这种像铁锈的矿物，为何是地球最棒的“固碳宝库”

工程师通过深入研究常见的氧化铁矿物水铁矿发现，它依靠多种不同的化学过程来捕获和固定碳。这种矿物并非仅使用单一方法，而是采用多种策略，使其能够结合多种不同类型的有机物质。尽管水铁矿整体带正电荷，但研究人员发现其表面并非均一，而是由带有正负电荷的微小区域组成。这种斑驳的结构使水铁矿与碳的相互作用方式比科学家之前所了解的更多。除了静电吸引外，这种矿物还能形成化学键和氢键，从而在其表面与有机分子之间建立牢固的连接。这些机制共同使氧化铁矿物成为适应性极强的碳结合剂。它们能捕获范围广泛的有机化合物并将其长期保存，有时可长达数十年甚至数百年。这一过程有助于阻止碳重新进入大气成为加剧气候变暖的温室气体。该研究结果发表在《环境科学与技术》期刊上，首次提供了水铁矿表面化学的最详细视图，而这正是土壤储存碳的关键因素。“氧化铁矿物对于控制土壤和海洋沉积物中有机碳的长期保存至关重要，”领导这项研究的西北大学的Ludmilla Aristilde说，“环境中有机碳的命运与全球碳循环紧密相连，包括有机物向温室气体的转化。因此，了解矿物如何捕获有机物非常重要，但此前一直缺乏对氧化铁通过不同结合机制捕获不同类型有机物的定量评估。”Aristilde是西北大学麦考密克工程学院的土木与环境工程教授，研究有机物质在环境系统中的行为。她还隶属于国际纳米技术研究所、保拉·M·特里嫩斯可持续性与能源研究所及合成生物学中心。王嘉兴是该研究的第一作者，Benjamin Barrios Cerda为第二作者，两人均为Aristilde实验室的博士后研究员。土壤估计储存了25000亿吨碳，是地球上最大的碳库之一，仅次于海洋。尽管其重要性不言而喻，但科学家仍在探索土壤将碳从活跃碳循环中移除并将其保留在地下的确切过程。Aristilde及其团队多年来一直在研究矿物和土壤微生物如何影响碳是被捕获还是释放回大气。他们早期的研究探讨了黏土矿物如何结合有机物，以及微生物如何优先将某些有机化合物转化为二氧化碳。在这项最新研究中，团队聚焦于氧化铁矿物，它们与土壤中超过三分之一的有机碳相关。他们重点研究了水铁矿，这是一种常见于植物根系附近以及富含有机物质的土壤或沉积物中的矿物。尽管在环境条件下水铁矿通常带正电荷，但它能结合带负电荷、正电荷或中性电荷的有机化合物。为了理解水铁矿如何与如此广泛的化合物相互作用，研究人员使用高分辨率分子建模和原子力显微镜仔细检查了该矿物的表面。尽管其整体电荷为正，但他们证实其表面包含正负电荷区域的混合。这解释了为何水铁矿既能吸引磷酸盐等带负电荷的物质，也能吸引带正电荷的金属离子。“有充分证据表明，在相关环境条件下水铁矿的整体电荷为正，”Aristilde说，“这导致人们假设只有带负电荷的化合物才会与这些矿物结合，但我们知道这些矿物能结合带正负电荷的化合物。我们的研究表明，正是表面分布的正负电荷的总和使矿物具有整体正电荷。”绘制表面电荷图谱后，团队测试了不同有机分子与水铁矿的相互作用。他们将该矿物暴露于土壤中常见的化合物，包括氨基酸、植物酸、糖类和核糖核苷酸。研究人员测量了每种化合物在矿物上的附着量，并使用红外光谱学确定分子的附着方式。实验表明，水铁矿通过多种不同途径结合有机分子。带正电荷的氨基酸附着在矿物的负电荷区域，而带负电荷的氨基酸则结合到正电荷区域。一些化合物（如核糖核苷酸）最初通过电力吸引，随后与铁原子形成更强的化学键。结合较弱的糖类则通过氢键附着。“总的来说，我们的发现为构建氧化铁参与的矿物-有机结合机制框架提供了定量依据，这些机制驱动着有机物的长期保存，”Aristilde说，“这些结合可能有助于解释为什么有些有机分子在土壤中受到保护，而另一些则更容易被微生物分解和呼吸消耗。”接下来，研究人员计划研究有机分子结合到矿物表面后发生的情况。有些可能转化为微生物可进一步分解的化合物，而另一些可能变得更难分解。这项名为《氢氧化铁的表面电荷异质性及有机结合模式机制》的研究得到了美国能源部和国际纳米技术研究所的支持。