不同城市居民头发中碳、氮稳定同位素比值特征研究

于子洋，梅宏成，朱 军，杨瑞琴，胡 灿，刘昌景，郭洪玲，王 萍，郑继利，权养科，王桂强

(1.中国人民公安大学，北京 100038；2.公安部物证鉴定中心，北京 100038；3.南京森林警察学院，国家林业局森林公安司法鉴定中心，野生动植物物证技术国家林业和草原局重点实验室，江苏 南京 210023)

稳定同位素是指质子数相同、中子数不同、能够稳定存在的同一元素的不同核素。由于同一元素的不同稳定同位素的质量存在微小差异，使得这些稳定同位素在自然界中的分布也存在一定差异。碳、氮、氢、氧是自然界重要的组成元素，其稳定同位素在环境和生物体内的循环会产生分馏[1-3]，从而在不同营养层级和生态位的生物体内产生富集，稳定同位素分析已广泛应用于生态学、环境科学、食品、医学、法庭科学等领域[4-9]。

头发作为记录个体生活信息的载体，其中蕴含了饮食习惯、生活地域、健康状况等大量信息。头发中的C、N元素主要来源于所摄入的食物。研究发现，在严格控制饮食的条件下，随着饮食中C、N稳定同位素比值的变化，头发中同位素比值随之出现相似的变化趋势：C4植物摄入的增加会导致人体组织δ13C上升，肉类、鱼类等动物蛋白摄入的增加会提高头发中δ15N[10-11]；不同饮食习惯群体(素食、杂食、肉食)头发中稳定同位素比值不同[10]，呈现出一定的地域差异和群体差异[12-14]。Somerville等[15]对南太平洋西部部分岛屿居民头发中C、N稳定同位素进行检测，发现其与岛屿的开放程度和居民年龄存在明显关系；Valenzuela等[14]从社会经济发展的角度出发，认为头发中C、N稳定同位素比值变化能够在一定程度上反映地域经济发展对当地人饮食习惯的影响；Hülsemann等[13]通过比较C、N稳定同位素数据发现不同国家居民头发C、N稳定同位素比值存在较大差异，其中C稳定同位素比值与纬度存在明显的相关性。头发易于提取、保存，且长出后不再参与代谢，能够稳定保存几个月甚至几年的饮食稳定同位素信息。一些研究人员已在开展通过头发中C、N稳定同位素比值特征推断人的饮食特征，刻画饮食习惯、健康状态乃至迁移轨迹的相关研究[16-18]。

虽然经济全球化导致世界范围内的饮食越来越相近，但是不同地区，特别是亚洲不同国家独特的饮食文化依然体现了地域特点。我国地域广阔，地理、气候和民族习俗文化的差异导致不同城市的居民生活、饮食习惯存在较大的差异。开展国内不同城市居民头发C、N稳定同位素比值特征的研究，对于了解我国居民的饮食状况、饮食习惯变化等具有重要意义。

为考察国内不同城市常住居民头发中C、N稳定同位素比值特征，本研究拟对华中(郑州市、南阳市)、华东(合肥市、温州市)、华南(贺州市)、西南(昆明市)和西北(咸阳市、哈密市)等5个地区8个城市常住居民的头发样本进行C、N稳定同位素比值检验，分析稳定同位素比值特征，并探讨可能的影响因素。

1 实验部分

1.1 仪器装置与试剂

Flash EA 2000型元素分析仪、253 Plus型稳定同位素比质谱仪、ConFlo Ⅳ型连续流接口装置：美国Thermo Scientific公司产品；KQ-250 DB型数控超声波清洗器：昆山市超声波仪器有限公司产品；202-0AB电热恒温干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司产品；XPR 2电子天平：瑞士Mettler Toledo公司产品；PURELAB Ultra超纯水仪：英国ELGA公司产品。

USGS40(δ13CVPDB=-26.3‰，δ15NAIR=-4.5‰)、USGS41(δ13CVPDB=37.6‰，δ15NAIR=47.6‰)、USGS42(δ13CVPDB=-21.1‰，δ15NAIR=8.1‰)稳定同位素标准品：购自美国Reston稳定同位素实验室；甲醇、氯仿：色谱纯，美国Thermo Fisher公司产品；实验用水：由PURELAB Ultra超纯水仪制备；锡箔杯：瑞士Santis公司产品。

1.2 样品采集

征集在当地至少连续生活8个月以上的常住居民作为头发样本提供志愿者，共采集247份头发样本，具体信息列于表1。所有用于C、N稳定同位素检验的头发样本均为志愿者贴近头皮3 cm左右的头发，以保证为当地生活饮食所生长。

表1 头发样品采集信息Table 1 Information of samples and their origins

1.3 头发样品的前处理

参照文献[19]的清洗程序，按照以下流程清洗头发样本：用甲醇-氯仿溶液(2∶1，V/V)超声清洗1 h，去离子水超声清洗2次，每次15 min；用甲醇-氯仿溶液(2∶1，V/V)超声清洗0.5 h，去离子水超声清洗3次，每次15 min。将清洗后的头发在85 ℃恒温箱中干燥3.5 h，切割成小段，称取约200～300 μg干燥的头发样本，用稳定同位素分析专用锡杯包裹。分别称量200～300 μg USGS40、USGS41、USGS42标准物质，用稳定同位素分析专用锡杯包裹，使用元素分析-稳定同位素比质谱仪检测包好的头发样本和标准物质。

1.4 稳定同位素比质谱仪的测试条件

元素分析仪：He吹扫流速100 mL/min，O2流速175 mL/min，O2注入时间3 s，高温燃烧炉温度960 ℃，色谱柱温度50 ℃；接口装置ConFlo Ⅳ：He稀释压力60 kPa，CO2参考气压力60 kPa，N2参考气压力100 kPa。

1.5 C、N稳定同位素比值的检测

1.5.1头发样本C、N稳定同位素比值测定

在1.4节条件下同时检测头发样本和标准物质，每个样本重复检测2次，采用Isodat3.0软件分析数据。

1.5.2头发样本C、N稳定同位素比值表示方法 C、N稳定同位素比值分别用δ13C和δ15N表示，δ13C的相对标准为VPDB，δ15N的相对标准为大气。计算公式如下：

δ=(R样本/R标准-1)×1 000

(1)

式中：R表示重同位素与轻同位素的丰度比。

1.5.3头发样本C、N稳定同位素比值的数据校正与分析 将USGS40、USGS41和USGS42标准物质的δ13C、δ15N测定值与真实值进行线性拟合，得出线性校正方程。通过线性校正方程和头发样本δ13C、δ15N的测定值计算出真实值。

1.6 数据处理与统计分析

利用SPSS 20.0软件对头发样本的C、N稳定同位素比值进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 不同城市居民头发C、N稳定同位素比值特征

检测我国8个城市居民头发C、N稳定同位素比值，δ13C平均值为(-19.96±0.84)‰，范围为-22.20‰～-17.32‰；δ15N平均值为(7.08±1.14)‰，范围为4.11‰～9.38‰。对比不同城市居民头发C、N稳定同位素比值数据发现，不同城市存在显著性差异(ANOVA，δ13C：F(方差齐性)=8.64，P(显著性水平)<0.01；δ15N：F=82.24，P<0.01)，具体数值列于表2。

表2 不同城市常住居民头发样本的δ13C和δ15NTable 2 δ13C and δ15N values of resident hair samples in different cities

哈密居民头发δ13C平均值(-20.52±0.46)‰最小，与郑州δ13C平均值(-20.38±1.00)‰相近。温州居民头发δ13C平均值(-19.43±0.65)‰最大，其次为昆明(-19.54±0.84)‰。中国5个北部城市(哈密、郑州、咸阳、南阳、合肥)与3个南部城市(温州、昆明、贺州)δ13C平均值存在显著差异(T-test，t=5.29，P<0.01)，北部城市δ13C平均值(-20.16±0.79)‰低于南部城市(-19.61±0.77)‰。对于氮稳定同位素，贺州居民头发δ15N平均值(8.20±0.47)‰最高，最低的城市为郑州(5.49±1.02)‰。北部城市δ15N平均值(6.52±0.99)‰低于南部城市(8.07±0.55)‰，且存在显著差异(t=13.58，P<0.01)。我国居民头发δ13C和δ15N的标准偏差分别为0.84和1.14，数值相对较大，高于欧洲、美国、日本等国家和地区，这可能与我国不同城市居民各自具有相对传统的饮食习惯，不同地区之间存在较大的饮食差异有关[12]。

2.2 年龄、性别对头发C、N同位素比值的影响

本研究采集126份男性头发样本和121份女性头发样本。其中，男性居民δ13C平均值为(-19.96±0.94)‰，δ15N平均值为(7.21±1.08)‰；女性居民δ13C平均值为(-19.97±0.77)‰，δ15N平均值为(7.28±1.18)‰。男性与女性居民头发中C、N稳定同位素比值没有显著差异(δ13C：t=0.12，P=0.90；δ15N：t=0.42，P=0.68)。同一城市的男性和女性居民头发δ13C和δ15N列于表3，除昆明的男性和女性之间δ15N存在差异(t=-3.67，P=0.01)外，其他城市未见明显的性别差异。这表明单一的性别因素对居民头发C、N稳定同位素比值的影响不大。

表3 不同城市男性和女性居民头发样本的δ13C和δ15NTable 3 δ13C and δ15N values of hair samples from male and female residents in different cities

本研究采集头发样本的居民年龄范围为18～60岁。利用SPSS软件验证年龄与δ13C、δ15N的相关性。结果表明，居民年龄与δ13C存在弱相关性(r=-0.136，P=0.05)，而与δ15N没有显著相关性(r=0.03，P=0.66)。进一步研究发现，男性居民的年龄与δ13C、δ15N均未表现出显著相关性(δ13C：r=-0.07，P=0.44；δ15N：r=0.02，P=0.81)；女性居民的年龄与δ15N没有表现出明显的相关性(r=0.04，P=0.71)，但与δ13C表现出一定的相关性(r=-0.24，P=0.02)，示于图1。将女性按照年龄分为18～29岁、30～39岁、40～49岁和50～60岁4组，4组的δ13C依次减小，分别为(-19.82±0.75)‰、(-19.96±0.71)‰、(-20.01±0.83)‰、(-20.50±0.85)‰。50～60岁女性δ13C较18～29岁的低约0.7‰，存在显著差异(t=2.27，P=0.03)。以上研究表明，虽然年龄因素在表面上与δ13C存在一定程度的负相关，但这种关系与男性居民无关，主要是由女性居民头发δ13C随年龄增加而下降导致的。

受头发样本采集能力限制(样品量小、样品采集环境受限、头发来源不明确等原因)，目前对人头发C、N稳定同位素的研究主要集中在不同地域间的差异和饮食对头发中稳定同位素的影响，对性别、年龄等因素与头发C、N稳定同位素关系的研究较少。Somerville等[15]研究发现东南亚群岛部分村落居民头发C、N稳定同位素比值随年龄的增长而逐渐下降，研究人员认为造成这种年龄差异的主要原因是不同年龄居民受经济活动影响程度不同而产生的饮食习惯差异。Kusaka等[20]研究现代日本人头发稳定同位素组成时发现，不同性别、年龄的居民头发C、N稳定同位素比值存在显著差异，男性居民δ13C、δ15N略高于女性(δ13C：0.3‰；δ15N：

注：a.男性碳值；b.男性氮值；c.女性碳值；d.女性氮值图1 男性和女性居民头发C、N稳定同位素比值与年龄的关系Fig.1 Relationships between carbon and nitrogen isotope ratios of hair samples and ages of individuals divided by gender

0.2‰)，男性居民头发δ15N随年龄增加呈上升趋势，而女性居民头发δ13C逐渐减小。本研究未发现性别因素对中国居民头发稳定同位素的影响，这与文献[20]的结论相似，女性居民头发δ13C随年龄增加而呈现下降趋势。对于男性居民，本研究未发现其与年龄存在显著关系。目前研究人员普遍认为，饮食是影响人体C、N稳定同位素比值最重要的因素之一，大量食用C4植物和动物肉类食品会导致组织δ13C上升，动物肉类，特别是鱼类的摄入会导致组织δ15N的增加。因此，我国女性居民头发δ13C随年龄增加而呈现下降趋势可能与饮食习惯的变化有关，即年轻女性较年长女性可能摄入了更多的C4植物或肉类食品。

虽然女性头发δ13C与年龄呈现一定的相关性，但这种相关性却未出现在男性居民和氮稳定同位素比值中。这可能是男性和女性的生理差异导致了饮食与头发中稳定同位素的富集程度存在差异。C、N稳定同位素的富集发生在组织代谢过程中，不同的营养压力[21-22]、健康状态[23]、代谢水平[24]等都可能引起个体不同生长阶段稳定同位素富集能力的差异。

2.3 居民头发中C、N稳定同位素比值与饮食的相关性

对于碳稳定同位素，部分城市之间存在一定的差异。例如，哈密、咸阳和温州3个城市δ13C存在显著性差异，由小到大依次为：哈密(-20.52±0.46)‰<咸阳(-20.04±0.73)‰<温州(-19.43±0.65)‰。根据2019年中国统计年鉴[25]，3个城市所在省份(新疆、陕西、浙江)的居民人均蔬菜消费量依次递减，分别为107.5、98.4、91.2 kg，这表明头发δ13C与居民人均蔬菜消费量可能存在一定的相关性。但居民头发δ13C差异并不是存在于所有城市之间，例如，南阳(-19.96±0.73)‰、合肥(-19.75±0.76)‰、昆明(-19.54±0.84)‰和贺州(-19.88±0.77)‰等4个城市之间不存在δ13C显著性差异。河南、安徽、云南、广西省份的居民人均蔬菜消费量分别为101、96.5、96.5、92.8 kg[25]，蔬菜消费量与居民头发δ13C值并未表现出完全相同的变化趋势。将不同省份人均蔬菜消费量与对应城市居民头发δ13C进行相关性分析，二者存在显著的负相关性(r=-0.850，P=0.008)，表明头发δ13C随人均蔬菜消费量的增加而出现减小的趋势。这可能是因为绝大部分种类蔬菜为13C含量较低的C3植物，随着C3植物摄入的增多，头发等人体组织的δ13C减小。

氮稳定同位素的差异性要大于碳稳定同位素，郑州、南阳、哈密、合肥、贺州等城市的δ15N存在显著性差异，从小到大依次为郑州(5.49±1.02)‰<南阳(5.99±0.5)‰<哈密(6.85±0.36)‰<合肥(7.68±0.65)‰<贺州(8.20±0.47)‰。部分城市δ15N差别不显著，例如温州(8.04±0.59)‰、昆明(7.98±0.57)‰和贺州(8.20±0.47)‰等。合肥、温州、昆明和贺州4个城市δ15N相对较高，根据2019年中国统计年鉴[25]，合肥、温州和贺州3个城市居民人均鱼类消费量远大于其他城市，大约为2～5倍，这表明鱼类摄入量的增加会提高居民头发δ15N值。将不同城市居民头发δ15N与人均肉类消费量进行对比，二者存在显著的正相关性(r=0.839，P=0.009)，说明随着人均肉类消费量的增加，居民头发δ15N逐渐增大，这与文献[11,16]的结果相似。

在全部8个城市中，郑州和南阳同属于河南省，分别位于河南省北部和西南部，相距约220公里。郑州居民头发δ13C(-20.38±1.00)‰与南阳(-19.96±0.73)‰相差约0.4‰，郑州居民头发δ15N(5.49±1.02)‰与南阳(5.99±0.5)‰相差约0.5‰，这说明同一省内不同城市居民可能存在一定程度上饮食差异，利用全省人均食物消费量可能无法全面代表同一省份不同城市居民的饮食内容。

8个城市居民头发δ13C和δ15N值分布较为分散，城市之间存在大面积重合区域，仅通过C、N稳定同位素无法完全区分不同城市的头发样本，示于图2。通过对比全部头发样本C、N稳定同位素比值，δ13C和δ15N存在显著正相关性(r=0.712，P=0.04)，这与文献[13,26]的结果基本一致。造成这种现象的原因可能是：一方面，肉类食物摄入的增加使得人体组织中δ13C和δ15N均呈现不同程度上升；另一方面，二者的相关性可能与气候因素有关，较为干燥炎热的环境会导致生物组织δ13C和δ15N上升[27]。

图2 不同城市居民头发C、N稳定同位素比值分布Fig.2 δ13C and δ15N values of resident hair samples in different cities

2.4 居民头发C、N稳定同位素比值特征的国际间差异分析

将本研究的国内居民头发C、N稳定同位素数据与文献数据进行比较，结果列于表4。可见，不同国家居民头发C、N稳定同位素比值存在较大差异，特别是美国居民头发δ13C(-17.6±1.2)‰明显高于其他国家，蒙古居民头发δ15N(-20.7±0.5)‰表现出高值。与美国、欧洲、亚洲部分国家相比，中国居民头发δ13C(-20.0±0.8)‰)较低，这可能与中国人饮食中小麦、大米、蔬菜等C3植物的占比较大有关[28]。温州(-19.4±0.6)‰、昆明(-19.5±0.8)‰)和贺州(-19.9±0.8)‰等南部城市居民头发δ13C与日本相近，这可能是由食用C3植物比重下降，鱼类、肉类食用量相对上升导致的。本研究测定的中国居民头发δ13C低于文献[13]，这可能与样品采集范围不同有关，但两个研究中的δ15N((7.1±1.1)‰、(8.5±1.0)‰)均明显低于其他国家，体现出中国居民日常饮食中肉类、鱼类摄入量较少。与中国饮食结构相似的印度同样表现出较低的δ13C(-20.6±0.9)‰和δ15N(7.4±0.6)‰，日本、韩国、蒙古等亚洲邻国因食用大量肉类和鱼类[28]，其居民头发δ13C和δ15N明显高于我国。

随着物流行业的迅猛发展，大量的进口食品和国内食物通过冷库系统被分销各地，食物生产和消费已经不再依赖于特定的地理环境，各地区食物自给率下降，不同地区的居民大量食用“内容”相同的饮食，发达国家的饮食呈现高度“均质化”的特点[29]。实验研究常以δ13C和δ15N的离散程度作为辨别该地区饮食均质化的参考(标准偏差是否大于1)[20]。本研究的8个城市中，除郑州外，其他城市的δ13C和δ15N均在0.4～0.8之间，表明各城市居民的饮食差异相对较小，存在一定的均质性，说明同一城市居民饮食习惯差异不大。其中，哈密居民头发δ13C和δ15N标准偏差最小(δ13C：0.5；δ15N：0.4)，说明哈密居民可能存在极为相似的饮食习惯。但是不同城市间居民饮食习惯存在较大差异，使得我国居民头发样本C、N稳定同位素比值整体的标准偏差较大(>1‰)。美国、日本、韩国、欧洲部分国家居民头发稳定同位素的标准偏差较小(<0.8‰)，说明其居民饮食的地域差异不大，这些国家的饮食在食物产品生产和分销全球化背景下表现出明显的均质化。与之相反的是，我国居民头发样本C、N稳定同位素比值较大的波动范围体现了居民一定程度上保留了当地传统饮食习惯，没有完全融入到食品分销体系中。

表4 不同国家居民头发C、N稳定同位素比值Table 4 Carbon and nitrogen isotope ratios of hair samples between the Chinese and other countries

3 结论

本研究对我国8个城市常住居民头发进行了C、N稳定同位素比值分析，结果表明，部分城市间居民头发C、N稳定同位素比值存在显著差异，男性和女性居民头发C、N稳定同位素比值没有显著性差异，仅有女性居民头发δ13C与年龄呈现较弱的负相关。居民头发δ13C与人均蔬菜消费量呈显著负相关，δ15N与人均肉类消费量呈显著正相关，鱼类的大量摄入可能会提高居民头发δ15N值，表明不同城市居民头发C、N稳定同位素比值受不同种类食物的综合影响。比较我国与其他国家居民头发C、N稳定同位素数据，发现不同国家居民头发C、N稳定同位素比值存在差异，造成这种差异的原因是不同国家居民饮食习惯的不同，而我国居民较其他国家保留了较多的当地传统饮食习惯。