铁水铁矿介导的石油烃生物降解与土壤多元素电子传递耦合机制研究

为解决石油污染土壤修复中电子传递效率低、污染物降解不彻底的问题，研究人员通过铁水铁矿(Fh)介导的微生物电化学系统(MES)，揭示了Fh转化为针铁矿(Gt)和赤铁矿(Hem)的相变过程可提升67%电荷输出和74%石油烃(TPH)降解率，同步激活难降解有机碳并重构微生物群落，为污染土壤修复与元素定向调控提供了新策略。

　　

石油污染土壤修复是全球性环境难题，传统方法常面临电子传递效率低、污染物降解不彻底等瓶颈。铁氧化物作为土壤中天然的电子"中转站"，其相变过程如何影响微生物驱动的污染物降解与元素循环，一直是环境科学领域的未解之谜。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究，通过铁水铁矿(Ferrihydrite, Fh)介导的土壤微生物电化学系统(Microbial electrochemical system, MES)，揭示了铁矿物相变与多元素循环的耦合机制。

研究采用单室MES反应器，以天津大港油田石油污染土壤为对象，通过电极空间定位、矿物表征(X射线衍射/X光电子能谱)和宏基因组分析等技术，系统解析了Fh在不同电极区的转化路径及其环境效应。

Ferrihydrite-amendment enhances soil electron transfer
研究发现Fh初期作为绝缘体抑制电流，但在15天后通过相变形成导电网络。阴极区Fh主要转化为针铁矿(Goethite, Gt)，阳极区转化为赤铁矿(Hematite, Hem)，使累积电荷提升67%。

Fh transformation drives organic matter molecular shift
Fh相变促使有机物芳香度降低9%，不饱和烃降解30%，木质素降解9%，电子转移能力(ETC)提升2.3倍，证实了矿物-微生物协同的碳活化机制。

Fh restructures microbial community and co-occurrence network
Fh显著富集了Desulfuromonas(11.2%)和Pseudomonas(7.8%)等功能菌属，微生物网络复杂度提升40%，形成了以铁还原菌为核心的电子传递链。

Fh drives coupled biogeochemical cycles
Fh使铁转化功能基因上调171%，同步促进反硝化(90%)、硫酸盐还原(15%)和磷释放(40%)相关基因表达，碳代谢基因上调50%，揭示了铁循环作为元素转化的"核心开关"作用。

该研究首次阐明了Fh空间相变对土壤电子传递网络的塑造机制，不仅为石油污染修复提供了新材料新思路，更建立了矿物相变-微生物互作-元素循环的理论框架。Fh兼具电子介导和碳激活双重功能的特点，为复杂土壤环境中污染治理与元素调控的协同优化提供了科学依据。