科学家长期了解氧化铁矿物能储存大量碳，但对其机制细节认识有限。西北大学的新研究深入探讨了水铁矿的化学特性，解释了这种矿物如何有效捕获并锁定碳，为土壤碳储存提供了新见解。

研究团队发现，水铁矿通过多种化学过程结合碳，使其成为高度适应的碳结合剂。尽管整体带正电荷，其表面由正负电荷的微小区域组成，这种异质性结构允许矿物与不同类型的有机物质相互作用，包括电吸引力、化学键和氢键等多种方式。

这些机制使氧化铁矿物能够捕获广泛的有机化合物并长期保持，有时持续数十年甚至数百年，有助于防止碳以温室气体形式重返大气。研究结果发表在《环境科学与技术》杂志上，提供了对水铁矿表面化学的详细视图。

“氧化铁矿物对控制土壤和海洋沉积物中有机碳的长期保存非常重要，”领导这项研究的西北大学教授卢德米拉·阿里斯蒂尔德说。“环境中有机碳的命运与全球碳循环紧密相关，包括有机质转化为温室气体。因此，理解矿物如何捕获有机质很重要，但关于氧化铁通过不同结合机制捕获不同类型有机质的定量评估一直缺失。”

阿里斯蒂尔德和她的团队专注于氧化铁矿物，这些矿物与土壤中发现的三分之一以上的有机碳相关。他们使用高分辨率分子建模和原子力显微镜检查水铁矿表面，确认其包含正负区域的混合，这解释了矿物能吸引带负电和带正电化合物的能力。

在实验中，研究人员测试了氨基酸、植物酸、糖和核糖核苷酸等土壤常见化合物与水铁矿的相互作用。结果显示，水铁矿通过不同途径结合有机分子，例如带正电的氨基酸附着在带负电区域，而带负电的氨基酸结合到带正电区域，一些化合物还形成更强的化学键。

“总的来说，我们的发现为建立涉及氧化铁的矿物-有机关联机制框架提供了定量依据，这些机制驱动了有机质的长期保存，”阿里斯蒂尔德说。“这些关联可能有助于解释为何一些有机分子在土壤中保持受保护，而其他分子更容易被微生物分解。”

土壤储存约2500亿吨碳，是地球上最大的碳库之一。这项研究有助于揭示土壤从碳循环中移除碳的过程，未来团队计划研究有机分子结合到矿物表面后的变化。研究得到了美国能源部和国际纳米技术研究所的支持。