飲食、飲水與人頭發穩定同位素組成的關系的研究進展及其應用

于子洋,梅宏成,朱 軍,楊瑞琴,權養科,王桂強

(1.中國人民公安大學 偵查學院,北京 100038;2.公安部物證鑒定中心,北京 100038)

C、N、H、O 等元素的穩定同位素廣泛存在于自然環境以及生物體中,作為一種良好的示蹤物,已經被應用于生態學、地質學、食品科學等領域。食物和水是人生長發育的重要物質來源,經消化吸收后,會留存其部分穩定同位素特征[1-4]。分析人體組織中穩定同位素組成可以反推飲食和飲水的穩定同位素組成,進而推斷居民的飲食習慣、營養健康狀態、居住區域乃至生活時空信息[5]。但是,目前國內對人體組織穩定同位素的研究相對較少,且尚未見文獻對此領域進行系統性總結。

本工作重點關注人頭發中穩定同位素組成,對其中C、N、H、O 等元素的穩定同位素組成及其與飲食和飲水的關系展開綜述,介紹其研究現狀及在不同領域中的應用,并對其未來研究方向進行了展望。

1 人頭發穩定同位素分析的基本概念和原理

1.1 穩定同位素的概念

質子數相同而中子數不同的元素稱為同位素,穩定同位素是天然存在的技術手段檢測不到放射性的一類同位素。由于核質量差別,同位素之間存在物理、化學、生物性質上的差別,這會導致反應前后物質中同位素組成出現差異,將此現象稱為同位素效應,其程度可用分餾系數表示[6]。非金屬元素的穩定同位素組成通常表示為稀有穩定同位素原子數與常見穩定同位素豐度的比值,即同位素比率(R)。對于大多數穩定同位素而言,R值很小,且自然環境中不同物質的R值差異較小,因此常使用同位素比值(δ)這一指標,即樣本R與國際公認的標準物質R之間的相對誤差,計算公式見式(1):

式中:R樣本、R標準物分別為樣本和標準物質的同位素比率。

1.2 穩定同位素的檢測原理

可利用穩定同位素比質譜法(IRMS)檢測C、N、H、O 等元素的穩定同位素比值。IRMS由進樣系統、氣體導入系統、離子源、質量分析儀、信號接收系統和真空系統等組成。穩定同位素比質譜還可與元素分析儀、氣相色譜、液相色譜等聯用,以適應不同類型樣本的進樣需求。頭發中穩定同位素多采用元素分析-穩定同位素比質譜法(EA-IRMS)檢測,其檢測原理(示意圖見圖1):①樣本經前處理后,經進樣器進入元素分析儀,通過高溫裂解或燃燒變為混合氣體;②混合氣體經色譜柱分離,以單一氣體形式依次進入離子源;③氣體分子電離形成帶電離子,受電場和磁場影響被不同接收器接收;④原始信號的處理和數據的生成[7-8]。

圖1 EA-IRMS檢測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of EA-IRMS

1.3 人頭發穩定同位素分析的理論基礎

食物鏈中不同生物的穩定同位素分析是基于植物組織的穩定同位素組成與其所處環境直接相關,動物組織的穩定同位素組成與其所食動植物直接相關這一原理建立的[9]。不同區域、不同種類生態系統中的穩定同位素組成不同,其在食物鏈中分餾作用也會存在差異[10],受此影響,動物組織中穩定同位素組成特征存在一定規律。另外,當動物棲息環境發生變化或者遷移到新環境中時,其組織中的穩定同位素組成會向著新環境的穩定同位素組成轉變[11-13]。

人頭發的主要成分是α-角蛋白,由C、N、H、O等多種元素構成,化學狀態較為穩定,且受外界環境影響較小。毛發一旦長出毛囊,其代謝停止,不再與其他部分和環境發生交換[14],可以較長時間穩定地保留穩定同位素信息,這與骨骼、肌肉、血液等長期處于代謝狀態的組織有明顯區別。普通人頭發生長速率相對穩定,每段毛發的穩定同位素信息可反映當時的飲食和飲水信息。不同長度的頭發,理論上可以提供幾個月甚至幾年的穩定同位素信息,這為研究人體組織穩定同位素隨時間的動態變化提供可能。

2 飲食和飲水中穩定同位素組成特征

人類是雜食性動物,飲食和飲水特征隨著地域、群體、時代的不同發生變化。不同種類食物本身的穩定同位素組成存在的巨大差別導致了人體組織中穩定同位素組成存在的巨大差異。因此,研究人體組織的穩定同位素組成需要先了解不同種類食物的穩定同位素組成。

2.1 飲食中穩定同位素組成特征

2.1.1 飲食中C、N 穩定同位素特征

植物組織中C穩定同位素比值(δ13C)主要受光合作用途徑的影響,光合作用途徑主要為C3循環、C4循環、景天酸代謝(CAM)循環3種。自然界已知的絕大多數植物為C3 植物,如常見的小麥、大米、大部分的水果和蔬菜,δ13C 一般為－35‰～－20‰。玉米、高粱、小米、甘蔗受C4循環影響,δ13C一般為－15‰～－7‰。CAM 植物δ13C介于C3植物、C4 植物的δ13C 之間,較少出現于人類飲食中[15]。植物組織中N 穩定同位素比值(δ15N)的影響因素較為復雜。不同種類植物δ15N 存在差異,陸地植物δ15N 一般為0～6‰,海洋植物δ15N 一般為4‰～9‰。其中生物固氮的豆科植物因其獨特的固氮方式,其組織中δ15N 相對較低(0左右)。另外,氮源的不同來源也是影響植物組織中δ15N 的一個重要因素[16-18]。

動物組織中穩定同位素組成同樣受動物種類、地域、營養物質來源等因素的影響。不同種類動物組織中δ13C和δ15N 有所不同,特別是陸生動物和水生動物之間的δ15N 存在顯著差異[19]。同種動物組織中C、N 穩定同位素比值主要取決于其食物,動物肉、奶、蛋的穩定同位素組成往往與其所食食物存在明顯關聯[20]。另外,動物的新陳代謝也會引起穩定同位素分餾[21],一般認為,動物在食物鏈中所處的位置每增加1個營養級,其組織中δ13C 升高0～1‰,δ15N 升高3‰～4‰[19,22]。

2.1.2 飲食中H、O 穩定同位素特征

受大氣降水中H、O 穩定同位素空間分布規律影響,飲食中H、O 穩定同位素組成表現出明顯地域差異,同時會受到物種差別的影響。植物的蒸騰和光合作用會使H、O 穩定同位素發生分餾,導致植物組織中2H、18O 含量較其吸收水中明顯升高,且不同種類植物間分餾作用效果不同[23-24]。就動物而言,不同種類動物之間存在差異:飲食和飲水攝入量占比不同,產生的基底效應也不同[25-26];動物間存在物種差異,例如反芻動物和非反芻動物組織中δ18O 的差異較大[27],且隨營養級升高,2H、18O 會被不同程度富集[26,28]。

2.2 飲水中穩定同位素組成特征

居民日常飲用水主要來自居住地附近由大氣降水形成的地表水、淺層地下水和水庫水等。大氣降水中H、O 穩定同位素組成主要受到不同地理區域內穩定同位素分餾作用差異影響。不同區域地表水中H、O 穩定同位素組成存在一定規律性,緯度和海拔的增加都會使降水中2H、18O 含量下降,表現為緯度效應、大陸效應和海拔效應等[6]。國內地表水中δ18O 一般為－25‰～5‰,δ2H 為－180‰～10‰[29]。我國不同城市自來水的H、O 穩定同位素組成與大氣降水的基本一致[30]。

3 飲食和飲水對人頭發中穩定同位素組成的影響

人頭發因其獨特生長特點、穩定的化學狀態、可相對容易地進行多種元素的穩定同位素的檢測,已成為研究人體穩定同位素組成的良好對象。人頭發采集不傷害身體、采樣步驟簡單,為人頭發的大樣本研究提供了便利。

3.1 飲食

食物中C、N 元素是構成人體器官C、N 的主要來源,其穩定同位素組成直接影響著人體組織的穩定同位素組成[20]。在飲食控制試驗中,不同種類飲食對人頭發中C、N 穩定同位素組成產生明顯影響。HUELSEMANN 等[31]和VOTRUBA 等[32]在改 變受試者日常飲食中C3、C4食物和陸生、水生食物比例后,發現其頭發中C、N 穩定同位素組成隨之出現相似的變化趨勢。飲食中加入肉類和蔗糖類食物,頭發中δ13C顯著提升,而加入肉類和魚類食物后,頭發中δ15N 顯著提升,研究人員認為頭發中C、N穩定同位素可以作為研究人類飲食的生物指標。

研究人員對美國[33]、西歐[34]、北 非[35]、東亞[36-38]和東南亞[39]等地域居民頭發中穩定同位素進行研究,發現不同地域居民頭發中C、N 穩定同位素組成存在較大差異。THOMPSON 等[37]研究中國、印度、孟加拉、巴基斯坦等亞洲國家居民頭發C、N 穩定同位素時發現,與美國居民相比,亞洲部分國家居民頭發中δ13C 和δ15N 相對較低,這與美國居民的高動物蛋白攝入量有關。對比美國和歐洲居民頭發中C、N 穩定同位素組成[34]:美國居民δ13C 相對較高,δ15N 差別不大,這是因為美國居民飲食中包含更多的C4植物。美國和歐洲居民頭發中N 穩定同位素比值差異不大,這可能是因現代發達國家居民蛋白質攝入量相近。HüLSEMANN 等[33]整合和對比已有頭發中C、N 穩定同位素數據后發現,在全球尺度下,居民頭發δ13C與緯度存在負相關關系,產生這種現象的可能原因是不同地區居民飲食中C4植物比重不同。δ15N 沒有明顯區域分布規律,說明人體N 穩定同位素比值的影響因素較為復雜,除飲食外的各類環境因素可能同樣會對其產生影響。本研究小組還對我國不同城市居民頭發穩定同位素進行了分析,結果表明城市間居民頭發δ13C和δ15N 存在顯著差異,見表1。其中,a,b,c,d,e等字母表示檢測結果之間具有顯著性差異(P值小于0.05)。

表1 不同城市常住居民頭發樣本的δ13 C和δ15 NTab.1 δ13 C andδ15 N of hair samples of residents in different cities

表1(續)

除地域差異外,研究人員還將目光投向居民群體屬性及其頭發中C、N 穩定同位素組成關系的研究中。HUELSEMANN 等[31]在進行飲食控制試驗時便注意到頭發中C、N 穩定同位素組成可能存在性別差異,其他研究人員也發現了類似現象[40]。KUSAKA 等[38]發現日本男性居民頭發中的δ13C和δ15N 高于女性,且男性居民頭發δ15N 隨年齡增長而逐漸上升。COOPER 等[35]利用頭發中C、N穩定同位素組成差異成功地對埃塞俄比亞同一村落不同職業的居民進行區分,說明生活方式會對頭發中C、N 穩定同位素組成產生影響。SOMERVILLE等[39]發現新幾內亞部分村莊居民頭發中C、N 穩定同位素組成與村莊開放程度和居民年齡存在明顯關系,開放程度較高村落的居民頭發13C 和15N含量要高于開放程度較低村落的居民,且隨著年齡增長,頭發δ13C 和δ15N 逐漸下降,而職業、性別等因素對其影響不大。目前針對性別、年齡、種族、職業等群體屬性的穩定同位素研究存在爭議,這可能與相關研究較少有關,亟待研究人員進行深入細致地研究。

除上述因素外,人頭發N 穩定同位素容易受到個體營養和健康狀態等因素的影響[41]。在營養相對缺乏時,組織中δ15N 高于正常狀態;當營養相對過剩時,體內δ15N 會因蛋白質的不斷合成而下降[42-44]。

3.2 飲水

構成人體的H、O 元素主要來源于飲水、飲食和吸入空氣中的氧氣[45-46]。如2.1.2 節所述,穩定同位素的基底效應、分餾作用和飲食中各類食物所占比例共同作用導致飲食中H、O 穩定同位素組成較為復雜。受此影響,目前尚無飲食中H、O 穩定同位素組成與人體組織關聯的直接研究。人類飲食種類多樣、數量各異,但追溯到源頭,飲食中H、O穩定同位素大部分來自于飲食生產地區的水[20,47]。研究人員認為,即便現代食品工業發展使飲食呈現高度“均質化”的特點[38],飲食中穩定同位素在較大地理尺度下仍受水源影響,表現出較強的地域分布規律。因此,飲水中H、O 穩定同位素組成與人體組織中H、O 穩定同位素組成存在密切聯系。動植物生存所需的水和居民飲水一般來自于生活區域內由大氣降水形成的地下水、河流水等。大氣降水中H、O 穩定同位素組成具有較為明顯的空間分布特征[4],居民頭發H、O 穩定同位素組成也因此呈現出明顯空間分布規律。FRASER 等[48-49]發現相較指甲,人頭發中H 穩定同位素比值(δ2H)與飲用水的相關性更強。SHARP等[50]較為系統地研究了人頭發中δ2H 及性質,認為人頭發中H 有約30%直接來源于飲水,但當人體攝入大量含有不同δ2H 的食物時,頭發中δ2H 與當地飲水的相關關系會被弱化。人頭發中δ18O 為8‰～18‰[47],O′BRIEN等[51]認為相比H 穩定同位素,頭發中δ18O 與飲水中δ18O 的相關系數更高,更有利于反映居民飲水和遷移信息。

研究人員還針對居民頭發中H、O 穩定同位素組成差異、區域變化和群體特征進行了研究。O′BRIEN等[51]對往返兩地志愿者頭發中H、O 穩定同位素進行研究,發現志愿者在抵達目的地后,其頭發H、O 穩定同位素組成會逐步接近目的地的居民。THOMPSON 等[37]發現亞洲部分國家居民頭發中42%的H 和39%的O 直接來自于生活飲水的攝入,其H、O 穩定同位素組成與美國居民存在差異,亞洲居民更多的食用當地生產的食物和水,這是其頭發中H、O 穩定同位素與飲水之間相關性較強的主要原因。BOL等[52]對比了英格蘭當地居民和外來游客頭發中δ18O,發現二者存在明顯差異(差值為2‰～5‰),結合居民頭發中C、N 穩定同位素可以區分當地居民和外來游客。EHLERINGER等[47]和BOWEN 等[20]利用飲水和頭發中H、O 穩定同位素的關系建立和優化了多參數數學模型,用以描述美國居民頭發中H、O 穩定同位素的空間分布特征,模型驗證成功率高于85%。何亞等[53]對我國不同城市居民頭發H、O 穩定同位素的分布特征及影響因素進行了初步研究,結果見圖2。

圖2 3個城市居民頭發中δ2 H、δ18 O 分布[53]Fig.2 Diagram ofδ2 H andδ18 O values of residents′hair in three cities[53]

基于飲水與人頭發等人體組織中H、O 穩定同位素組成的密切聯系,可建立覆蓋整個國家居民飲水H、O 穩定同位素數據庫,用于追溯人類的遷移活動和人體組織的來源推斷[54]。

4 人頭發中穩定同位素組成在不同領域中的應用

4.1 營養學領域

人頭發中穩定同位素信息在營養學領域可用于推斷個體飲食偏好和生理健康狀態。利用頭發中C、N 穩定同位素組成與飲食的關系,可以反推人的飲食習慣,監測人體營養攝取情況[55]。VALENZUELA 等[56]發現美國不同種族兒童頭發中C、N穩定同位素組成存在差異,結合飲食調查問卷,推斷非西班牙裔兒童攝入相對較多的蛋白類食物和谷物。頭發中穩定同位素組成還可用于推測人的代謝情況和健康狀態。PARK 等[57]發現受試者頭發δ13C與軟飲料、咖啡、糖、茶的攝入量呈正相關關系,δ15N 與代謝綜合征的癥狀程度呈現明顯正相關關系,頭發中穩定同位素可以作為輔助分析指標,對人體營養代謝情況進行監測。BAKOVIC 等[58]認為頭發等組織中的穩定同位素組成和人體健康狀態之間關系復雜,亟待進一步研究。

4.2 考古學領域

研究人員進行氨基酸分析時發現,古代遺骸中人頭發基本保持原始狀態,其中氨基酸組成未出現明顯變化,表明頭發在考古領域中可以作為穩定同位素分析的可靠對象[59]。基于飲食習慣與頭發中穩定同位素組成的關系,研究人員可以推測死者在生前某些時間段內的飲食信息,以此為依據還可進行群體遷移軌跡推斷、等級地位推斷、性別差異分析等[60]。受限于出土數量,考古領域對頭發穩定同位素研究相對較少[61-64]。屈亞婷等[65]分析了新疆羅布淖爾古墓中人頭發C、N 穩定同位素,結合古環境中食物信息,推測了古人類食物來源及所屬文明形態。COOPER 等[35]發現頭發中穩定同位素組成與居民職業及生活方式存在一定關聯,可在考古學中對死者生前職業進行推斷。BASHA 等[66]利用古人頭發中穩定同位素組成的季節變化推測了死者的死亡時間。VEROSTICK 等[67]通過分析古代人類遺骸頭發C、N 穩定同位素組成推測死者生前飲食,綜合現場遺留等多種信息,并以此刻畫了死者生前的生活狀態和所在群落的社會活動。

4.3 法庭科學領域

在法庭科學領域,針對人頭發的檢測目前主要集中在表觀形態學特征和DNA 分析,對其中穩定同位素組成的分析和應用較少。研究人員希望利用人頭發“穩定同位素指紋”推斷飲食習慣,分析人的生活習慣和活動軌跡信息,輔助人員身份鑒定,為司法活動提供幫助。通過對不同來源頭發中多種穩定同位素數據進行統計分析,BOL 等[52]成功地對不同地域來源的人頭發進行了區分,證明了利用穩定同位素進行地域分析的可行性。EHLERINGER等[47]和GAUTAM 等[68]利用飲水和人頭發中H、O 穩定同位素關系分別制作美國和韓國的穩定同位素地圖,幫助實現個體活動軌跡的還原和來源地域的判定。KENNEDY 等[69]對一具無名女尸頭發中δ18O 進行了分析,結合美國不同地域飲水中δ18O特征,對其生前活動軌跡進行了初步推斷。頭發中穩定同位素特征和饑餓狀態之間的研究也為法庭科學中判定未知尸體的死亡原因提供了新思路[58]。目前國內研究人員已就穩定同位素在法庭科學領域中的應用開展了部分研究[70-71]。劉昌景等[72]優化了人頭發H、O 穩定同位素的實驗室檢測流程。何亞等[53]利用頭發中H、O 穩定同位素組成對國內3個不同城市居民進行了地域區分,獲得了良好效果。公安部物證鑒定中心的相關研究團隊正在該領域持續投入,研究我國居民頭發等組織中的穩定同位素組成規律及影響因素,分析穩定同位素技術在物證溯源中的可行性,以期更快將該技術應用到我國法庭科學實踐當中。

5 總結與展望

研究人員開展的頭發中穩定同位素組成特征的研究結果表明,飲食、飲水與人頭發中多種元素穩定同位素組成存在不同程度相關關系。但目前針對人體組織中穩定同位素特征的分析主要集中在美國和西歐等發達國家和地區,這些研究大多存在樣品量小、樣本提供人信息不明確、樣品采集環境受限等問題,且頭發中穩定同位素特征和變化規律的研究仍存在“盲區”,這些亟待進一步分析和解決[73]。我國地域遼闊、人口眾多,氣候類型差異較大,且不同地區居民因地形地貌不同以及文化和時代變化產生了不同飲食和生活習慣,使我國居民頭發穩定同位素組成可能存在特有的分布規律、變化特點和影響因素。國內研究人員[53,70-72]針對該領域已經開展了研究,但仍處于起步階段,相關研究成果較為缺乏,且對其中差異和規律介紹的較少。基于目前的研究現狀,還需要從3方面進行深入研究:①聚焦我國居民開展特征研究,針對我國不同地區居民頭發穩定同位素組成與其飲食、飲水特點進行分析,明確其中對應關系,研究地域、年齡、性別、種族等因素對居民頭發等組織中不同元素穩定同位素特征的影響,探討不同因素的影響機理;②多種研究手段聯合應用,現有的研究主要集中于頭發中單一種類穩定同位素與飲食、地域的相關性,而不同種類穩定同位素具有獨特分布特征,反映不同信息,因此應結合多種元素和多種數據處理手段(聚類分析、判別分析、神經網絡等)進行綜合研究,以充分挖掘穩定同位素分析的應用潛力;③建立人體組織穩定同位素組成數據庫,建立健全包括頭發、指甲、骨骼等多種人體組織在內的穩定同位素數據庫,特別是地域溯源數據庫,可在不同時間尺度上為居民營養健康、未知人員身份鑒定、重點人員活動軌跡推斷等領域研究提供寶貴數據支持。