定量评估和预测地下水有机污染物的自然衰减速率对于理解有机污染物的环境地球化学行为及制定修复策略至关重要。含水层介质中的铁氧化物显著增强Fe(II)_aq还原能力，参与的有机污染物非生物还原过程是其自然衰减的重要组成部分之一。以往研究主要集中于单一稳态的铁氧化物体系，而实际含水层中广泛分布着非稳态铁氧化物，例如水铁矿，其易发生晶相转化而形成复杂的混合铁氧化物体系，然而水铁矿动态转化过程中还原能力的变化与有机污染物还原速率之间的定量构效关系尚不清晰。

针对上述问题，我校水资源与环境学院博士生李欣，在刘菲教授和杨珊珊副教授共同指导下，选定硝基苯为模式有机污染物，探究了其在Fe(II)_aq催化水铁矿晶相转化过程中的还原动力学行为，识别了体系还原能力的主控因素，建立了水铁矿不同转化路径中还原能力与硝基苯还原速率的定量线性自由能关系（图1）。取得以下主要认识：

（1）在Fe(II)_aq催化水铁矿晶相转化的不同路径中，体系还原能力主控因素不同：当pH和Fe(II)_aq浓度较低时，水铁矿逐渐转化为亚稳态纤铁矿和稳态针铁矿，还原能力取决于矿物组成，并随转化而增强；而pH和Fe(II)_aq浓度的增加促进了磁铁矿生成，并导致pH和Fe(II)_aq浓度下降，进而引起还原能力的减弱（图2）。

（2）在水铁矿晶相转化的不同路径中，体系还原能力可与硝基苯还原速率建立同一线性自由能关系（R²=0.89，图3），且斜率接近1，说明硝基苯还原受热力学驱动力控制，是单电子转移过程，证明线性自由能关系可拓展应用于水铁矿晶相转化过程中。

（3）在水铁矿转化为磁铁矿的路径中，针铁矿与水铁矿共存可通过模板效应定向控制矿物转化，减少磁铁矿生成，从而维持体系较强的还原能力并强化硝基苯的非生物衰减过程（图4）。

本文耦合矿物表征、水化学和电化学分析技术，阐明了水铁矿晶相转化过程中还原能力的调控机制，构建了硝基苯还原的线性自由能关系，为预测污染物环境归趋和指导强化自然衰减技术提供了理论和技术支撑。

图1 水铁矿晶相转化过程中硝基苯还原线性自由能关系的概念图

图2 水铁矿晶相转化不同路径中E_H、pH和Fe(II)浓度的变化

图3 水铁矿转化过程中热力学和硝基苯还原动力学的线性自由能关系

图4 针铁矿-水铁矿共存体系的矿物组成、硝基苯还原速率以及还原能力的变化

本研究得到了国家自然科学基金（42277050和42107241）、“求真学人”计划（3-7-10-2025-05）和国家重点研发计划（2023YFC3708800）的联合资助。

研究成果于近期发表在环境科学与工程领域国际权威期刊《Environmental Science & Technology》: Li, X.; Zhang, H.; Yang, S.*; Liu, J.; Liu, F*. Abiotic Attenuation of Nitrobenzene Controlled by Reduction Capacity Shifts during Fe(II)_aq–Catalyzed Ferrihydrite Transformation. Environmental Science & Technology. 2025.

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c01613