近日，上海交通大学联合中国地质大学（北京）在《Nature Communications》在线发表了题为“Silicate-bound iron drives abiotic solar energy conversion in terrestrial environments”的研究成果。该研究识别出硅酸盐结合态铁，特别是针铁矿-高岭石复合物，是驱动土壤光电化学响应的关键组分，揭示了矿物界面S型异质结促进光生载流子分离的作用机制，并定量估算了土壤光生电子对微生物代谢、元素循环和污染物转化的潜在贡献。论文第一作者为米乐网页版登录官网博士研究生张泽宏，通讯作者依次为中国地质大学（北京）地球科学与资源学院董海良教授、米乐网页版登录官网曹心德教授和续晓云研究员，第一完成单位为上海交通大学。

研究背景

太阳辐射是地球表层系统最主要的能量来源，深刻影响生命演化、生物地球化学循环和气候变化。长期以来，由植物、蓝细菌等生物介导的光合作用被认为是自然界太阳能转化的主要途径。近年来研究发现，针铁矿、赤铁矿和锐钛矿等天然半导体矿物也可在光照下产生电子-空穴对，驱动矿物-水界面的氧化还原反应，构成一条重要的非生物太阳能转化路径。然而，天然土壤具有高度异质性，矿物组成、有机质特征及各组分间的界面相互作用共同调控其光电化学响应，使关键活性组分难以识别，相关作用机制也尚不清楚。同时，目前仍缺乏对土壤光电化学响应进行空间预测和环境效应定量评估的系统框架。如何从复杂土壤体系中识别驱动光电化学响应的关键组分，解析其天然赋存形态和界面作用机制，并量化其环境效应，是认识陆地表层非生物太阳能转化亟待解决的关键科学问题。

研究内容

本工作以采集自海南、云南、贵州、四川和新疆的205份表层土壤为研究对象，系统测定其理化性质、元素与矿物组成、铁赋存形态、有机质特征及光电流密度。结合相关性分析和机器学习，研究团队识别出硅酸盐结合态铁是驱动土壤光电化学响应的关键组分，并通过微纳尺度表征发现，其主要以针铁矿与高岭石形成的复合物赋存。在此基础上，研究团队构建模型矿物体系，证实复合物界面形成的S型异质结能够促进光生载流子的分离与传输。全国尺度空间预测表明，暖湿地区的土壤光生电子通量总体较高。进一步的定量估算显示，这些光生电子可能作为补充电子源，参与微生物代谢、元素循环和污染物转化。

图1 基于机器学习的中国土壤光生电子通量驱动因子识别与空间制图

相关性分析显示，硅酸盐结合态铁与土壤光电流密度的相关性最强（r = 0.59），控制有机质特征后仍保持稳健；对20份土壤进行硅酸盐结合态铁富集后，所有样品的光电流密度均有所升高，进一步证实其主导作用。XGBoost模型能够解释71%的光电流密度变化，RMSE为7.43 nA cm⁻²；SHAP分析显示，硅酸盐结合态铁对模型预测结果的贡献最高。基于全国土壤元素和矿物数据，预测得到中国土壤光生电子通量为（0.56–2.07）× 10¹⁵ e m⁻² s⁻¹，总体呈南高北低，高值主要分布于华南沿海、长江中下游和西南丘陵地区。暖湿环境可促进硅酸盐风化以及铁的释放和再固定，从而增加次生硅酸盐结合态铁含量，是形成上述空间格局的重要原因。

图2 土壤硅酸盐结合态铁的微尺度物相组成与键合方式

土壤中未检出铁橄榄石、黑云母和绿帘石等典型含铁硅酸盐矿物的XRD特征峰，据此推断操作性定义的硅酸盐结合态铁主要由与硅酸盐紧密结合的铁（氢）氧化物构成。矿物空间分布结果显示，铁（氢）氧化物与高岭石在多个微区紧密伴生；微区XRD进一步确认，与高岭石结合的主要铁矿物为针铁矿，顺序提取前土壤样品的Raman光谱也检测到针铁矿-高岭石复合物，排除了提取过程诱导形成的可能。显微FTIR和微区XPS均检测到Fe–O–Si配位信号，TEM及EDS进一步观察到两种矿物紧密接触形成的纳米异质界面。这些结果表明，成土过程中释放的铁可在高岭石表面成核生长，使针铁矿-高岭石复合物成为土壤中常见且化学稳定的硅酸盐结合态铁赋存形式。

图3 硅酸盐-铁矿物界面异质结驱动的光电化学响应增强

以天然土壤中的矿物界面为原型，合成了针铁矿-高岭石复合物。其稳态光电流密度约为400 nA cm⁻²，是纯针铁矿（约100 nA cm⁻²）的4倍；较低的界面电荷转移阻力和减弱的光致发光信号表明，复合界面能够抑制电子与空穴复合并促进载流子传输。理论计算显示，两种矿物接触后，电子由针铁矿转移至高岭石，诱导界面能带弯曲并形成内建电场。光照下，在内建电场和能带弯曲作用下，高岭石导带电子与针铁矿价带空穴发生选择性复合，从而保留高岭石中氧化能力较强的价带空穴和针铁矿中还原能力较强的导带电子。原位光照XPS验证了界面电荷迁移方向，EPR同时检测到·OH和·O₂^⁻，共同证实针铁矿与高岭石界面形成的S型异质结是复合物光电化学响应增强的内在机制。

图4 土壤光电化学响应对陆地生物地球化学过程的潜在影响

基于预测的土壤光生电子通量，在假设光生电子全部用于某一特定过程的前提下，估算了土壤光电化学响应对不同陆地生物地球化学过程的理论贡献上限。在微生物代谢方面，光生电子可提供所需电子的0.01–3.49%。在元素循环方面，光生电子可分别提供铁氧化物还原溶解、锰氧化物还原溶解和反硝化所需电子的0.16–9.49%、0.22–11.4%和0.34–3.64%。在污染物转化方面，光生电子可提供六价铬还原所需电子的8.20–49.4%；针铁矿-高岭石复合物的能带位置进一步表明，其在热力学上可驱动硝基苯、三氯乙烯等污染物的还原，以及苯酚、苯胺和双酚A等污染物的氧化。这些结果表明，土壤光电化学响应可为微生物代谢、元素循环和污染物转化等陆地生物地球化学过程提供补充性氧化还原驱动力，揭示了矿物介导的非生物太阳能转化在地球表层能量流动与物质循环中的潜在作用。

作者简介

张泽宏，米乐网页版登录官网博士研究生。主要从事土壤光化学过程的研究。以第一作者的身份在Nat. Commun.和Environ. Sci. Technol.期刊发表SCI论文2篇。

续晓云，上海交通大学米乐网页版官方网站研究员、博士生导师，入选上海市青年科技启明星和斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”，担任Environ. Sci. Technol. Early Career Editorial Board成员和中国土壤学会土壤修复专业委员青年委员。主要从事污染物环境地球化学行为与土壤污染修复研究，主持国家自然科学基金青年项目（B类）和面上项目、国家重点研发计划子课题等，在Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol.和 Water Res.等期刊发表SCI论文100余篇，其中第一或通讯作者论文40余篇。

曹心德，米乐网页版登录官网特聘教授、博士生导师。国务院政府特殊津贴专家（2024），上海市“浦江人才”计划获得者（2011），入选科睿唯安全球高被引科学家（2018-2024）、爱思唯尔中国高被引学者（2014-）。兼任国际微量元素生物地球化学学会提名委员会委员、国家生态环境基准专家委员会委员。主要从事土壤地下水污染过程理论及风险管控技术、土壤生物炭固碳及生态提升技术等研究，主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、科技部国际合作重点项目等。在Nat. Commun.、Sci. Bull.、Environ. Sci. Technol.和Water Res.等期刊上发表SCI论文260余篇。获省部级科技奖一等奖2项。