硫化物驱动下厌氧环境中水铁矿与U(VI)的还原转化机制及其环境修复意义

铀矿污染治理面临重大挑战，本研究揭示了硫化物(S2-)在厌氧条件下触发水铁矿(ferrihydrite)转化并促进U(VI)还原固定的关键机制。通过多尺度表征技术，研究人员发现pH依赖的矿物相变路径（如赤铁矿/针铁矿形成）与Fe2+介导的电子传递协同作用，阐明了硫-铁-铀耦合的氧化还原过程，为矿区铀污染被动修复提供了理论依据。

　　

铀矿开采活动导致的放射性污染是当前环境领域重大挑战。铀(U)在氧化性水体中以可溶性的U(VI)形态迁移，而在还原条件下可转化为难溶的U(IV)沉淀。这一转化过程与铁硫矿物的动态演变密切相关——特别是自然界广泛存在的短程有序水铁矿(ferrihydrite)，其高比表面积和表面活性位点使其成为铀的重要"捕集器"。然而在富含硫化物的厌氧环境中（如矿区深层地下水），水铁矿与硫离子(S^2-)的相互作用如何调控铀的形态转化，一直是学术界尚未完全阐明的关键科学问题。

针对这一知识空白，中国科学院西北生态环境资源研究院（Northeast Institute of Ecology and Environment, CAS）的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表了创新性研究成果。该工作系统探究了厌氧条件下S^2-触发水铁矿转化及其对U(VI)还原固定的影响机制，揭示了pH依赖的矿物相变规律与多步硫氧化路径的耦合作用。

研究采用高分辨透射电镜(HR-TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱等先进表征技术，结合同步辐射分析，追踪了矿物微观结构演变与元素价态变化。通过控制pH梯度实验（pH 5 vs pH 7），对比研究了不同环境条件下铁硫矿物的转化路径及其对铀固定的影响差异。

S^2-触发的水铁矿转化
实验发现S^2-可诱导水铁矿发生还原溶解，释放Fe²⁺并引发矿物相变。在pH 7时主要形成热力学稳定的赤铁矿(hematite)和针铁矿(goethite)；而在pH 5条件下则以低结晶度矿物为主，伴随更高浓度的溶解态Fe²⁺（0.49 mmol/L）。硫氧化呈现阶梯式路径：S^2-→S⁰→SO₃^2-→SO₄^2-，过程中检测到硫代硫酸盐和多硫化物等中间产物。

U(VI)的还原固定机制
新形成的铁矿物相（如马基诺矿mackinawite）通过表面吸附和Fe²⁺介导的电子转移，促进U(VI)还原为U(IV)。XPS分析证实U(IV)占比随反应时间显著增加，且与铁矿物结晶度呈正相关。值得注意的是，在酸性条件下，溶解态Fe²⁺作为次级还原剂的作用更为突出。

环境意义
该研究首次系统揭示了硫-铁-铀三元体系的协同转化机制：水铁矿既是铀的吸附载体，又在硫化物作用下转化为活性更高的矿物相，通过"吸附-还原-矿化"多步过程实现铀的长期固定。这一发现为矿区铀污染修复提供了新思路——通过调控地下环境的硫铁化学循环，可自然促进铀的惰性化。研究建立的pH依赖相变模型，对预测不同地质条件下铀的迁移性具有重要指导价值。

论文通讯作者Qiaohui Fan强调，这项工作不仅阐明了铁硫矿物在铀地球化学循环中的关键作用，还为开发基于自然过程的修复技术（如生物刺激硫酸盐还原）提供了科学依据。该成果对保障核能可持续发展与矿区生态安全具有双重意义。