科研进展--中国科学院广州分院

植物叶际作为微生物的重要栖息地之一，在维持植物健康和生态系统功能中发挥着关键作用。由于植物叶际对温度和湿度变化高度敏感，因此了解其对气候变暖以及季节性湿度变化的响应，对于预测生态系统功能具有重要意义。该研究依托广东鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站（简称“鼎湖山站”）自2012年运行的垂直移位（增温）实验平台，分析了2021至2023年连续三个年份中湿季与旱季叶际微生物群落对气候变暖和季节变化的生态适应策略。研究结果表明，叶际微生物群落的结构和多样性呈现显著的季节性变化，干季细菌丰富度较高；然而，增温处理在各季节均显著降低了细菌的丰富度（图1）。共现网络分析显示，干季微生物之间的相互作用更为紧密，而增温则削弱了微生物群落的相互关联。叶际微生物群落的组成主要受随机过程影响，且增温加剧了物种更替与扩散限制。值得关注的是，湿季环境扰动较强时，植物益生菌丰度显著增加，如Methylobacterium-Methylorubrum和Curtobacterium等，这些益生菌在应对季节变化及气候变暖中发挥了重要作用（图2）。在微生物功能层面也观察到明显的季节性差异：湿季细菌富集于碳水化合物和能量代谢相关功能，而干季细菌则表现出较高的硫代谢活性，体现了微生物对不同季节环境条件的代谢适应策略（图2）。研究加深了对叶际微生物群落季节性动态及其在气候变暖情境下响应机制的理解，为揭示植物–微生物协同应对气候变化提供了新的理论依据。该研究在中国科学院华南植物园周曙仡聃副研究员等前期揭示增温对森林生态系统土壤微生物组装过程差异的研究基础上，进一步探讨了增温条件下叶际微生物群落的适应策略。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.16541。相关研究成果以“Seasonal Variation of Phyllosphere Microbial Communities Under Warming.” 为题于近期发表在全球变化生态学领域期刊Global Change Biology（《全球变化生物学》）（IF2024=10.8）上。中国科学院华南植物园博士生雷朝唐为论文第一作者，华南植物园周曙仡聃副研究员与刘菊秀研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发计划及博士后基金的资助。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.70270图1.增温背景下叶际微生物群落多样性干湿季变化特征图2.增温条件下不同季节核心微生物的识别及其群落功能特征

2025-06-05

华南植物园解析低温及短日照调控番茄花青素积累的分子机制

植物的生长发育在其一生中受到光和温度的精确控制。根据植物开花对日照长度的要求，植物可以分为长日照植物（如拟南芥）、短日照植物（如水稻）以及日中性植物（如番茄）。然而，光周期和季节变化如何影响日中性植物的生理反应的机制仍不清楚。先前研究表明，CONSTANS（CO）是植物对光周期反应的重要调控因子，在植物开花调控中起着核心作用。但是对于光周期不敏感植物的CO及其类似蛋白COL的分子功能仍缺乏深入研究。中国科学院华南植物园邓书林科研团队发现，番茄CONSTANS-Like 1（SlCOL1）作为CO的同源基因，SlCOL1不影响番茄在长日照（LD）和短日照（SD）下的开花时间。观察表型发现，在SD下显著诱导番茄叶片中花青素的积累，但Slcol1突变体叶片中花青素的含量显著低于野生型。并通过Dual-LUC、Y1H、EMSA和ChIP-qPCR实验验证SlCOL1能够直接结合调控花青素生物合成MBW复合体中的关键基因Hoffman’s Anthocyanin 1（SlAN1）的启动子G-box1元件并激活其表达。同时，实验证明SlCOL1可以与SlAN1相互作用，促进SD下花青素合成结构基因的表达，进而促进花青素的生物合成。短日照环境常常伴随着亚适低温环境，例如北半球秋季。在短日照亚适低温（15℃）环境能够诱导SlCOL1表达水平上调进一步促进花青素的积累，积累的花青素有助于番茄清除活性氧（ROS），以适应秋季环境。相关研究成果近期发表在国际学术期刊Plant Physiology（《植物生理学》）（IF5年=7.6）上。中国科学院华南植物园在读博后生刘赛和助理研究员吕善武为该论文的共同第一作者，邓书林研究员为本论文的通讯作者。该研究得到中国国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东科技计划项目等项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf190图. SlCOL1调控番茄花青素合成以适应秋季环境的作用模型

2025-06-09

广州健康院揭示细胞周期通过影响表观遗传修饰调控细胞命运转变的新机制

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院郑辉团队在Advanced Science期刊发表了题为“Enhanced Activities of OCT4 and SOX2 Promote Epigenetic Reprogramming by Shortening G1 Phase”的研究论文。该研究揭示了通过调控细胞周期影响表观遗传修饰、进而促进体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）的新机制，为深入理解细胞命运转变提供了新思路。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院郑辉团队在Advanced Science期刊发表了题为“Enhanced Activities of OCT4 and SOX2 Promote Epigenetic Reprogramming by Shortening G1 Phase”的研究论文。该研究揭示了通过调控细胞周期影响表观遗传修饰、进而促进体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSCs）的新机制，为深入理解细胞命运转变提供了新思路。研究首先通过将转录激活域VP16（源自疱疹病毒）融合到两个关键转录因子OCT4和SOX2上，构建出增强型因子组合OvSvK（OCT4-VP16/SOX2-VP16/KLF4）。结果发现，相对于经典转录因子组合OSK（OCT4/SOX2/KLF4），OvSvK新组合在重编程第4天就能诱导出具有生殖系嵌合能力的iPSCs，重编程速度远超传统方法。紧接着单细胞测序和实验表明，OvSvK能够显著调控细胞周期结构改变——缩短DNA合成前期(G1期)、延长DNA合成期(S期)，从而快速建立与胚胎干细胞类似的周期模式。通过siRNA文库对细胞周期基因的筛选，团队获得在OSK体系过表达细胞周期蛋白E1 基因（Ccne1）同时敲降G1/S-特异性周期蛋白-D1（Ccnd1）和多重肿瘤抑制基因（Cdkn2a）的因子组合（CCC）。该组合同样可影响细胞周期结构、加速重编程，进一步确认了细胞周期调控在重编程过程中扮演重要角色。随后，研究比较分析OSK和OvSvK体系中基因表达、染色质开放水平、以及组蛋白甲基化、乙酰化等表观遗传修饰的异同。发现在OvSvK中高表达、但并不是被OS（OCT4/SOX2）直接调控的下游基因具有较低的H3K27me3（组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化）修饰水平。有趣的是，这些基因的表达和表观修饰水平在CCC体系中具有相似现象，暗示细胞周期结构改变影响表观修饰在子代细胞的遗传。已有研究表明，染色质在复制之后，新合成染色质上的表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰等）需要经历S期‌和‌G2期‌到‌M期‌的转变（S-G2/M）后、在子代细胞G1中逐渐恢复。但是这种表观遗传修饰的延迟恢复对细胞命运的调控尚未有报道。紧接着，本研究结合荧光泛素化细胞周期指示系统（Fucci）以及图像识别等方法，分析重编程中处于不同细胞周期细胞的表观遗传修饰水平，揭示OvSvK的G1期缩短阻碍H3K27me3恢复，进而促进基因表达水平的提高。综上所述，该研究阐明了OvSvK快速重编程机制，一方面融合VP16促进OS直接下游基因的表达；另一方面通过改变细胞周期结构、影响组蛋白H3K27me3对非OS直接下游基因表达的调控。该研究为理解细胞周期影响表观遗传修饰，进而促进细胞命运转变提供了新视角，也为深入理解重编程机制提供了理论支持。广州健康院郑辉研究员和郭琳副研究员、西湖大学裴端卿教授为该论文的共同通讯作者，郭琳副研究员为第一作者。研究项目得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省和广州市科技项目以及InnoHK等项目的经费支持。论文链接OvSvK促进重编程机制示意图

2025-06-09

南海海洋所研究成果入选2024年度国家自然科学基金委资助成果巡礼和中国海洋与湖沼十大科技进展

近日，国家自然科学基金委发布了《国家自然科学基金委员会2024年度报告》。该书全面介绍了国家自然科学基金2024年度各类项目申请、资助与结题情况，集中展示了以自然科学基金委为资助主体的重大研究计划和优秀资助成果。中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）、广东省海洋遥感与大数据重点实验室（LORS）詹海刚研究员团队的研究成果“海洋次表层热浪与冷浪关键驱动机制”成功入选2024年度资助成果巡礼。这是该年度地球科学部入选的6项成果中唯一的海洋科学领域研究成果。2024年度国家自然科学基金委员会优秀资助成果巡礼该研究成果同时入选“2024年度中国海洋与湖沼十大科技进展”，并于5月24日在上海举行的2025年中国海洋湖沼学会青年科技论坛上获得荣誉证书。2024年度中国海洋与湖沼十大科技进展颁奖现场图（左三：LTO何庆友研究员）成果简介：海洋次表层是地球上最大的生物栖息地与迁徙地之一，拥有许多重要的海洋生物种群，热浪与冷浪会严重破坏这些生物的生境，造成生态系统和社会经济的灾难性后果，但长期连续观测数据的匮乏限制了对其特征与机制的认知。研究团队提出了适用于时空离散剖面数据的极端温度事件分析方法，整合了长期潜标观测资料、历史温度剖面数据与卫星遥感涡旋信息，发现绝大多数次表层（100-1000米）热浪与冷浪的发生与表层事件无关，首次从全球尺度上揭示了涡旋是驱动海洋次表层事件的关键机制，发现并阐释了全球变暖影响下涡旋对次表层极端温度增强的放大作用。该研究为海洋次表层热浪与冷浪的探测、评估与预测提供了全新的路径。潜标观测揭示海洋次表层热浪与冷浪的发生与中尺度涡密切相关获奖成果由LTO何庆友研究员为第一作者，詹海刚研究员为通讯作者，以“Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies”为题，于2024年10月16日在Nature上发表。论文关注度超过73%的Nature同期论文，81%的Nature所有论文。多位专家高度评价了该成果，认为其“在实现次表层热浪与冷浪遥感监测方面前进了一大步，是次表层极端环境遥感的一个突破”。论文成果信息：Qingyou He,Weikang Zhan,Ming Feng,Yankun Gong,Shuqun Cai,and Haigang Zhan* (2024),Common occurrences of subsurface heatwaves and cold spells in ocean eddies,Nature,634,1111–1117,doi:10.1038/s41586-024-08051-2.论文成果链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08051-22024年度中国海洋与湖沼十大科技进展链接：https://csol.qdio.ac.cn/portal/article/index.html?id=3550&cid=12

2025-05-29

徐义刚院士、陈骏院士领衔《中国深地科学2035发展战略》正式发布

近日，由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合部署，中国科学院院士徐义刚、陈骏担任编写组组长、学科领域知名院士专家共同研究编撰的《中国深地科学2035发展战略》在科学出版社正式出版。近日，由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合部署，中国科学院院士徐义刚、陈骏担任编写组组长、学科领域知名院士专家共同研究编撰的《中国深地科学2035发展战略》在科学出版社正式出版。该报告是“十四五”国家重大出版工程“中国学科及前沿领域2035发展战略丛书”的分册之一。深地科学是研究地球内部组成、结构及运行机制的学科，是认识地球系统“引擎”的关键。《中国深地科学2035发展战略》系统梳理了我国深地科学的发展历程，揭示了深地研究的多尺度特色和强系统性，明确了深地科学在现代地球科学和地球系统科学中的核心地位，分析了该领域的两大发展趋势：一是新技术和新方法在创新发现中的作用越来越大；二是从不同学科相对孤立的探索研究向多学科交叉融合的转变。在此基础上，本书提出了深地科学前沿的十大科学问题和一个能引领深地科学研究的技术支撑体系，建议围绕这些重点方向，进一步开展跨学科、跨圈层综合交叉研究，形成地质天然观测、实验模拟和计算模拟协同创新的工作模式，以推动我国固体地球科学研究，并使其在新的一轮全球科技竞争中赢得战略主动。本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引，为科研管理部门提供了决策参考，也是社会公众了解中国学科及前沿领域发展现状及趋势的重要读本。

2025-05-23

南海海洋所 | 全球洋脊跃迁的分类和驱动机制取得新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质实验室（OMG）赵明辉研究员团队、徐敏研究团队联合美国爱达荷大学、中国海洋大学和南方科技大学，在全球洋中脊跃迁过程及其驱动机制研究方面取得重要进展。该研究成果已发表在国际权威地学期刊《地球科学评论》（Earth-Science Reviews）上，副研究员关慧心为论文第一作者，研究员徐敏和研究员赵明辉为共同通讯作者。洋中脊跃迁是洋中脊系统演化中的构造重组过程，具体表现为某段洋中脊向邻近洋壳“跃迁”形成新的扩张脊，同时原有扩张脊段逐渐停止活动的过程。这一现象在全球板块构造演化中具有重要意义，但此前的相关研究多局限于单个跃迁事件或特定区域的大尺度跃迁，缺乏对全球范围内案例的系统性分析。本研究系统总结并分析了全球33个洋脊跃迁实例。基于各跃迁实例的地质特征和构造环境，将洋脊跃迁划分为三类：纯张性环境下、剪切带控制下及受俯冲系统影响下的跃迁。此外，研究还明确了两种主要的驱动机制，离轴地幔岩浆上涌导致的跃迁以及板块运动方向与速率变化引起的跃迁，且这两种机制并非彼此独立，而是相互协同演化的。这些发现不仅丰富了我们对洋脊跃迁普遍性和多样性的理解，也深化了对板块重组、地幔活动和板块耦合动力学机制的认识。本研究得到国家自然科学基金项目、自然资源部海底矿产重点实验室开放基金项目以及美国国家科学基金会的联合资助。论文相关信息：Guan,H.,Xu,M.,Zhao,M.,Xie,W.,Quan,Y.,Mittelstaedt,E.,Li,S.,Morgan,J. P.,(2025). Mid-ocean ridge jumps: Impacts,classification,and mechanisms,Earth-Science Reviews,105167.文章链接：https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2025.105167图1 洋脊跃迁案例的全球分布图。黄色五边形表示跃迁后遗留洋中脊的位置。各案例的背景颜色代表其在构造背景下的分类类型：红色表示发生在纯张性环境下的跃迁，黄色表示发生在剪切环境中的跃迁，蓝色表示受俯冲影响区域的跃迁。图2 洋脊跃迁的两种重要驱动机制：（1）地幔岩浆上涌主导驱动的洋脊跃迁；（2）板块运动方向与速率改变主导驱动的洋脊跃迁。

2025-05-26

华南植物园揭示花青素调控基因LrAN2增强黑果枸杞幼苗耐镉胁迫机制

重金属镉（Cd）污染对植物和土壤的胁迫严重威胁生态环境与人类健康。目前尚不清楚R2R3-MYB型花青素调控因子AN2是否参与植物对镉胁迫的耐受机制。研究发现，过表达黑果枸杞LrAN2基因（OE-LrAN2）显著增强了转基因幼苗对镉胁迫的耐受性，这种耐受性可能源于生物量的提升和氧化还原稳态的优化，其机制涉及花青素、抗坏血酸、类胡萝卜素等抗氧化物质的生物合成，以及过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）等抗氧化酶系统的协同调控。中国科学院华南植物园科研人员通过对经0、25、50、100 μM CdCl2处理30天的OE-LrAN2幼苗进行转录组分析，利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）构建了LrAN2介导的调控网络，预测了黑果枸杞耐镉胁迫的潜在关键基因。并通过染色质免疫沉淀测序分析表明，LrAN2的下游靶基因涉及花青素、甘氨酸甜菜碱和脯氨酸的生物合成，生长素、乙烯和细胞分裂素等植物激素信号通路，以及重金属阳离子转运ATP酶、MATE和ABC转运蛋白等溶质运输系统。双荧光素酶报告基因检测证实，LrAN2可激活类胡萝卜素合成基因（LrBCH）、MATE型花青素转运蛋白基因（LrTT12）和生长素响应蛋白家族基因（LrSAUR72）的表达。通过酵母体内功能验证，发现LrAN2的靶基因LrTT12（TT12Lru03G01504）能够将Cd隔离至液泡，从而实现Cd解毒。综上所述，LrAN2通过多维度调控策略增强黑果枸杞对镉胁迫的耐受性，为长期困扰的镉污染治理开辟新途径。本研究鉴定的LrAN2靶基因群为作物耐镉遗传改良提供了宝贵的基因资源。相关研究成果以“Overexpression of anthocyanin activator LrAN2 improving black goji berry (Lycium ruthenicum) tolerant to cadmium stress” 为题近期发表在国际主流期刊Journal of Hazardous Materials（《《危险材料杂志》》）。中国科学院华南植物园艾培炎博士后为本文第一作者，曾少华研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院华南植物园王瑛研究员、新疆大学李岩教授、内蒙古林科院杨荣副研究员的大力支持。该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389425016024图1. LrAN2增强黑果枸杞幼苗耐镉胁迫推测模式图

2025-05-28

广州能源所在生物质组分分离和解聚方面取得新进展

木质纤维素类生物质是一种储量丰富的有机可再生碳资源，主要包含纤维素、半纤维素和木质素三大组分，是制备可持续燃料、化学品和材料的理想原料。由于这类生物质的结构复杂且致密，通过分离技术打破复杂结构是实现选择性转化全组分的基础，然而当前大多数组分分离和转化技术聚焦于纤维素和半纤维素的高值化利用，其分离转化过程中木质素往往发生不可控重聚，导致其高值化利用难以实现。木质纤维素类生物质是一种储量丰富的有机可再生碳资源，主要包含纤维素、半纤维素和木质素三大组分，是制备可持续燃料、化学品和材料的理想原料。由于这类生物质的结构复杂且致密，通过分离技术打破复杂结构是实现选择性转化全组分的基础，然而当前大多数组分分离和转化技术聚焦于纤维素和半纤维素的高值化利用，其分离转化过程中木质素往往发生不可控重聚，导致其高值化利用难以实现。针对上述问题，中国科学院广州能源研究所廖玉河研究员等人联合东南大学开发了低负载量的钌基催化剂用于催化分离生物质，实现了在氢气和氮气条件下选择性转化生物质中木质素分别得到高收率的4-丙基取代单酚和4-丙烯基取代单酚，同时保留了纤维素（>90%）和半纤维素（>75%）。这些纤维素和半纤维素可以被进一步转化，有望实现全组分高值化利用。该技术适用于桦木、杨木、松木和玉米秸秆等多种生物质原料。同时，开展了转化不同结构的木质素模型化合物和氘代实验研究，揭示了木质素分离解聚路径。该研究工作为木质纤维素类生物质组分的选择性分离和木质素定向解聚的催化剂开发提供了新思路。催化分离转化木质素研究木质素分离解聚路径近日，该研究成果以Reductive Catalytic Fractionation of Lignocellulose Toward Propyl- or Propenyl-Substituted Monomers and Mechanistic Understanding为题发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）期刊。该研究获得国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的资助。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202502545

2025-05-28

南海海洋所 | 浮游植物对亚中尺度过程的响应方面研究取得新进展

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境实验室（LTO）、广东省海洋遥感与大数据重点实验室（LORS）詹海刚研究团队在浮游植物对亚中尺度过程的响应方面取得新进展，相关成果以博士研究生刘云辰为第一作者，研究员何庆友为通讯作者发表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment。海洋亚中尺度过程（水平尺度1–10公里）作为海洋能量串级与物质输运的关键环节，一般被认为在全球生物地球化学循环中发挥着重要作用。一些科学家认为亚中尺度过程的强垂向速度使它们对浮游植物生长具有深远的影响，另一些科学家则认为这些过程的浅穿透及其与营养盐需求的季节分相极大地降低了其向上输送营养盐的效率，限制了其在浮游植物生长的作用。因此，全球尺度上亚中尺度过程如何影响浮游植物是目前一个广受关注又备受争议的前沿热点话题。研究团队结合过去20余年漂流浮标观测数据和多源水色卫星遥感资料，分析了全球不同海域亚中尺度过程发生时海表浮游植物叶绿素浓度、生物量及表征生理学调整参数（碳-叶绿素比）的拉格朗日变化特征。结果发现，在中高纬海域和沿岸上升流系统，亚中尺度过程引起浮游植物生物量和叶绿素浓度同步增长。然而，在热带海洋和副热带流涡区，亚中尺度过程引起的叶绿素浓度升高却通常并不伴随生物量的增加，反而碳-叶绿素比出现明显下降（图1，图2）。这表明，这些海域的亚中尺度过程未引发浮游植物的大规模繁殖，而是通过刺激浮游植物调节生理状态，促进细胞内叶绿素的合成，致使叶绿素浓度升高。在全球范围内，约有一半的亚中尺度过程引起的叶绿素浓度增加归因于这种生理学响应。进一步，结合生物地球化学浮标（BGC-Argo）观测和历史温盐剖面数据分析，研究团队指出这种区域差异形成的主要原因可能在于：1）中高纬和沿岸上升流海域营养盐相对丰富，且混合层距营养盐跃层较近，亚中尺度过程引起的垂向混合将富含营养盐的水体带入混合层，从而促进浮游植物的生长，导致浮游植物生物量和叶绿素浓度同步升高；2）热带副热带寡营养海域，营养盐跃层远深于混合层，且亚中尺度过程引起的垂向混合较浅，导致其难以触及营养盐跃层，因而浮游植物生物量没有显著增长。尽管如此，该混合使浮游植物在近表层光照充足环境中的停留时间缩短，促使其通过增加细胞叶绿素的合成以提高光捕获效率，从而出现叶绿素浓度升高的现象（图3）。该研究从全球尺度上揭示了亚中尺度过程影响浮游植物分布特征与机制的显著区域差异性，指出亚中尺度过程引起的叶绿素浓度升高不一定来源于生物量的增加，也可能是生理学状态调整的结果。研究成果为深入理解亚中尺度动力过程的生态效应提供了新的见解，对准确评估亚中尺度过程对海洋初级生产力和碳循环关键过程的影响有重要科学意义。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导计划、广东省自然科学基金和中国科学院青年创新促进会项目等共同资助完成。论文相关信息:Yunchen Liu,Qingyou He*,Weikang Zhan,Mingxian Guo,Yuhang Zheng,Xinchen Shen,and Haigang Zhan. (2025). Heterogeneity of phytoplankton response to submesoscale processes in the global ocean. Communications Earth & Environment,6,357.论文链接:https://doi.org/10.1038/s43247-025-02365-3图1 浮游植物叶绿素（Chl）、生物量（CPhyto）和碳与叶绿素之比（θ = CPhyto/Chl）对亚中尺度过程的不同响应示例图2 不同海域亚中尺度过程对海表浮游植物叶绿素（Chl）、生物量（CPhyto）和碳与叶绿素之比（θ = CPhyto/Chl）变化率的影响图3 亚中尺度过程中，叶绿素浓度和浮游植物生物量变化出现解耦的潜在机制示意图

2025-05-27

广州地化所魏洪燕、陈情泽等-EST：黏土矿物对Fe(II)催化水铁矿相转化的影响及其制约机制

纳米矿物（含矿物纳米颗粒）广泛分布于反应活跃、构成复杂的地球表层环境中，具有种类多、含量大、活性强等特点，其生成机制、微观结构、表面反应性、相转变过程以及参与的重要地质地球化学过程等，近年来受到矿物学与相关领域学科的共同关注，已成为矿物学研究的前沿领域。水铁矿作为Fe(III)水解过程中最先形成的铁（氢）氧化物，是一种普遍存在于地表环境中的纳米矿物，其表面反应活性强且易发生相转变。水铁矿的相转变过程能显著影响地表含铁矿物的分布与组成，进而改变铁元素的全球循环和生物可利用性，并能通过复杂的表/界面作用过程影响其他元素的迁移转化，具有重要的环境和地球化学意义。研究表明，Fe(II)能显著加速水铁矿的转化过程，可在短时间内制约铁（氢）氧化物形成及共存元素归趋，近年来受到了人们的广泛关注。黏土矿物是自然界中广泛分布的另一类典型纳米矿物，其比表面积大、反应活性高，在自然环境中常常与水铁矿形成异质聚集体。然而，黏土矿物对Fe(II)催化水铁矿相转化过程的影响及其作用机制仍不清楚。了解该过程的微观机制有助于加深我们对地表环境中铁（氢）氧化物形成过程的认识，同时也为预测其他共存元素的归趋提供理论基础。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所矿物学团队系统研究了黏土矿物在还原条件下对Fe(II)催化水铁矿相转化过程的制约，重点考察了黏土矿物种类（蒙脱石Mnt、伊利石Ilt、高岭石Kln）及黏土矿物和水铁矿（Fhy）的复合方式（二者物理混合（Fhy&clay）、在黏土矿物表面原位生长水铁矿（Fhy/clay））的影响，主要得到以下认识：（1）黏土矿物通过分散水铁矿团聚体，加速其与Fe(II)的体相电子转移，促进转化中间产物活性Fe(III)产生，并提升其在矿物表面的平均浓度，进而改变水铁矿的转化速率和产物类型（图1）；（2）与伊利石和高岭石相比，蒙脱石由于具有更高阳离子交换能力，可通过离子交换过程直接吸附Fe(II)或活性Fe(III)，降低Fe的可利用性并延缓其再结晶过程（图2），这使蒙脱石体系中活性Fe(III)可长期保留，且不生成磁铁矿；（3）黏土矿物可作为模板诱导特殊形态铁（氢）氧化物生成，如星状孪晶针铁矿和六方片状磁铁矿（图3）。上述结果表明，黏土矿物可通过复杂的机制显著影响Fe(II)催化水铁矿的转化速率、产物类型及形貌特征（图4）。本研究从原子/分子尺度阐明了黏土矿物在调控水铁矿相变过程中的复杂机制，对理解不同铁（氢）氧化物的形成及预测共存污染物的迁移转化过程具有重要意义。本研究获得国家自然科学基金杰出青年项目、国家自然科学基金、广东省杰出青年基金等项目联合资助。相关成果近期发表于Environmental Science & Technology。论文信息：Wei H. (魏洪燕),Wei S. (韦寿淑),Chen Q.* (陈情泽),Yang Y. (杨奕煊),Liu X. (刘洵),Long S. (龙诗琴),Liu J.* (刘晶),Zhu J. (朱建喜),Zhu R. (朱润良) (2025) Nano-Scale Insights into Clay Minerals Regulating the Fe(II)-Catalyzed Ferrihydrite Transformation under Anoxic Conditions. Environmental Science & Technology. 59,3982-3991. 论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c11232 图1 不同体系中水铁矿的转化速率、产物类型及含量图2 不同体系中Fe(II)、活性Fe(III)浓度变化图3 黏土矿物表面星状孪晶针铁矿和六方片状磁铁矿的微观结构分析图4 黏土矿物制约Fe(II)催化水铁矿相转化的机理示意图

2025-06-03