近日，中国科学院广州地球化学研究所研究员朱建喜团队在锰氧化物矿物演化及多样性形成机制研究中取得重要进展。依托同步辐射X射线衍射等先进表征技术，团队发现，在相同溶液化学条件下，不同结晶度的层状水钠锰矿可沿不同路径发生相变，形成多种锰氧化物矿物，表明矿物自身结构性质是调控其演化路径的关键因素。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

表生环境中锰的氧化还原循环与锰氧化物矿物多样性的潜在形成机制。研究团队供图

锰氧化物广泛分布于土壤、淡水和海洋沉积物中，在多种生物地球化学循环中发挥重要作用。自然界已发现30余种锰氧化物矿物，其晶体结构与组成差异显著，但形成与演化机制尚缺乏系统认识。层状水钠锰矿是自然界最常见的锰氧化物之一，也是最主要的生物成因类型。以往研究普遍认为，水钠锰矿与Mn(II)等还原性物质反应可转化为黑锰矿、水锰矿等，转化路径及产物主要受pH、Mn(II)浓度等溶液化学条件控制。然而，已有实验获得的转化产物类型有限，难以解释天然锰氧化物的高度多样性，而前驱体自身结晶度等性质在转化过程中的作用长期被忽视。

针对该问题，朱建喜团队博士后文科及合作者在国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目资助下，合成了三种具有不同结晶度及粒径的层状水钠锰矿，并在相同Mn(II)溶液条件下开展转化实验。结果显示，三种前驱体表现出截然不同的演化路径：低结晶度水钠锰矿转化为锰钾矿，中等结晶度样品转变为钙锰矿，高结晶度样品则主要形成拉锰矿。

机理分析表明，前驱体的结晶度、粒径及结构缺陷可影响Mn(II)在矿物表面的吸附构型、电子转移及结构重组过程，从而改变转化路径。据此，团队提出，锰氧化物矿物的演化并非仅由外部环境条件决定，而是受“环境条件＋前驱体自身结构性质”共同调控。

论文第一作者文科表示，该发现为理解天然锰氧化物矿物多样性的形成提供了新视角。天然生物成因锰氧化物通常粒径小、结构缺陷丰富，随环境条件改变，其结构与粒径不断变化，进而影响后续演化路径，最终形成多样的天然锰氧化物矿物。

该研究揭示了矿物纳米尺度结构性质对演化路径的重要调控作用，拓展了传统上偏重外部环境条件的认识，为解答锰氧化物“从何而来、如何演化、为何多样”提供了新的科学依据。同时，不同锰氧化物具有不同的结构、氧化还原性质及元素吸附能力，这种由前驱体性质主导的演化过程还可能影响稀土元素、关键金属及营养物质在环境中的迁移、富集与循环。

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag392