為什麼這種像鐵鏽一樣的金屬是地球上最好的碳沉積物之一？

通過仔細檢查水鐵礦（一種常見的氧化鐵礦物），工程師發現它依賴於幾種不同的化學過程來捕獲和保留碳。該礦物不使用單一方法，而是使用多種策略，使其能夠結合許多不同類型的有機材料。

儘管水鐵礦通常帶有正電荷，但研究人員發現其表面很不均勻。相反，它由小區域的正電荷和負電荷組成。這種不完整的結構使得水鐵礦能夠以比科學家之前理解的更多方式與碳相互作用。除了電吸引力之外，金屬還形成化學鍵和氫鍵，在其表面和有機分子之間形成牢固的鍵。

這些機制共同使氧化鐵礦物具有高度適應性的碳鍵。它們可以捕獲多種有機化合物並長期保留它們，有時可持續數十年甚至數百年。這一過程有助於防止碳作為導致全球變暖的溫室氣體返回到大氣中。

結果發表在期刊上 環境科學與技術 它提供了迄今為止最詳細的水鐵礦表面化學性質的介紹，水鐵礦是土壤如何儲存碳的關鍵因素。

“氧化鐵礦物對於控制土壤和海洋沉積物中有機碳的長期維持非常重要，”領導這項研究的西北大學的盧德米拉·阿里斯蒂爾德說。 “環境中有機碳的命運與全球碳循環密切相關，包括有機物轉化為溫室氣體。因此，了解礦物質如何隔離有機物非常重要，但對氧化鐵如何通過不同的結合機制隔離不同類型的有機物的定量評估一直缺失。”

阿里斯蒂爾德是西北大學麥考密克工程學院土木與環境工程教授，研究有機物在生態系統中的行為方式。它還隸屬於國際納米技術研究所和 Paula M. Trinens 合成生物學可持續與能源中心。王嘉興是該研究的第一作者，本傑明·巴里奧斯·塞爾達是第二作者。他們都是阿里斯蒂爾德實驗室的博士後研究員。

土壤是地球上最大的碳匯之一

土壤估計儲存了 2.5 萬億噸碳，使其成為地球上最大的碳庫之一，僅次於海洋。儘管它很重要，但科學家們仍在探索讓土壤從活性碳循環中去除碳並將其保留在地下的精確過程。

阿里斯蒂爾德和她的團隊花了數年時間研究礦物質和土壤微生物如何影響碳保留或釋放回大氣中。他們之前的工作研究了粘土礦物如何結合有機物以及微生物如何優先將某些有機化合物轉化為二氧化碳。

在這項最新研究中，研究小組重點關注氧化鐵礦物質，它與土壤中發現的有機碳的三分之一以上結合。他們專注於水鐵礦，這是一種通常在植物根部附近以及富含有機質的土壤或沉積物中發現的礦物質。儘管水鐵礦在環境條件下通常帶正電，但它可以結合帶負電、正電或中性電荷的有機化合物。

分子如何粘附在鐵礦物質上？

為了了解水鐵礦如何與多種化合物發生反應，研究人員使用高分辨率分子模型和原子力顯微鏡來仔細檢查礦物的表面。雖然其整體電荷為正，但他們強調表麵包含正負區域的混合體。這有助於解釋為什麼水鐵礦可以吸引帶負電的物質（例如磷酸鹽）以及帶正電的礦物離子。

“有充分證據表明，在相關環境條件下，水鐵礦的總電荷為正，”阿里斯蒂爾德說。 “這導致了這樣的假設：只有帶負電的化合物才會與這些金屬結合，但我們知道金屬可以結合帶有負電荷和正電荷的化合物。我們的工作表明，正是分佈在表面的負電荷和正電荷的總和賦予了金屬整體​​的正電荷。”

在繪製表面電荷圖後，研究小組測試了不同有機分子如何與水鐵礦相互作用。他們將礦物質暴露於土壤中常見的化合物中，包括氨基酸、植物酸、糖和核糖核苷酸。研究人員測量了每種化合物與金屬的粘附程度，並使用紅外光譜來確定分子的結合方式。

不僅僅是簡單的景點

實驗表明，水鐵礦通過幾種不同的途徑結合有機分子。帶正電的氨基酸與金屬的帶負電的區域結合，而帶負電的氨基酸與帶正電的區域結合。一些化合物，例如核糖核苷酸，最初被電力吸引，但隨後與鐵原子形成更強的化學鍵。糖通過氫鍵弱連接。

阿里斯蒂爾德說：“總的來說，我們的研究結果在定量的基礎上為建立驅動涉及鐵氧化物的礦物-有機關聯的機制框架提供了理論依據，以長期保存有機材料。” “這些關聯可能有助於解釋為什麼一些有機分子在土壤中仍然受到保護，而另一些有機分子更容易被微生物分解和呼吸。”

接下來，研究人員計劃研究有機分子與金屬表面結合後會發生什麼。有些可能會轉化為微生物可以進一步降解的化合物，而另一些可能會變得更耐降解。

這項名為“表面電荷異質性和羥基氧化鐵有機結合模式的機制”的研究得到了美國能源部和國際納米技術研究所的支持。