铁（氢）氧化物广泛存在于地表及地下环境，能够通过Fe(II)/Fe(III)氧化还原转化参与碳、硫及金属元素循环。不同铁矿物的晶体结构和稳定性差异显著，这会影响铁的释放与微生物可利用性，也可能进一步改变电子从供体向污染物的传递效率。然而，矿物前驱体是否更易反应，并不必然意味着其最终形成的电子缓冲相性能更好。

为厘清这一问题，我校水资源与环境学院2024级博士生原源，在陈男教授等指导下，构建了厌氧硫氧化生物反应体系，分别加入水铁矿、针铁矿、磁铁矿、方铁矿或赤铁矿，并设置不添加铁矿物的生物对照。体系以单质硫作为电子供体，在Cr(VI)胁迫下连续运行。研究综合采用同步辐射X射线吸收谱、电化学阻抗谱、密度泛函理论计算和宏基因组分析，比较矿物转化、界面电子传递与污染物去除之间的联系。主要发现如下：

（1）在前三个反应循环中，各矿物处理组的Cr(VI)还原速率总体相近。运行至第四个循环后，矿物添加组与无矿物对照之间逐渐出现差异。水铁矿组表现较好，在第四轮反应中的拟一级还原速率常数约为无矿物生物对照组的4.77倍，并在132小时内实现水相Cr(VI)完全去除。电子当量分析显示，不同矿物体系的电子利用方式并不相同。针铁矿体系在硫酸盐生成较低的情况下仍保持较好的Cr(VI)去除，提示其电子可能较多地进入污染物还原过程。水铁矿体系则表现出较强的硫氧化能力，为Cr(VI)还原提供更多电子。

（2）反应后固相分析显示，五种铁矿物处理体系均发生了矿物组成变化，并检测到磁铁矿相关组分。X射线吸收谱线性组合拟合显示，水铁矿体系中磁铁矿约占最终含铁固相的60%；赤铁矿体系的转化程度较低。这一差异与前驱矿物结构稳定性和铁的可动员程度有关。研究结合Fe K边X射线吸收谱、X射线衍射、磁性测量、扫描电镜-能谱和固相铁价态分析，支持反应过程中发生了铁相重组和Fe(II)/Fe(III)共存。

（3）磁铁矿具有混合价态铁结构。研究提出，生物成因磁铁矿可能通过Fe(II)/Fe(III)循环暂时储存并释放电子，类似于一个固相氧化还原缓冲库，从而协调微生物供电子过程与Cr(VI)消耗过程。研究中的磁铁矿形成、Cr(VI)还原增强和电化学阻抗变化共同支持这一机制解释。电化学阻抗分析显示，界面膜电阻等参数与体系的Cr(VI)去除表现存在关联。赤铁矿体系呈现较高膜电阻，提示其界面电荷传递受到较强限制。密度泛函理论计算进一步显示，水铁矿中的铁较易从矿物结构中释放，而赤铁矿中的铁释放能量代价较高，这与实验观察到的生物可利用性顺序相一致：水铁矿高于针铁矿、磁铁矿、方铁矿和赤铁矿。

（4）宏基因组分析显示，铁矿物添加与微生物群落组成及铁、硫代谢相关功能基因丰度变化相伴。水铁矿体系出现了不同于其他处理的群落特征，表现为硫氧化和金属还原相关微生物及功能潜力的重组。该结果提示，矿物前驱体可能通过改变铁的可利用性和局部氧化还原条件，影响硫-铁耦合代谢网络。

图 1. 铁（羟）氧化物耦合厌氧硫氧化系统中的性能评估与定量电子通量分析

图 2. 矿物演化机制研究

图 3. 界面电子转移的电化学表征

图 4. 微生物代谢谱的宏基因组特征分析

图 5. 生物介导固态生物电池机制

上述研究成果发表在环境科学与工程领域国际权威期刊《Environmental Science & Technology》上。我校水资源与环境学院陈男教授与2024级博士原源为论文共同第一作者，陈男教授和郭华明教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

全文连接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c05850