铁矿物与有机质的相互作用深刻影响着地表环境中有机碳的归趋。传统观点认为，铁氧化物通过吸附或共沉淀作用保存有机质，构成重要的矿物碳泵。然而，近年研究揭示，当环境在厌氧-有氧之间波动时，还原态Fe(II)矿物的再氧化过程可产生强氧化性的羟基自由基（·OH），进而降解与之结合的有机质。这一机制挑战了矿物结合态有机碳是稳定碳库的固有认知，为理解氧化还原波动环境中碳的快速周转提供了新视角。

尽管已有研究证实土壤和沉积物中Fe(II)氧化伴随·OH的大量生成，但针对该环境中最普遍的铁氢氧化物——水铁矿（ferrihydrite）与不同类型有机质形成的共沉淀体系，其·OH的产生机制及调控因素仍缺乏系统性认知。有机质在该过程中可能起到了多重作用，它既能络合铁改变反应氧化反应路径，也能提供电子参与反应，还可竞争淬灭已生成的·OH。厘清这些复杂的互作机制，对于准确评估铁矿物驱动的有机碳矿化通量具有重要意义。

针对上述问题，我校地球科学与资源学院曾强副教授和董海良教授团队选取三种性质迥异的模式有机质——柠檬酸（代表小分子有机酸类）、聚半乳糖醛酸（代表微生物源多糖类）和木质素（代表植物源类），合成了一系列不同C/Fe摩尔比的水铁矿-有机质共沉淀物。通过厌氧条件下外加Fe(II)进行非生物还原，再暴露于空气重新氧化，系统追踪了Fe(II)氧化动力学、·OH累积产量及生成路径的演变及相关机制。研究取得了以下关键发现：

1. 揭示了两阶段氧化动力学与·OH生成机制（图1）：研究发现，还原态水铁矿-有机质共沉淀物的氧化过程呈现清晰的两阶段特征。在初始的快速氧化阶段，·OH主要由矿物表面吸附态Fe(II)通过非均相氧化方式产生，表现出较低的·OH产率效率（即单位Fe(II)氧化所产生的·OH量）；而在随后的缓慢氧化阶段，则是通过界面电子转移持续再生液相Fe(II)，并由均相氧化主导·OH的生成。尽管第二阶段反应速率慢，但其·OH产率效率却显著高于第一阶段。

2. 明确了有机质官能团性质的差异化影响（图2）：不同有机质对·OH产率的调控能力截然不同。柠檬酸和多糖具有较强的铁络合能力，它们使更多的矿物结合态Fe(II)从固相进入溶液，并且提高了界面电子转移再生液相Fe(II)的效率，推动·OH生成路径从矿物表面的非均相反应转向溶液体系的均相反应转变，从而提高·OH产生效率。而木质素尽管其铁螯合能力较弱，但它凭借其强大的电子供给能力，能够直接将电子传递给Fe(III)甚至O₂，从而额外促进·OH的生成。但是，有机质本身也能够与探针分子竞争捕获·OH，从而降低其产生效率。

3. 发现C/Fe比是决定有机质影响的关键因子（图3）：有机质的这些性质最终如何影响·OH产生的平均效率，高度依赖于其与共沉淀铁矿物的相对含量。在低碳/铁比（C/Fe） 条件下，有机质通过其铁螯合作用，促进了液相·OH的生成路径，整体上使·OH产率提高了48.9%至98.1%。但在高碳/铁比条件下，有机质竞争捕获·OH的效应开始占据主导地位，柠檬酸和多糖的存在反而抑制了·OH产率，降幅达22.2%至28.6%。而木质素因其较强的电子供体能力，抵消其自身的·OH清除效应，使其在高C/Fe比下仍提升36.8%·OH产率。

该研究挑战了矿物-有机质复合体仅为稳定碳库的传统认知，证明了其在氧化还原波动环境中可作为活性氧物种（如·OH）的重要来源，揭示了不同性质有机质对·OH产生机制及效率的调控作用。这一发现为理解地表环境中碳循环、污染物自然衰减以及土壤健康提供了新的理论认知；为解释了为何不同生态系统中碳周转速率差异，也为预测有机污染物在富含铁矿物环境中的降解效率提供了关键的机理性见解。

图1 水铁矿与水铁矿-有机质共沉淀体中Fe(II)氧化量与·OH产量的相关性

图2 不同有机质对水铁矿-有机质共沉淀体·OH产生效率的调控能力差异示意图

图3 水铁矿及水铁矿-有机质共沉淀体·OH产生的平均效率（通过不同氧化阶段的加权平均计算而得）

研究得到国家自然科学基金重大项目（42192503、42192500）、中国地质大学（北京）深时数字地球前沿科学中心以及中央高校基本科研业务费专项资金（2652023001、590225010）的联合资助。

该研究成果发表于环境科学与工程领域国际权威期刊 Environmental Science & Technology：Zeng, Q^* （曾强）, Wu, Y （吴逸飞）, Hu, D （胡大福）, & Dong, H^* （董海良）. (2026). Multifaceted Impacts of Organic Matter on Hydroxyl Radical Production upon Oxidation of Reduced Ferrihydrite-Organic Matter Coprecipitates.

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c17138