳定同位素019
三、同位素丰度的表达方式021
第二节有机物环境污染相关同位素023
一、碳同位素023
二、氮同位素028
三、氢同位素033
四、氧同位素037
五、硫同位素042
六、溴同位素047
七、氯同位素050
参考文献054

第三章生物化学反应过程与稳定同位素效应/061
第一节化学反应过程与同位素效应062
一、平衡同位素效应062
二、动力学同位素效应064
三、同位素效应测量的注意事项065
第二节动力学同位素效应与Rayleigh分馏模型066
一、单体稳定同位素分析(CSIA)与分馏参数的测量066
二、同位素效应定性预测的一些经验法则069
第三节同位素分馏定量：平均富集与瑞利方程072
第四节瑞利方程在复杂情况下的应用073
一、瑞利方程对非一级反应动力学的有效性074
二、将平均富集因子转化为表观动力学同位素效应(AKIE)074
第五节CSIA方法评估污染物自然降解程度077
第六节超越监测：稳定同位素分馏对降解机理的洞察078
一、通过同位素分馏洞察转化机理079
二、化合物平均同位素分馏值如何计算反应位点的同位素效应080
三、将观测的同位素分馏与转化机制联系起来082
第七节环境中多步化学反应的同位素效应084
一、多步化学反应过程的理想化处理085
二、两步稳态反应过程的表达式085
三、涉及更多步骤的过程086
四、决定反应进行的方向因素088
第八节自然过程中的多步反应089
一、文献中多步转化的表达式090
二、环境污染物转化过程中不同步骤的重要性090
参考文献091

第四章有机化合物稳定同位素样品的采集及前处理技术/096
第一节样品的采集097
一、概述097
二、不同样品的采集098
三、不同元素的稳定同位素采样及处理要求099
四、单个样品需要量099
第二节样品的保存100
第三节样品的制备100
一、概述100
二、挥发性化合物样品的制备101
三、半挥发性化合物样品的制备103
四、衍生化107第四节测试气体的制备115
参考文献116

第五章单体稳定同位素分析技术/122
第一节测定稳定同位素的仪器122
一、测定稳定同位素的质谱仪122
二、测定稳定同位素的光谱仪——腔衰荡光谱（CRDS）127
三、测定单体稳定同位素的常用仪器128
第二节常见环境样品稳定同位素分析方法132
一、稳定碳同位素样品的分析132
二、稳定氢同位素样品的分析132
三、稳定氧同位素样品的分析133
四、稳定氮同位素样品的分析133
五、稳定硫同位素样品的分析134
六、稳定溴同位素样品的分析136
七、稳定氯同位素样品的分析136
第三节同位素数据质量控制138
一、数据的准确度、不确定度、精密度和误差138
二、稳定同位素数据的标准化140
三、CSIA中的质量保证和质量控制142
参考文献143

第六章污染物迁移途径和来源解析/148
第一节概述148
一、污染物的稳定同位素示踪机理148
二、有机污染物来源示踪150
三、有机化合物的来源数值150
第二节水体污染物的稳定同位素示踪研究152
一、地下水中氮化物源的识别152
二、不同水体之间的污染物迁移152
三、近海水体污染物迁移153
四、流域内污染物迁移过程154
第三节土壤中多环芳烃等有机污染物的同位素溯源155
第四节大气污染物的稳定同位素示踪研究156
一、东亚地区大气中的硫污染源156
二、欧洲地区大气中的主要硫污染源157
第五节卤代烃污染物的稳定同位素示踪研究157
第六节多环芳烃同位素溯源研究159
第七节正构烷烃的稳定同位素示踪研究162
第八节双同位素示踪研究163
参考文献163

第七章稳定同位素示踪有机污染物的转化途径/171
第一节有机污染物的生物转化与表征方法概述171
一、传统的表征方法171
二、单体稳定同位素分析技术172
三、同位素分馏的掩蔽效应与多元素同位素图173
第二节稳定同位素解析传统碳氢污染物的生物转化过程174
一、芳烃及多环芳烃生物转化途径解析176
二、甲烷及正构烷烃生物转化途径解析179
第三节稳定同位素解析有机微污染物生物转化途径180
一、有机微污染物环境问题与生物降解180
二、有机微污染物的生物转化过程同位素分馏181
三、稳定同位素解析有机微污染物转化途径的难点182
四、有机微污染物稳定同位素分析的应用前景182
第四节应用案例研究：以阿特拉津水解脱氯过程为例186
一、阿特拉津的使用与环境风险186
二、阿特拉津的环境归趋187
三、阿特拉津生物和非生物水解过程中的碳、氮同位素分馏190
参考文献197

第八章环境系统中有机污染物的环境过程研究/211
第一节有机污染物在环境中的环境行为211
一、非生物降解过程211
二、生物降解过程212
第二节环境系统中的同位素分馏效应213
一、物理过程213
二、转化和生物降解过程214
三、转化和降解的反应机理研究216
第三节有机污染物降解过程中的稳定同位素分馏特征218
一、有机污染物降解过程中的碳稳定同位素分馏218
二、有机污染物空间扩散的碳稳定同位素分馏221
三、有机污染物降解过程中的碳稳定同位素富集因子221
第四节同位素在评估环境过程中的应用222
一、污染物降解程度评价222
二、解释污染物的降解路径223
三、地下水污染物评估监测224
四、军事场地修复过程评估226
五、二维(或双元)同位素方法226
参考文献228

第九章稳定同位素在全球环境变化领域中的应用/233
第一节全球碳循环和稳定同位素233
一、大气中CO2同位素研究233
二、光合作用中的固碳同位素分馏效应235
三、生态系统中的碳循环237
四、土壤有机质中的碳稳定同位素240
第二节稳定同位素在全球氮循环研究中的应用243
一、氮循环过程中的氮同位素243
二、氮转化过程中的同位素分馏效应244
三、植物在吸收、利用和同化过程中的氮同位素分馏245
四、15N自然丰度法在生态系统氮循环研究中的应用246
第三节同位素解析食物网营养级249
一、营养级的稳定同位素效应249
二、食物来源的同位素模型251
三、稳定同位素研究动物食性251
四、动物的营养级位置与食物网254
第四节稳定同位素过去环境重建257
一、树轮稳定同位素重建过去气候257
二、沉积物中生物有机分子稳定同位素与环境的关系264
参考文献267

第十章特定有机物稳定同位素应用拓展/277
第一节食品和药品领域应用277
一、食品真实性及稳定同位素鉴定的原理277
二、兴奋剂的检测285
第二节环境法医学领域应用287
一、基本原理287
二、刑事调查中的应用288
三、违禁物品的追踪289
第三节考古学的应用292
一、基本原理292
二、脂肪酸类化合物293
三、氨基酸294
第四节有机物稳定同位素技术在环境领域中的应用挑战与展望295
一、样品预处理技术的发展与挑战295
二、有机物CSIA分析的标准化、规范化与参考物质的挑战298
三、新的元素和新的污染物CSIA分析298
四、新兴污染物CSIA分析的挑战与展望301
参考文献302