矿物结合有机碳（mineral-associated organic carbon,MAOC）是陆地生态系统中最大的有机碳库，其在湖泊沉积物和湿地土壤中的含量及其在有机碳中的比例均显著高于森林、草地、农田等其它陆地生态系统。有氧环境中，MAOC依靠矿物的保护作用限制微生物对有机碳的利用，一直以来被视为是一种“持久性碳汇”。

    湖泊汇聚地表径流和地下水，外源矿物的持续输入使得沉积物中普遍富含铁氧化物，因此铁结合有机碳（OC-Fe）是沉积物中MAOC的重要组成部分，占比可达39.0±17.1% 至65.2±27.6%。通常情况下，湖泊仅在沉积物-水界面几毫米的范围内可以监测到溶解氧，界面以下氧气迅速衰减到0。缺氧环境中，微生物异化铁还原（DIR）过程可以利用铁氧化物作为电子受体分解有机碳，这是有机碳厌氧损失的主要过程。不仅如此，铁和锰等金属氧化物，可以化学催化小分子有机物产生结构复杂的地质聚合物，即地质聚合反应（Geopolymerization）。尚不明确这些地质聚合物的存在，可能对微生物异化铁环原过程产生何种影响，抑或是否威胁OC-Fe的稳定性。

    为回答上述科学问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所邢鹏研究员团队联合中国科学院生态环境研究中心和南京大学的多名研究人员共同合作，以长江中下游地区湖泊表层沉积物为研究对象，结合野外调查和室内培养实验，解析了地质聚合过程对厌氧条件下OC-Fe稳定性的影响机制（图1）。

    研究发现，沉积物中铁、锰和铝等金属氧化物（氢氧化物）参与到地质聚合过程中，反应产物表现出与底物（小分子有机物）截然不同的氧化还原活性。而且，在湖泊沉积物中也找到了天然地质聚合反应的足迹——普遍存在的腐殖酸类物质。这些地质聚合物能够充当电子穿梭体，增强微生物异化铁还原对有机碳的分解作用，导致沉积物中OC-Fe的停留时间从1071 d缩短到355 d。更为意外的是，与活性铁矿物结合的有机碳相比，与惰性铁矿物结合的有机碳损失量更多。上述研究揭示了OC-Fe在厌氧环境中的不稳定风险，湖泊沉积物中MAOC能否作为一种“持久性碳汇”，是否还存在其他的保存机制，有待进一步探索。

图1. 氧化还原活性地质聚合物对惰性铁矿物结合有机碳（OC-Fe_IM）稳定性的影响机制。（i）氧化还原活性物质作为电子穿梭体，增强异化铁还原菌与铁矿物间的胞外电子转移，削弱铁矿物对OC的保护作用，使结合态有机碳更易被微生物分解并释放到环境当中；（ii）释放的有机碳经历微生物驱动的降解过程；（iii）部分释放的有机碳与还可以与活性铁矿物发生相互作用，可能再次重组为活性铁矿物结合的有机碳（OC-Fe_AM）。上述过程最终导致OC-Fe_IM总量减少。

    研究成果近期发表在国际权威刊物《自然—通讯》（Nature Communications）上。

    全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62016-1