微生物分泌到体外的胞外酶是有机质等大分子物质的主要分解者，其活性是定量评估土壤与沉积物中有机碳稳定性的关键因素，是建立气候预测模型所需的关键参数。胞外酶常附着于矿物表面。在氧化还原波动环境下，粘土矿物和铁氧化物矿物结构铁发生氧化还原反应，但矿物吸附态胞外酶的活性如何发生变化，变化的程度及其驱动机制仍未探明。

针对此问题，我校科学研究院盛益之副教授、地球科学与资源学院董海良教授及合作者，基于微宇宙实验，通过研究不同pH条件下还原态蒙脱石、绿脱石及磁铁矿和参与有机质分解的胞外酶之间的相互作用，研究矿物氧化还原反应界面对胞外酶活性的影响机制。研究取得创新性认识如下：

1. 在厌氧条件下，矿物表面无活性氧分子产生，矿物的吸附作用使酶的绝对活性降低，降低程度与矿物表面吸附容量和酶的蛋白质结构畸变程度相关；同时，相较于游离态的酶，吸附到矿物表面酶的平均寿命延长，从而与有机碳作用的时间长，不利于有机碳的长期储存。

2. 在好氧条件下，富Fe(II)矿物经芬顿反应在其表面产生活性氧分子，特别是氧化性极高的羟基自由基破坏矿物表面吸附态的胞外酶结构，显著降低酶的活性和寿命，其降低程度与矿物类型、酸碱条件等环境因子相关。矿物表面产生羟基自由基的产量与pH值成反比、与矿物结构Fe(II)氧化程度成正比；相较于蒙脱石和磁铁矿，还原态粘土矿物绿脱石表面羟基自由基产量最高，因此对吸附态酶结构的影响也最大、对酶活性的抑制最强，相比于厌氧条件降低程度达5倍以上，胞外酶活性的快速降低有利于有机碳库的长期稳定。

这项研究揭示了由具有氧化还原活性的矿物表面引起的胞外酶失活过程与机理，对于定量评估土壤和沉积物活性碳库和深刻理解矿物-微生物相互作用驱动的碳循环具有重要意义。

图1 矿物表面产羟基自由基对其吸附的胞外酶活性影响的示意图

上述研究成果发表在环境科学国际权威刊物 《Environmental Science & Technology》上：Sheng Y., Hu J., Ravi K.K., Guo D., Zeng Q., Dong H. Inhibition of Extracellular Enzyme Activity by Reactive Oxygen Species upon Oxygenation of Reduced Iron-Bearing Minerals. Environmental Science and Technology 57(8): 3425-3433. [IF2021= 11.357]

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c09634