铁矿物介导的地聚反应：缺氧环境下有机碳-铁结合的稳定性危机

本研究揭示了铁矿物在缺氧环境中通过地聚反应加速有机碳分解的双刃剑效应。针对矿物结合有机碳(OC-Fe)长期稳定性这一关键科学问题，研究人员通过多湖泊沉积物采样和微宇宙实验，发现Fe、Mn、Al矿物协同催化小分子有机物聚合成具有电子穿梭功能的大分子地聚物(ETC提升52-115%)，促进微生物异化铁还原(DIR)过程，使活性/惰性铁矿物结合OC的平均保留时间(MRT)分别降低51.4%和74.1%。该成果为全球碳汇模型必须整合矿物组成与氧化还原动态提供了关键证据。

　　

在应对气候变化的全球行动中，土壤和沉积物作为重要的碳汇一直备受关注。矿物结合有机碳(MAOC)，特别是与铁矿物结合的有机碳(OC-Fe)，传统上被认为能在氧化条件下通过物理隔离实现长期封存。然而这种"矿物保护"假说在缺氧环境中面临挑战——最新研究表明，铁矿物可能从碳封存的"守护者"转变为碳释放的"帮凶"。中国科学院南京地理与湖泊研究所的研究团队在《Nature Communications》发表的这项研究，揭示了这一颠覆性现象背后的分子机制。

研究团队采用多尺度技术路线：采集长江中下游14个湖泊表层沉积物(0-5cm)进行序贯提取分离活性(AM)与惰性(IM)铁矿物组分；设计正交微宇宙实验模拟α-Fe₂O₃、δ-MnO₂和γ-Al(OH)₃协同催化酚类物质地聚反应；结合同步辐射红外光谱(SR-FTIR)和三维荧光光谱(3DEEM)表征有机质转化特征；通过180天厌氧培养量化腐殖酸(HAs)对OC-Fe稳定性的影响。

沉积物OC-Fe的分布特征

通过序贯提取发现湖泊沉积物中活性铁矿物(AM)占总铁的67.2±2.7%，其结合的OC-Fe_AM与惰性矿物结合的OC-Fe_IM各占50%。SR-FTIR显示酚类、多糖和肽类物质与Fe/Al氧化物空间分布高度相关(R²=0.85-0.96)，颠覆了传统认为芳香族物质仅与腐殖质相关的认知。

多矿物协同催化地聚反应

微宇宙实验显示Fe+Mn+Al组合使酚类物质地聚效率提升161-796%，产物电子传递容量(ETC)平均增加78.5±23.9%。其中δ-MnO₂主导芳香环断裂(CO₂产量最高)，α-Fe₂O₃促进缩合反应(产物粒径最大)，γ-Al(OH)₃通过产生羟基自由基(·OH)发挥助催化作用。

自然沉积物中的地聚反应证据

沉积物腐殖酸(HAs)虽仅占TOC的17.6±18.0%，却贡献31.1±11.7%的电子传递容量。当Fe、Al、Mn含量分别超过38.75g/kg、66.51g/kg和1.06g/kg阈值时，HAs积累显著增加，其官能团特征与实验地聚产物高度相似。

地聚产物对OC-Fe稳定性的影响

添加HAs使OC-Fe加权平均保留时间从1071天骤降至355天。其中OC-Fe_IM的MRT降幅(74.1±13.7%)大于OC-Fe_AM(51.4±15.6%)，伴随DIR菌(如Shewanella putrefaciens)丰度增加77.1±65.6%。₁₃C标记实验证实地聚物作为电子穿梭体，使Fe(III)还原菌对CH₃¹³COOH-Fh的分解效率提升85.4%。

这项研究建立了"矿物催化地聚-电子穿梭-微生物还原"的级联反应链条，揭示出缺氧环境中矿物保护有机碳的"稳定性困境"：活性铁矿物虽能通过聚合反应延长小分子OC的化学寿命，但产物却成为撬动整个OC-Fe库稳定性的"分子杠杆"。该发现要求重新评估内陆水体沉积物碳汇潜力，特别是在全球水体普遍缺氧化的背景下。未来碳循环模型需整合矿物组成、氧化还原波动和微生物代谢途径三重变量，才能准确预测碳汇-源的动态平衡。研究团队提出的"矿物组成阈值效应"(如Fe>38.75g/kg)为识别易受地聚反应影响的沉积碳库提供了量化指标，对全球碳预算核算具有重要指导意义。