地热系统是矿物、微生物与石油烃相互作用的热点区域。矿物中铁的氧化还原循环与石油烃的耦合转化对生态系统具有重要意义，但其作用机制仍未被充分理解。

针对以上科学问题，我校能源学院刘源与地球科学与资源学院博士生陈泓羽，在董海良教授的指导下，探讨了还原态黏土矿物（绿脱石NAu-2）氧化过程产生的羟基自由基介导的石油烃非生物转化作用，并进一步研究了石油-黏土相互作用对黏土矿物结构Fe(III)的生物耦合还原及石油烃降解的影响。

研究结果表明：(1) 非生物氧化过程中产生的含氧化合物拓宽了厌氧条件下微生物烃类活化途径；(2) 富集了嗜热厌氧微生物，并在Fe(III)的生物还原与石油烃降解过程中发挥关键作用。本研究揭示了非生物-生物过程的碳-铁循环之间的耦合关系，为界面生物圈的生物地球化学功能提供了重要的科学见解。此外，取得了以下新的认识：

1.在非生物氧化阶段，还原态绿脱石（rNAu-2）在氧化过程中生成高活性的羟基自由基（●OH）。●OH通过拔氢（HAA）或自由基加成（RAF）机制氧化石油烃。氧化程度及其潜在机制与化合物的分子结构密切相关。该氧化过程导致烃类的减少，并伴随含氧化合物的增加（图1）。

图1 母体烃（不含红色标记官能团的化学式）及其可能的●OH氧化产物（含红色标记官能团的化学式），其氧化途径包括拔氢（HAA）或自由基加成（RAF）。

2.在转变为厌氧条件后，相较于oil-NAu-2+HMZ 组，oil-orNAu-2+HMZ 组的生物还原程度显著提高，达到了 35.1 ± 3.2%。NAu-2 结构在还原过程中发生了变化，生物还原后体系中生成了蓝铁矿（vivianite）。生物还原导致矿物还原性溶解，溶液中 Fe 和 Si 的浓度在生物还原后增加。

图2 (A) 不同处理条件下总Fe(II)浓度随时间的变化；各处理组在144天生物还原后傅里叶变换红外光谱（FTIR）(B)、X射线衍射（XRD）图谱(C)、无生物对照组和生物处理组的水相Si、Al及Fe浓度(D)。

3.在9种厌氧生物降解C、H化合物的途径中，有7种的首个关键基因（即 AssA、AhyAB、AbcA、AncA、NmsA、BssA 和 CmdA）在oil-NAu-2+HMZ 组中的丰度高于oil-orNAu-2+HMZ 组。相比之下，在专门降解 CHO 化合物的5种途径中，有4种的首个关键基因（即 PpsAB、PcmIJ、PchF 和 BclA）在oil-orNAu-2+HMZ 组中的丰度更高。这些显著差异表明，非生物氧化过程中形成的含氧化合物可选择性地富集微生物对特定底物的代谢功能。

图3 代谢途径包括：（A）仅含C、H化合物的厌氧降解途径，（B）含C、H和O化合物的厌氧降解途径，以及（C）苯甲酰辅酶A的降解途径

该研究得到了国家自然科学基金委项目（NSFC-42192503）和中国博士后科学基金项目（2024 T170858）的支持。相关成果发表在国际权威学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》: Yuan Liu¹, Hongyu Chen¹, Yizhi Sheng, Weiguo Hou, Wenhui Zhang, Wenhui Hu, Hailiang Dong*. Abiotic and biotic transformation of petroleum hydrocarbons coupled with redox cycling of structural iron in clay mineral. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 395: 44-63.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.02.038