錳氧化物演化及礦物多樣性形成機制獲揭示

近日，中國科學院廣州地球化學研究所研究員朱建喜團隊在錳氧化物礦物演化及多樣性形成機制研究中取得重要進展。依托同步輻射X射線衍射等先進表征技術，團隊發現，在相同溶液化學條件下，不同結晶度的層狀水鈉錳礦可沿不同路徑發生相變，形成多種錳氧化物礦物，表明礦物自身結構性質是調控其演化路徑的關鍵因素。相關成果發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

錳氧化物廣泛分布于土壤、淡水和海洋沉積物中，在多種生物地球化學循環中發揮重要作用。自然界已發現30余種錳氧化物礦物，其晶體結構與組成差異顯著，但形成與演化機制尚缺乏系統認識。層狀水鈉錳礦是自然界最常見的錳氧化物之一，也是最主要的生物成因類型。以往研究普遍認為，水鈉錳礦與Mn(II)等還原性物質反應可轉化為黑錳礦、水錳礦等，轉化路徑及產物主要受pH、Mn(II)濃度等溶液化學條件控制。然而，已有實驗獲得的轉化產物類型有限，難以解釋天然錳氧化物的高度多樣性，而前驅體自身結晶度等性質在轉化過程中的作用長期被忽視。

針對該問題，朱建喜團隊博士后文科及合作者在國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目資助下，合成了三種具有不同結晶度及粒徑的層狀水鈉錳礦，并在相同Mn(II)溶液條件下開展轉化實驗。結果顯示，三種前驅體表現出截然不同的演化路徑：低結晶度水鈉錳礦轉化為錳鉀礦，中等結晶度樣品轉變為鈣錳礦，高結晶度樣品則主要形成拉錳礦。

機理分析表明，前驅體的結晶度、粒徑及結構缺陷可影響Mn(II)在礦物表面的吸附構型、電子轉移及結構重組過程，從而改變轉化路徑。據此，團隊提出，錳氧化物礦物的演化并非僅由外部環境條件決定，而是受“環境條件＋前驅體自身結構性質”共同調控。

論文第一作者文科表示，該發現為理解天然錳氧化物礦物多樣性的形成提供了新視角。天然生物成因錳氧化物通常粒徑小、結構缺陷豐富，隨環境條件改變，其結構與粒徑不斷變化，進而影響后續演化路徑，最終形成多樣的天然錳氧化物礦物。

該研究揭示了礦物納米尺度結構性質對演化路徑的重要調控作用，拓展了傳統上偏重外部環境條件的認識，為解答錳氧化物“從何而來、如何演化、為何多樣”提供了新的科學依據。同時，不同錳氧化物具有不同的結構、氧化還原性質及元素吸附能力，這種由前驅體性質主導的演化過程還可能影響稀土元素、關鍵金屬及營養物質在環境中的遷移、富集與循環。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag392