鐵、碳和氮的地球化學(xué)循環(huán)是決定土壤和沉積物環(huán)境中大量碳儲(chǔ)存命運(yùn)的關(guān)鍵過(guò)程。在陸地環(huán)境中，大約80%的總碳被保留在土壤中，其中超過(guò)21.5%的有機(jī)碳與鐵礦物結(jié)合，這表明土壤和沉積物中含鐵礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定對(duì)全球碳儲(chǔ)存具有重大貢獻(xiàn)。化學(xué)反硝化是亞鐵在自然環(huán)境中氧化并形成鐵礦物的重要過(guò)程，該反應(yīng)過(guò)程中形成的次生鐵礦物可固定活性有機(jī)質(zhì)，這可能是土壤和沉積物中有機(jī)碳穩(wěn)定的有效途徑。然而，目前人們對(duì)化學(xué)反硝化耦合有機(jī)質(zhì)固存的潛在機(jī)制尚不清楚。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所劉同旭研究員團(tuán)隊(duì)在中性厭氧條件開(kāi)展了化學(xué)反硝化批量動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合多種分析手段表征了反應(yīng)產(chǎn)物?；瘜W(xué)反硝化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，亞鐵氧化速率和亞硝酸鹽還原速率隨碳/鐵摩爾比的增加而降低。盡管生成的次生鐵礦物都可有效固定有機(jī)質(zhì)，但次生鐵礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定效率隨碳/鐵摩爾比的變化而改變。較高的碳/鐵摩爾比有利于形成水鐵礦和含有缺陷和納米孔隙的纖鐵礦。同時(shí)，形成的次生鐵礦物-有機(jī)質(zhì)復(fù)合物的局部配位環(huán)境主要由Fe-O殼層和共邊與共角的Fe-Fe殼層構(gòu)成。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用球差電鏡在納米尺度上揭示了活性有機(jī)質(zhì)更容易與結(jié)晶性差的次生鐵礦物結(jié)合，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性；分布在礦物納米孔隙和缺陷內(nèi)的有機(jī)質(zhì)具有更高的氧化態(tài)。高分辨質(zhì)譜結(jié)果顯示，化學(xué)反硝化反應(yīng)后，碳/鐵摩爾比較低的處理中次生鐵礦物對(duì)高分子量和不飽和度或氧/碳比高的物質(zhì)（包括：酚類、多環(huán)芳烴和羧酸類化合物）表現(xiàn)出更強(qiáng)的親和力。

總的來(lái)說(shuō)，化學(xué)反硝化可促進(jìn)活性有機(jī)質(zhì)的固存。研究結(jié)果對(duì)于理解鐵、碳和氮的長(zhǎng)期地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義，促進(jìn)了我們對(duì)鐵礦物在厭氧沉積物和土壤中形成和轉(zhuǎn)化控制有機(jī)質(zhì)固定的機(jī)理性認(rèn)識(shí)，可為厭氧土壤和沉積物中有機(jī)質(zhì)的固定提供一種潛在可行的策略。

以上成果發(fā)表于環(huán)境科學(xué)權(quán)威期刊Environmental Science & Technology并被選為副封面文章，胡世文為第一作者。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年人才托舉工程、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目和廣東省科學(xué)院發(fā)展專項(xiàng)等資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10134

研究成果入選Environmental Science & Technology副封面文章

供稿：省科學(xué)院土壤環(huán)境所

撰稿：胡世文

審稿：黃丹?董軍?羅璇

校稿：徐超??肖捷??章震