零价铁辅助微生物电化学系统同步实现铀污染修复与能量回收的创新策略

本文开发了一种零价铁（Fe(0)）基自发微生物电化学系统（Fe(0)-SMEC），通过空间分离阳极Fe(0)氧化与生物阴极微生物U(VI)还原反应，显著提升电子利用率和铀去除效率（81.7%–96.4%），同步产生电能（0.136?W），并揭示微生物通过胞外/周质/胞质多途径协同实现铀生物还原（bioreduction）与生物矿化（biomineralization）的机制。

　　

亮点

铀污染废水既构成生态威胁又导致资源流失。本研究开发了一种零价铁基自发微生物电化学系统（Fe(0)-SMEC），可实现采矿废水中铀提取与同步发电。通过将Fe(0)氧化与微生物U(VI)还原空间解耦，该系统显著提升电子利用率并避免传统混合系统的操作复杂性。非晶态U(IV)和磷酸铀酰沉淀的形成进一步保障了铀的长期固定，为放射性废水处理提供了一种环境友好且资源回收型的解决方案。

结论

本研究展示了一种高效Fe(0)-SMEC系统，能够同步去除U(VI)并发电。通过空间分离阳极Fe(0)氧化与生物阴极微生物U(VI)还原，该系统显著提升了电子利用率和铀去除效率。48小时内，对合成废水（5–25?mg/L）和真实铀矿废水的U(VI)去除率分别达到81.7%–96.4%和73.3%–78.7%，同时输出功率分别为0.136?W和0.109?W。机理分析表明，铀固定化由微生物生物还原和磷酸盐生物矿化驱动，形成了磷酸铀酰和非晶态U(IV)沉淀。富集电活性菌和金属还原菌的生物膜通过直接电子传递（c型细胞色素、电子菌毛）、介导电子传递（黄素、吩嗪）、细胞内氧化还原调节（硫氧还蛋白）和能量代谢相关功能基因，在U(VI)还原中发挥核心作用，表明还原过程通过胞外、周质和胞质整合途径进行。这项工作为从污染废水中可持续回收铀提供了一种经济高效的策略。

环境意义

含铀废水构成生态威胁并导致资源流失。本研究开发的零价铁基自发微生物电化学系统可实现采矿废水同步提铀与发电。通过解耦Fe(0)氧化与微生物U(VI)还原，该系统提升电子利用率并规避传统混合系统的操作复杂性。非晶态U(IV)和磷酸铀酰的形成增强了铀固定化效果，为放射性废水治理提供了资源回收型解决方案。