鐵錳復合礦物形成與轉化及其對有機碳固存的機制獲揭示

廣東省科學院生態環境與土壤研究所研究員劉同旭團隊在國家自然科學基金等項目的資助下，研究揭示了亞鐵和水鈉錳礦氧化還原反應形成的次生鐵錳復合礦物對有機質的固存。近日，相關成果發表于《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）。

土壤和沉積物中鐵（Fe）和錳（Mn）礦物是具有高氧化還原活性的物質，可通過共沉淀和吸附等作用與有機質（OM）結合，增強有機碳（OC）的穩定性。Fe-Mn復合礦物固存OM可能是實現自然環境中OC持久性的有效途徑。然而，先前的研究主要集中于單一鐵或錳礦物與OM的相互作用，關于Fe(II)和水鈉錳礦氧化還原反應形成的Fe-Mn復合礦物對OC動力學行為的影響尚不清楚，限制了對OM動態變化的理解。

針對上述科學問題，研究團隊結合光譜、質譜和電鏡等手段闡明了不同pH和亞鐵濃度反應條件下，Fe(II)和水鈉錳礦氧化還原反應介導富里酸（FA）固定和分子轉化的微觀機制。團隊在進行批量動力學實驗后發現，較高pH和Fe(II)添加有助于Fe(II)氧化，并促進了水鈉錳礦的還原轉化；FA發生了吸附-氧化的耦合反應，且FA的固存效率隨著pH的降低和Fe(II)濃度的增加而增加。經歷氧化還原反應后，Fe(II)主要氧化成水鐵礦，在較高pH和Fe(II)添加條件下檢測到少量纖鐵礦和六方水鐵礦。同時，形成的鐵錳復合礦物-有機質復合物的局域配位環境由Fe/Mn-O鍵、Fe-C鍵、共邊共角的Fe-Fe鍵和Mn-Mn鍵構成。

研究團隊進一步利用球差電鏡，在納米尺度上揭示了FA主要與Fe-Mn復合礦物結合，且分布在納米孔洞和薄的Fe-Mn復合礦物中的OC表現出更高的氧化態。研究人員還利用高分辨質譜，在分子尺度上闡明了在較低pH和較高Fe(II)添加條件下，高分子量、O/C鍵、芳香族和不飽和結構的化合物（含木質素、單寧和縮合烴）與Fe-Mn復合礦物表現出了更強的結合力。

上述發現為理解Fe-Mn復合礦物的形成與轉化及其對有機質的固存提供了科學依據和理論基礎，有助于厘清缺氧土壤和沉積物中Fe、Mn和C的長期循環。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c12756