酸改性生物炭通过可浸出持久性自由基驱动铀(VI)生物还原：胞外电子传递与微生物协同机制

针对铀污染修复中微生物胞外电子传递(EET)效率不足的问题，研究人员通过酸改性生物炭调控氧中心持久性自由基(PFRs)，发现硝酸改性生物炭(RBH)可提升57%的U(VI)还原效率，其可溶性PFRs通过促进电子传递和胞外聚合物(EPS)分泌实现微生物协同增效，为铀污染生物修复提供新策略。

　　

随着核能产业的快速发展，铀矿开采产生的放射性污染成为全球性环境挑战。铀尾矿中高达85%的铀以可溶性U(VI)形式存在，其高迁移性和生物毒性对生态系统构成长期威胁。尽管微生物能将U(VI)还原为不溶性U(IV)实现原位修复，但传统方法存在胞外电子传递(EET)效率低、电子介质稳定性差等瓶颈。生物炭因其独特的导电性和电子存储能力被视为理想介质，但其核心活性组分——持久性自由基(PFRs)的作用机制及增效策略尚未阐明。

中国研究人员通过化学改性技术精准调控生物炭中氧中心PFRs的生成，首次揭示可溶性PFRs通过"电子穿梭-微生物协同"双路径驱动U(VI)高效还原的分子机制。研究发现硝酸改性生物炭(RBH)的浸出液中氧中心PFRs浓度显著提升，使Desulfovibrio vulgaris UR1菌株的U(VI)还原效率较未改性生物炭(RB)提高57%。电化学测试证实可溶性PFRs作为高效电子传递介质，促进微生物与污染物间的电子转移；三维荧光光谱分析显示PFRs同时刺激菌体分泌富含色氨酸类物质的胞外聚合物(EPS)，形成"电子高速公路"。该研究发表于《Journal of Hazardous Materials》，为铀污染修复提供了"材料-微生物"协同增效的新范式。

研究采用硝酸、过氧化氢和氢氧化钠三种改性方法处理竹纤维生物炭，通过电子顺磁共振(ESR)表征PFRs类型，结合电化学工作站分析电子传递效率，并利用三维荧光光谱(3D-EEM)追踪EPS动态变化。微生物还原实验设置不同生物炭剂量梯度，采用紫外-可见分光光度计监测U(VI)浓度变化，最终通过X射线光电子能谱(XPS)验证铀价态转化。

物理化学性质分析
改性生物炭表征显示：RBH的比表面积达71.26 m²/g，XPS谱图中氧含量显著增加，ESR检测到g=2.003的强信号，证实氧中心PFRs的富集。FTIR光谱中1720 cm^-1处羧基峰增强，为PFRs形成提供活性位点。

生物还原效能验证
剂量效应实验表明，2.5 g/L RBH可使U(VI)还原率提升至82.3%，超过该浓度后因活性组分溶解度限制不再增效。对比实验证实RBH浸出液的还原效率是RB的1.8倍，且去除效果与PFRs浓度呈正相关。

分子机制解析
CV曲线显示RBH浸出液的氧化还原峰电流增加2.3倍，ABTS自由基清除实验证实其电子接受能力增强。3D-EEM检测到EPS中类色氨酸物质荧光强度提升47%，表明PFRs通过调控微生物代谢强化EET。

环境意义
该研究突破传统生物炭仅作为物理载体的认知，阐明化学改性诱导PFRs生成促进微生物EET的分子机制。RBH中可溶性PFRs兼具持久活性和环境友好特性，为铀污染地下水修复提供经济高效方案。研究团队建议未来关注PFRs的长期环境行为及其与土著微生物的互作机制。

（注：作者单位信息未在文本中明确提及，故未作机构标注；专业术语如胞外电子传递EET、持久性自由基PFRs等均在首次出现时标注英文缩写；实验方法描述严格基于原文数据）