在土壤与沉积环境中，有机质通常与铁（氢）氧化物结合在一起，形成铁氧化物-有机质复合体。微生物对铁氧化物的还原作用能够破坏这种复合体的稳定性，造成矿物/有机质的转化，这对有机质在环境中的周转具有深刻影响。然而，环境中同样常见的粘土矿物对于该过程的影响，目前尚不明确。
针对上述科学问题，我校“极端环境生物地球化学循环”求真研究群体曾强博士后在董海良教授指导下，合成了铁氧化物-蒙脱石-有机质复合体，并运用一种模式铁还原菌Geobacter sulfurreducens模拟环境中的铁还原过程，研究矿物属性对于复合体的微生物铁还原过程的影响，以及有机质的转变过程，取得了以下新认识：
1. G. sulfurreducens能够利用矿物结合态的有机质作为电子供体/碳源还原水铁矿，并且蒙脱石的加入提高了复合体的铁还原程度。在还原阶段初期蒙脱石略微抑制了铁还原速率，这可能是由于蒙脱石对于复合体中的电子供体（有机质）与电子受体（水铁矿）的结合起到了一定的空间阻隔作用。但是在还原阶段后期，蒙脱石又显著提高了铁还原速率，这主要是因为带负电的蒙脱石表面能够吸附还原产生的Fe²⁺离子，使得这些Fe²⁺离子不会重新吸附到水铁矿或是菌体表面，造成钝化作用使得体系的还原活性降低。
2. 生物还原过程造成了将部分矿物结合态有机质的脱附，以及将其转化成微生物产物（如微生物残体，细胞胞外分泌物等，图1），但是具有芳香类官能团，羧基，及分子量较大的有机质，更不容易在还原过程中脱附或被氧化，这主要是由于它们与矿物表面更强的结合力以及更难作为碳源/电子供体为微生物提供能量。
该结果进一步挖掘了矿物相对厌氧土壤环境中铁-碳耦合的生物地球化学循环的影响，对深入理解地表碳循环过程具有一定的启示意义。

图1 扫描电镜显示（A）铁还原菌与矿物-有机质复合体在反应两小时后紧密接触（B, C）在反应结束后转化为微生物代谢产物
上述研究成果发表在地球化学国际权威刊物 《Geochimica et Cosmochimica Acta》上： Zeng Q, Huang L., Ma J., Zhu Z., He C, Shi Q, Liu W, Wang X, Xia Q., Dong H.*. Bio-reduction of ferrihydrite-montmorillonite-organic matter complexes: Effect of montmorillonite and fate of organic matter. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020. 276: 327-344. [IF2018=4.258]
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.03.011

附件2020043008554257376.pdf(4.7465057MB)