粘土矿物在自然界广泛分布，含铁粘土矿物可发生铁氧化还原循环。在油藏、油污土壤和海底，以含铁粘土矿物为电子受体的微生物对石油烃的转化在全球碳循环中起着重要作用。然而，原油中复杂的有机化合物是否可以作为电子供体与粘土矿物中结构Fe(III)的生物还原耦合尚不清楚，尽管含铁矿物和铁还原菌在环境中广泛共存。粘土矿物中结构铁的氧化还原状态影响其表面性质，然而，目前尚不清楚石油分子是否可以通过生物还原结构Fe(III)从粘土矿物表面解吸，以及具有不同碳链长度或甲基的化合物解吸有何不同。

针对以上科学问题，我校地球科学与资源学院刘源博士后，在董海良教授的指导下，选取Shewanella putrefaciens CN32为模式生物，以绿脱石为典型含铁粘土矿物，研究了石油烃在粘土矿物结构Fe(III)生物还原作用下的降解和转化，取得了以下新的认识：

1、原油中的饱和烃（nC₁₄-nC₂₀和nC₈-cHex-nC₁₄-cHex）、芳烃（2-3环）和极性化合物（羧酸）吸附在绿脱石表面。

2、CN32不存在时，原油能化学还原绿脱石中少量结构Fe(III)。CN32存在时，绿脱石中Fe(III)的还原与油、饱和烃/芳烃的氧化相耦合。饱和烃（nC₁₇-nC₃₀和nC₁₀-cHex-nC₂₃-cHex）为电子供体的还原程度（21.5±0.3%）和速率（0.04±0.00 mM/h）略低于油为电子供体的还原程度和速率（分别为22.8±0.4%和0.05±0.00 mM/h），而芳烃为电子供体的还原程度和速率（分别为30.8±0.2%和0.15±0.00 mM/h）要高得多。与长碳链正构烷烃和烷基环己烷以及甲基多的芳烃相比，短碳链正构烷烃和烷基环己烷以及甲基少的芳香烃更容易降解或解吸。这些烃类被降解为含氧化合物，主要是饱和脂肪酸、单环环烷酸和酚类（图1和2）。

3、在乳酸作为额外电子供体的情况下，芳烃显着促进了Fe(III)的生物还原程度和速率，表明芳烃具有电子穿梭作用（图3）。

图1 石油烃作为铁还原的电子供体被降解

图2 石油烃（nC₁₆-nC₂₀、nC₁₀-cHex-nC₁₄-cHex、菲）的解吸特征

图3 石油烃作为铁还原的电子穿梭体

该研究得到了国家自然科学基金委项目（NSFC-42102041，42192500和42192503）和中国博士后科学基金项目（2021M692996）的支持。相关成果发表在国际权威学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Yuan Liu, Shengbao Shi, Qiang Zeng, Yang Li, Yu Chen, Dongyi Guo, Dafu Hu, Hailiang Dong *. Coupled reduction of structural Fe(III) in nontronite and oxidation of petroleum hydrocarbons. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2023, 344: 103-121.

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703723000194