2025年2月26日，beat365官方网站李豔、魯安懷團隊在Nature Communications發表了題為“Back to chromite as a mineralogical strategy for long-term chromium pollution control”的研究論文。該研究實現了常溫常壓下将六價鉻污染高效轉化為鉻鐵礦并進行磁分離回收，同時開發了基于礦物Gibbs自由能模型的開源工具AI4Min-Cr，為實際環境中鉻污染的靶向治理提供了低成本的實時修複策略推薦。

鉻鐵礦（FeCr₂O₄）是自然界中最穩定、抗風化能力最強的含鉻礦物，通常在高溫高壓下形成。作為全球年用量超過千萬噸的重要工業原料，鉻鐵礦在工業生産中會釋放大量高緻癌性、強遷移性的六價鉻（Cr^VI），對生态環境造成嚴重危害。目前鉻污染治理的主要思路是将Cr^VI還原為低毒性且遷移性較弱的三價鉻（Cr^III），但亞穩态Cr^III産物易被重新氧化為Cr^VI，使得鉻污染的長效管控面臨“還原容易固定難”和“反複治理反複氧化”的瓶頸問題。

針對這一難題，團隊突破了傳統高溫高壓條件的限制，提出在環境條件下将Cr^VI轉化為穩定的鉻鐵礦相的礦物學新策略。在理論計算的指導下，通過開展系統的礦物學與微生物學實驗研究，揭示了常溫液相環境中鉻元素在不同配位多面體中的分配和組合規律，成功實現了常溫堿性條件下鉻鐵礦的可控合成（圖1a）。精細礦物學與理論計算結果顯示（圖1b-c），Cr^III的八面體晶體場穩定能最高，優先占據結構中的八面體空隙；通過精确調控pH（6-14）與鐵鉻比（0-10）來控制溶液中過渡金屬離子的配位形式、離子活度及其在四、八面體空隙中的分配，即可影響反應的吉布斯自由能，最終決定鉻鐵礦的形成可能性及結晶程度。由于[Cr^IIIO₆]八面體的熱力學優勢，鉻鐵礦的沉澱反應不受離子添加順序的影響，其結晶程度和熱力學穩定性主要取決于[Fe^IIIO₄]四面體的濃度（圖1d）。

經過長期馴化，團隊還獲得了能夠同時耐受高鉻濃度（Cr^VI500 ppm）和強堿性（pH ~11）環境的異化金屬還原菌Shewanella oneidensisMR-1。将該菌接種于實際鉻污染土壤，巧妙利用其分解有機物産生的局域堿性環境和通過胞外電子傳遞産生的Cr^III和Fe^II，在微生物誘導和控制礦化雙重作用下，于細胞内、外快速形成鉻鐵礦（圖1e-g）。在長達180天的酸性與大氣環境暴露實驗中，非生物和生物途徑形成的鉻鐵礦産物均表現出優異的抗氧化和抗分解性能，其飽和磁化強度約為8-34 emu/g，支持低成本的磁分離回收。

圖1 鉻鐵礦形成的實驗與機制。a: 常溫常壓下鉻鐵礦沉澱實物圖；b: 同步輻射X射線吸收譜；c: 反應Gibbs自由能-pH-鐵鉻比三維模型；d: 四、八面體空隙離子分配反應；e: 微生物胞内與f: 胞外形成鉻鐵礦（白色箭頭指向）的透射電鏡照片及g: 示意圖

在當前AI時代背景下，團隊積極倡導“數據驅動科學發現與開放共享”的理念，構建了包含近萬組來自計算和實驗數據的鉻鐵礦生成反應Gibbs自由能數據集，開發了在連續變量條件下鉻鐵礦沉澱的理論模型，并将其轉化為AI4Min-Cr開源數據工具（http://cr.ai4mineral.com）。該工具可根據用戶輸入的pH值以及不同化學形态的Fe、Cr濃度等關鍵參數，通過動态建模生成定制化的鉻污染修複方案。AI4Min-Cr是國際上首個将環境礦物學與礦物信息學相結合并面向環保應用的智能工具，體現了鉻元素“從鉻鐵礦中來，再回到鉻鐵礦中去”的自然循環理念（圖2），為鉻污染的靶向治理提供了高效率、低成本的礦物學新策略。

圖2AI4Min-Cr智能工具示意圖（鉻鐵礦實物圖由江蘇礦物文化交流中心提供）

beat365官方网站博士研究生化天賜、博雅博士後黎晏彰和北京航空航天大學宇航學院碩士研究生胡宇軒為論文的共同第一作者，李豔副教授為通訊作者。參與該工作的主要作者還有北大地空學院的碩士研究生殷榮章、盧垕澤及博士研究生侯炳旭等。該成果得到了國家自然科學基金項目以及深時數字地球（DDE）國際大科學計劃項目的資助。

後記：本研究受到了葉大年院士對鉻渣鑄石高溫冶煉過程中鉻元素分配規律的研究啟發。葉先生領導的中科院地質所研究團隊曾在上世紀60-70年代開展了鑄石的生産實踐，通過大量、大型的生産數據提出了高溫熔體結晶過程中鉻鐵礦的富集機制。本研究在此基礎上，進一步驗證并擴展了該機理在常溫液相條件下的适用性。我們對葉院士及其團隊的開創性工作表示由衷的敬意，并對其智慧與奉獻精神深表感激。