饮食、饮水与人头发稳定同位素组成的关系的研究进展及其应用

于子洋,梅宏成,朱 军,杨瑞琴,权养科,王桂强

(1.中国人民公安大学 侦查学院,北京 100038;2.公安部物证鉴定中心,北京 100038)

C、N、H、O 等元素的稳定同位素广泛存在于自然环境以及生物体中,作为一种良好的示踪物,已经被应用于生态学、地质学、食品科学等领域。食物和水是人生长发育的重要物质来源,经消化吸收后,会留存其部分稳定同位素特征[1-4]。分析人体组织中稳定同位素组成可以反推饮食和饮水的稳定同位素组成,进而推断居民的饮食习惯、营养健康状态、居住区域乃至生活时空信息[5]。但是,目前国内对人体组织稳定同位素的研究相对较少,且尚未见文献对此领域进行系统性总结。

本工作重点关注人头发中稳定同位素组成,对其中C、N、H、O 等元素的稳定同位素组成及其与饮食和饮水的关系展开综述,介绍其研究现状及在不同领域中的应用,并对其未来研究方向进行了展望。

1 人头发稳定同位素分析的基本概念和原理

1.1 稳定同位素的概念

质子数相同而中子数不同的元素称为同位素,稳定同位素是天然存在的技术手段检测不到放射性的一类同位素。由于核质量差别,同位素之间存在物理、化学、生物性质上的差别,这会导致反应前后物质中同位素组成出现差异,将此现象称为同位素效应,其程度可用分馏系数表示[6]。非金属元素的稳定同位素组成通常表示为稀有稳定同位素原子数与常见稳定同位素丰度的比值,即同位素比率(R)。对于大多数稳定同位素而言,R值很小,且自然环境中不同物质的R值差异较小,因此常使用同位素比值(δ)这一指标,即样本R与国际公认的标准物质R之间的相对误差,计算公式见式(1):

式中:R样本、R标准物分别为样本和标准物质的同位素比率。

1.2 稳定同位素的检测原理

可利用稳定同位素比质谱法(IRMS)检测C、N、H、O 等元素的稳定同位素比值。IRMS由进样系统、气体导入系统、离子源、质量分析仪、信号接收系统和真空系统等组成。稳定同位素比质谱还可与元素分析仪、气相色谱、液相色谱等联用,以适应不同类型样本的进样需求。头发中稳定同位素多采用元素分析-稳定同位素比质谱法(EA-IRMS)检测,其检测原理(示意图见图1):①样本经前处理后,经进样器进入元素分析仪,通过高温裂解或燃烧变为混合气体;②混合气体经色谱柱分离,以单一气体形式依次进入离子源;③气体分子电离形成带电离子,受电场和磁场影响被不同接收器接收;④原始信号的处理和数据的生成[7-8]。

图1 EA-IRMS检测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of detection principle of EA-IRMS

1.3 人头发稳定同位素分析的理论基础

食物链中不同生物的稳定同位素分析是基于植物组织的稳定同位素组成与其所处环境直接相关,动物组织的稳定同位素组成与其所食动植物直接相关这一原理建立的[9]。不同区域、不同种类生态系统中的稳定同位素组成不同,其在食物链中分馏作用也会存在差异[10],受此影响,动物组织中稳定同位素组成特征存在一定规律。另外,当动物栖息环境发生变化或者迁移到新环境中时,其组织中的稳定同位素组成会向着新环境的稳定同位素组成转变[11-13]。

人头发的主要成分是α-角蛋白,由C、N、H、O等多种元素构成,化学状态较为稳定,且受外界环境影响较小。毛发一旦长出毛囊,其代谢停止,不再与其他部分和环境发生交换[14],可以较长时间稳定地保留稳定同位素信息,这与骨骼、肌肉、血液等长期处于代谢状态的组织有明显区别。普通人头发生长速率相对稳定,每段毛发的稳定同位素信息可反映当时的饮食和饮水信息。不同长度的头发,理论上可以提供几个月甚至几年的稳定同位素信息,这为研究人体组织稳定同位素随时间的动态变化提供可能。

2 饮食和饮水中稳定同位素组成特征

人类是杂食性动物,饮食和饮水特征随着地域、群体、时代的不同发生变化。不同种类食物本身的稳定同位素组成存在的巨大差别导致了人体组织中稳定同位素组成存在的巨大差异。因此,研究人体组织的稳定同位素组成需要先了解不同种类食物的稳定同位素组成。

2.1 饮食中稳定同位素组成特征

2.1.1 饮食中C、N 稳定同位素特征

植物组织中C稳定同位素比值(δ13C)主要受光合作用途径的影响,光合作用途径主要为C3循环、C4循环、景天酸代谢(CAM)循环3种。自然界已知的绝大多数植物为C3 植物,如常见的小麦、大米、大部分的水果和蔬菜,δ13C 一般为－35‰～－20‰。玉米、高粱、小米、甘蔗受C4循环影响,δ13C一般为－15‰～－7‰。CAM 植物δ13C介于C3植物、C4 植物的δ13C 之间,较少出现于人类饮食中[15]。植物组织中N 稳定同位素比值(δ15N)的影响因素较为复杂。不同种类植物δ15N 存在差异,陆地植物δ15N 一般为0～6‰,海洋植物δ15N 一般为4‰～9‰。其中生物固氮的豆科植物因其独特的固氮方式,其组织中δ15N 相对较低(0左右)。另外,氮源的不同来源也是影响植物组织中δ15N 的一个重要因素[16-18]。

动物组织中稳定同位素组成同样受动物种类、地域、营养物质来源等因素的影响。不同种类动物组织中δ13C和δ15N 有所不同,特别是陆生动物和水生动物之间的δ15N 存在显著差异[19]。同种动物组织中C、N 稳定同位素比值主要取决于其食物,动物肉、奶、蛋的稳定同位素组成往往与其所食食物存在明显关联[20]。另外,动物的新陈代谢也会引起稳定同位素分馏[21],一般认为,动物在食物链中所处的位置每增加1个营养级,其组织中δ13C 升高0～1‰,δ15N 升高3‰～4‰[19,22]。

2.1.2 饮食中H、O 稳定同位素特征

受大气降水中H、O 稳定同位素空间分布规律影响,饮食中H、O 稳定同位素组成表现出明显地域差异,同时会受到物种差别的影响。植物的蒸腾和光合作用会使H、O 稳定同位素发生分馏,导致植物组织中2H、18O 含量较其吸收水中明显升高,且不同种类植物间分馏作用效果不同[23-24]。就动物而言,不同种类动物之间存在差异:饮食和饮水摄入量占比不同,产生的基底效应也不同[25-26];动物间存在物种差异,例如反刍动物和非反刍动物组织中δ18O 的差异较大[27],且随营养级升高,2H、18O 会被不同程度富集[26,28]。

2.2 饮水中稳定同位素组成特征

居民日常饮用水主要来自居住地附近由大气降水形成的地表水、浅层地下水和水库水等。大气降水中H、O 稳定同位素组成主要受到不同地理区域内稳定同位素分馏作用差异影响。不同区域地表水中H、O 稳定同位素组成存在一定规律性,纬度和海拔的增加都会使降水中2H、18O 含量下降,表现为纬度效应、大陆效应和海拔效应等[6]。国内地表水中δ18O 一般为－25‰～5‰,δ2H 为－180‰～10‰[29]。我国不同城市自来水的H、O 稳定同位素组成与大气降水的基本一致[30]。

3 饮食和饮水对人头发中稳定同位素组成的影响

人头发因其独特生长特点、稳定的化学状态、可相对容易地进行多种元素的稳定同位素的检测,已成为研究人体稳定同位素组成的良好对象。人头发采集不伤害身体、采样步骤简单,为人头发的大样本研究提供了便利。

3.1 饮食

食物中C、N 元素是构成人体器官C、N 的主要来源,其稳定同位素组成直接影响着人体组织的稳定同位素组成[20]。在饮食控制试验中,不同种类饮食对人头发中C、N 稳定同位素组成产生明显影响。HUELSEMANN 等[31]和VOTRUBA 等[32]在改 变受试者日常饮食中C3、C4食物和陆生、水生食物比例后,发现其头发中C、N 稳定同位素组成随之出现相似的变化趋势。饮食中加入肉类和蔗糖类食物,头发中δ13C显著提升,而加入肉类和鱼类食物后,头发中δ15N 显著提升,研究人员认为头发中C、N稳定同位素可以作为研究人类饮食的生物指标。

研究人员对美国[33]、西欧[34]、北 非[35]、东亚[36-38]和东南亚[39]等地域居民头发中稳定同位素进行研究,发现不同地域居民头发中C、N 稳定同位素组成存在较大差异。THOMPSON 等[37]研究中国、印度、孟加拉、巴基斯坦等亚洲国家居民头发C、N 稳定同位素时发现,与美国居民相比,亚洲部分国家居民头发中δ13C 和δ15N 相对较低,这与美国居民的高动物蛋白摄入量有关。对比美国和欧洲居民头发中C、N 稳定同位素组成[34]:美国居民δ13C 相对较高,δ15N 差别不大,这是因为美国居民饮食中包含更多的C4植物。美国和欧洲居民头发中N 稳定同位素比值差异不大,这可能是因现代发达国家居民蛋白质摄入量相近。HÜLSEMANN 等[33]整合和对比已有头发中C、N 稳定同位素数据后发现,在全球尺度下,居民头发δ13C与纬度存在负相关关系,产生这种现象的可能原因是不同地区居民饮食中C4植物比重不同。δ15N 没有明显区域分布规律,说明人体N 稳定同位素比值的影响因素较为复杂,除饮食外的各类环境因素可能同样会对其产生影响。本研究小组还对我国不同城市居民头发稳定同位素进行了分析,结果表明城市间居民头发δ13C和δ15N 存在显著差异,见表1。其中,a,b,c,d,e等字母表示检测结果之间具有显著性差异(P值小于0.05)。

表1 不同城市常住居民头发样本的δ13 C和δ15 NTab.1 δ13 C andδ15 N of hair samples of residents in different cities

表1(续)

除地域差异外,研究人员还将目光投向居民群体属性及其头发中C、N 稳定同位素组成关系的研究中。HUELSEMANN 等[31]在进行饮食控制试验时便注意到头发中C、N 稳定同位素组成可能存在性别差异,其他研究人员也发现了类似现象[40]。KUSAKA 等[38]发现日本男性居民头发中的δ13C和δ15N 高于女性,且男性居民头发δ15N 随年龄增长而逐渐上升。COOPER 等[35]利用头发中C、N稳定同位素组成差异成功地对埃塞俄比亚同一村落不同职业的居民进行区分,说明生活方式会对头发中C、N 稳定同位素组成产生影响。SOMERVILLE等[39]发现新几内亚部分村庄居民头发中C、N 稳定同位素组成与村庄开放程度和居民年龄存在明显关系,开放程度较高村落的居民头发13C 和15N含量要高于开放程度较低村落的居民,且随着年龄增长,头发δ13C 和δ15N 逐渐下降,而职业、性别等因素对其影响不大。目前针对性别、年龄、种族、职业等群体属性的稳定同位素研究存在争议,这可能与相关研究较少有关,亟待研究人员进行深入细致地研究。

除上述因素外,人头发N 稳定同位素容易受到个体营养和健康状态等因素的影响[41]。在营养相对缺乏时,组织中δ15N 高于正常状态;当营养相对过剩时,体内δ15N 会因蛋白质的不断合成而下降[42-44]。

3.2 饮水

构成人体的H、O 元素主要来源于饮水、饮食和吸入空气中的氧气[45-46]。如2.1.2 节所述,稳定同位素的基底效应、分馏作用和饮食中各类食物所占比例共同作用导致饮食中H、O 稳定同位素组成较为复杂。受此影响,目前尚无饮食中H、O 稳定同位素组成与人体组织关联的直接研究。人类饮食种类多样、数量各异,但追溯到源头,饮食中H、O稳定同位素大部分来自于饮食生产地区的水[20,47]。研究人员认为,即便现代食品工业发展使饮食呈现高度“均质化”的特点[38],饮食中稳定同位素在较大地理尺度下仍受水源影响,表现出较强的地域分布规律。因此,饮水中H、O 稳定同位素组成与人体组织中H、O 稳定同位素组成存在密切联系。动植物生存所需的水和居民饮水一般来自于生活区域内由大气降水形成的地下水、河流水等。大气降水中H、O 稳定同位素组成具有较为明显的空间分布特征[4],居民头发H、O 稳定同位素组成也因此呈现出明显空间分布规律。FRASER 等[48-49]发现相较指甲,人头发中H 稳定同位素比值(δ2H)与饮用水的相关性更强。SHARP等[50]较为系统地研究了人头发中δ2H 及性质,认为人头发中H 有约30%直接来源于饮水,但当人体摄入大量含有不同δ2H 的食物时,头发中δ2H 与当地饮水的相关关系会被弱化。人头发中δ18O 为8‰～18‰[47],O′BRIEN等[51]认为相比H 稳定同位素,头发中δ18O 与饮水中δ18O 的相关系数更高,更有利于反映居民饮水和迁移信息。

研究人员还针对居民头发中H、O 稳定同位素组成差异、区域变化和群体特征进行了研究。O′BRIEN等[51]对往返两地志愿者头发中H、O 稳定同位素进行研究,发现志愿者在抵达目的地后,其头发H、O 稳定同位素组成会逐步接近目的地的居民。THOMPSON 等[37]发现亚洲部分国家居民头发中42%的H 和39%的O 直接来自于生活饮水的摄入,其H、O 稳定同位素组成与美国居民存在差异,亚洲居民更多的食用当地生产的食物和水,这是其头发中H、O 稳定同位素与饮水之间相关性较强的主要原因。BOL等[52]对比了英格兰当地居民和外来游客头发中δ18O,发现二者存在明显差异(差值为2‰～5‰),结合居民头发中C、N 稳定同位素可以区分当地居民和外来游客。EHLERINGER等[47]和BOWEN 等[20]利用饮水和头发中H、O 稳定同位素的关系建立和优化了多参数数学模型,用以描述美国居民头发中H、O 稳定同位素的空间分布特征,模型验证成功率高于85%。何亚等[53]对我国不同城市居民头发H、O 稳定同位素的分布特征及影响因素进行了初步研究,结果见图2。

图2 3个城市居民头发中δ2 H、δ18 O 分布[53]Fig.2 Diagram ofδ2 H andδ18 O values of residents′hair in three cities[53]

基于饮水与人头发等人体组织中H、O 稳定同位素组成的密切联系,可建立覆盖整个国家居民饮水H、O 稳定同位素数据库,用于追溯人类的迁移活动和人体组织的来源推断[54]。

4 人头发中稳定同位素组成在不同领域中的应用

4.1 营养学领域

人头发中稳定同位素信息在营养学领域可用于推断个体饮食偏好和生理健康状态。利用头发中C、N 稳定同位素组成与饮食的关系,可以反推人的饮食习惯,监测人体营养摄取情况[55]。VALENZUELA 等[56]发现美国不同种族儿童头发中C、N稳定同位素组成存在差异,结合饮食调查问卷,推断非西班牙裔儿童摄入相对较多的蛋白类食物和谷物。头发中稳定同位素组成还可用于推测人的代谢情况和健康状态。PARK 等[57]发现受试者头发δ13C与软饮料、咖啡、糖、茶的摄入量呈正相关关系,δ15N 与代谢综合征的症状程度呈现明显正相关关系,头发中稳定同位素可以作为辅助分析指标,对人体营养代谢情况进行监测。BAKOVIC 等[58]认为头发等组织中的稳定同位素组成和人体健康状态之间关系复杂,亟待进一步研究。

4.2 考古学领域

研究人员进行氨基酸分析时发现,古代遗骸中人头发基本保持原始状态,其中氨基酸组成未出现明显变化,表明头发在考古领域中可以作为稳定同位素分析的可靠对象[59]。基于饮食习惯与头发中稳定同位素组成的关系,研究人员可以推测死者在生前某些时间段内的饮食信息,以此为依据还可进行群体迁移轨迹推断、等级地位推断、性别差异分析等[60]。受限于出土数量,考古领域对头发稳定同位素研究相对较少[61-64]。屈亚婷等[65]分析了新疆罗布淖尔古墓中人头发C、N 稳定同位素,结合古环境中食物信息,推测了古人类食物来源及所属文明形态。COOPER 等[35]发现头发中稳定同位素组成与居民职业及生活方式存在一定关联,可在考古学中对死者生前职业进行推断。BASHA 等[66]利用古人头发中稳定同位素组成的季节变化推测了死者的死亡时间。VEROSTICK 等[67]通过分析古代人类遗骸头发C、N 稳定同位素组成推测死者生前饮食,综合现场遗留等多种信息,并以此刻画了死者生前的生活状态和所在群落的社会活动。

4.3 法庭科学领域

在法庭科学领域,针对人头发的检测目前主要集中在表观形态学特征和DNA 分析,对其中稳定同位素组成的分析和应用较少。研究人员希望利用人头发“稳定同位素指纹”推断饮食习惯,分析人的生活习惯和活动轨迹信息,辅助人员身份鉴定,为司法活动提供帮助。通过对不同来源头发中多种稳定同位素数据进行统计分析,BOL 等[52]成功地对不同地域来源的人头发进行了区分,证明了利用稳定同位素进行地域分析的可行性。EHLERINGER等[47]和GAUTAM 等[68]利用饮水和人头发中H、O 稳定同位素关系分别制作美国和韩国的稳定同位素地图,帮助实现个体活动轨迹的还原和来源地域的判定。KENNEDY 等[69]对一具无名女尸头发中δ18O 进行了分析,结合美国不同地域饮水中δ18O特征,对其生前活动轨迹进行了初步推断。头发中稳定同位素特征和饥饿状态之间的研究也为法庭科学中判定未知尸体的死亡原因提供了新思路[58]。目前国内研究人员已就稳定同位素在法庭科学领域中的应用开展了部分研究[70-71]。刘昌景等[72]优化了人头发H、O 稳定同位素的实验室检测流程。何亚等[53]利用头发中H、O 稳定同位素组成对国内3个不同城市居民进行了地域区分,获得了良好效果。公安部物证鉴定中心的相关研究团队正在该领域持续投入,研究我国居民头发等组织中的稳定同位素组成规律及影响因素,分析稳定同位素技术在物证溯源中的可行性,以期更快将该技术应用到我国法庭科学实践当中。

5 总结与展望

研究人员开展的头发中稳定同位素组成特征的研究结果表明,饮食、饮水与人头发中多种元素稳定同位素组成存在不同程度相关关系。但目前针对人体组织中稳定同位素特征的分析主要集中在美国和西欧等发达国家和地区,这些研究大多存在样品量小、样本提供人信息不明确、样品采集环境受限等问题,且头发中稳定同位素特征和变化规律的研究仍存在“盲区”,这些亟待进一步分析和解决[73]。我国地域辽阔、人口众多,气候类型差异较大,且不同地区居民因地形地貌不同以及文化和时代变化产生了不同饮食和生活习惯,使我国居民头发稳定同位素组成可能存在特有的分布规律、变化特点和影响因素。国内研究人员[53,70-72]针对该领域已经开展了研究,但仍处于起步阶段,相关研究成果较为缺乏,且对其中差异和规律介绍的较少。基于目前的研究现状,还需要从3方面进行深入研究:①聚焦我国居民开展特征研究,针对我国不同地区居民头发稳定同位素组成与其饮食、饮水特点进行分析,明确其中对应关系,研究地域、年龄、性别、种族等因素对居民头发等组织中不同元素稳定同位素特征的影响,探讨不同因素的影响机理;②多种研究手段联合应用,现有的研究主要集中于头发中单一种类稳定同位素与饮食、地域的相关性,而不同种类稳定同位素具有独特分布特征,反映不同信息,因此应结合多种元素和多种数据处理手段(聚类分析、判别分析、神经网络等)进行综合研究,以充分挖掘稳定同位素分析的应用潜力;③建立人体组织稳定同位素组成数据库,建立健全包括头发、指甲、骨骼等多种人体组织在内的稳定同位素数据库,特别是地域溯源数据库,可在不同时间尺度上为居民营养健康、未知人员身份鉴定、重点人员活动轨迹推断等领域研究提供宝贵数据支持。