中国地质大学（北京）董海良团队Nature Reviews Earth & Environment：碳-铁耦合循环过程研究进展

图文导读

土壤和沉积物是地球上有机质（ Organic matter ）的主要储存库，其动态周转对碳循环和全球气候具有重要影响。有机质在土壤和沉积物环境中与矿物密切相关。富铁（ Fe ）矿物价态、形态、表面结构的变化在有机碳固定和转化过程中扮演着重要角色，决定着地表环境碳储量的动态变化。一方面，矿物与有机质的结合减缓了有机质的分解，并有助于碳的储存；另一方面，富铁矿物的氧化还原界面可以降解有机质，并将一部分有机质以二氧化碳（ CO ₂ ）和甲烷（ CH ₄ ）的形式释放到大气中。铁的氧化还原反应还可以通过微生物厌氧呼吸过程促进有机质的氧化，而有机质作为电子传导媒介影响铁矿物的氧化还原性质。然而，这些过程的复杂耦合作用目前尚未厘清。深入解析铁 - 碳耦合循环的机制对于理解土壤和沉积物中有机碳的命运及其对全球气候变化的影响至关重要。文章系统地讨论了表生环境中的铁 - 碳耦合循环机制，并提出了未来的研究方向，主要取得以下创新性认识 。

（ 1 ）矿物结构中的 Fe(II) 发生氧化还原反应，产生活性氧分子（ Reactive oxygen species ）。活性氧分子具有强氧化性，能直接降解有机质，同时亦能在矿物表面加速有机大分子的形成。基于微生物分泌到体外的胞外酶是有机质的主要分解者之一，矿物产生的活性氧分子通过促进或抑制氧化酶与水解酶的活性，从而间接影响有机质的转化（图 1 ）。此外，活性氧分子的产生改变微生物群落、降低异养微生物活性，从而有利于有机质的储存。

（ 2 ）微生物可以通过呼吸或是发酵型铁还原作用耦合有机质的氧化，同时溶解 Fe(III) 矿物，释放矿物结合态有机质。在氧化还原波动的环境中，铁的氧化还原循环可以通过上述机制不断地形成 - 解离 - 再次形成新的矿物 - 有机质复合体，有机质在该过程中也会经历持续不断的转化（图 2 ） 。

图 2 铁氧化还原循环驱动矿物 - 有机质复合体的形成与转化

（ 3 ）有机质对铁的氧化还原循环同样有着重要影响。不同类型的有机质可以在微生物的铁呼吸过程中作为电子的供体、受体、穿梭体、缓冲及传导媒介（图 3 ），从而影响铁循环和其他生源要素循环的效率及微生物的代谢过程 。

（ 4 ）有机质与铁矿物的结合状态同样显著影响着铁循环的效率。矿物会对有机质进行选择性吸附。吸附之后的有机质可以通过减少矿物粒径大小，遮挡电子传递的有效位点、创造物理屏障等方式影响微生物与铁矿物之间的电子传递过程。同时，有机质在矿物上不同的吸附位点也影响着微生物 - 有机质 - 矿物间的电子传递路径与模式。另外， Fe(III) 矿物还可以通过共沉淀的方式与有机质结合，该过程中有机质同样能够通过减小矿物颗粒粒径与有序度，或是通过增加矿物颗粒的团聚行为等方式影响微生物的 Fe(III) 还原效率及 Fe(III) 矿物的相变过程 。

（ 5 ）有机质可以通过矿物溶解作用，形成溶解态的铁 - 有机质复合体（ Fe-OM complex ），从而影响微生物的铁氧化还原效率。譬如， Fe-OM complex 更容易被原微生物利用，并且有机质的螯合性质阻碍了还原后的 Fe(II) 在矿物表面的吸附或是氧化后 Fe(III) 矿物的沉淀，有利于铁氧化还原反应的进一步进行。同时， Fe-OM complex 还可以作为电子穿梭体加速反应，提高微生物氧化还原较为惰性的铁矿物（如伊利石，磁铁矿）的铁循环效率。