研究团队揭示亚铁和水钠锰矿氧化还原反应形成的次生铁锰复合矿物对有机质的固存

土壤和沉积物中铁（Fe）和锰（Mn）矿物是具有高氧化还原活性的物质，可通过共沉淀和吸附等作用与有机质（OM）结合，增强有机碳（OC）的稳定性。Fe-Mn复合矿物固存OM可能是实现自然环境中OC持久性的有效途径。然而，先前的研究主要集中于单一铁或锰矿物与OM的相互作用，关于Fe(II)和水钠锰矿氧化还原反应形成的Fe-Mn复合矿物对OC动力学行为的影响尚不清楚，限制了对OM动态变化的理解。

针对上述科学问题，广东省科学院生态环境与土壤研究所刘同旭研究员团队结合光谱、质谱和电镜等手段阐明了不同pH和亚铁浓度反应条件下，Fe(II)和水钠锰矿氧化还原反应介导富里酸（FA）固定和分子转化的微观机制。团队在进行批量动力学实验后发现，较高pH和Fe(II)添加有助于Fe(II)氧化，并促进了水钠锰矿的还原转化；FA发生了吸附-氧化的耦合反应，且FA的固存效率随着pH的降低和Fe(II)浓度的增加而增加。经历氧化还原反应后，Fe(II)主要氧化成水铁矿，在较高pH和Fe(II)添加条件下检测到少量纤铁矿和六方水铁矿。同时，形成的铁锰复合矿物-有机质复合物的局域配位环境由Fe/Mn-O键、Fe-C键、共边共角的Fe-Fe键和Mn-Mn键构成。

团队进一步利用球差电镜，在纳米尺度上揭示了FA主要与Fe-Mn复合矿物结合，且分布在纳米孔洞和薄的Fe-Mn复合矿物中的OC表现出更高的氧化态。研究人员还利用高分辨质谱，在分子尺度上阐明了在较低pH和较高Fe(II)添加条件下，高分子量、O/C键、芳香族和不饱和结构的化合物（含木质素、单宁和缩合烃）与Fe-Mn复合矿物表现出了更强的结合力。

上述发现为理解Fe-Mn复合矿物的形成与转化及其对有机质的固存提供了科学依据和理论基础，有助于厘清缺氧土壤和沉积物中Fe、Mn和C的长期循环。

以上成果发表在环境科学权威期刊Environmental Science & Technology，胡世文博士为论文第一作者，刘同旭研究员为通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金面上项目、青年人才托举工程、广东省现代农业产业技术体系项目和广东省科学院发展专项等资助。

铁锰复合矿物形成与转化及其对有机碳固存的机制示意图

论文信息：

Shiwen Hu, Hanyue Zhang, Yang Yang, Pei Wang, Zecong Ding, Guojun Chen, Shan Wang, Kuan Cheng, Chao Guo, Xiaomin Li, Tongxu Liu^*, Organic Carbon Sequestration by Secondary Fe-Mn Complex Minerals via the Anoxic Redox Reaction of Fe(II) and Birnessite, Environ. Sci. Technol. 2025.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c12756

（土壤分子过程团队 胡世文/供稿）