2025年2月26日，北京大学地球与空间科学学院李艳、鲁安怀团队在Nature Communications发表了题为“Back to chromite as a mineralogical strategy for long-term chromium pollution control”的研究论文。该研究实现了常温常压下将六价铬污染高效转化为铬铁矿并进行磁分离回收，同时开发了基于矿物Gibbs自由能模型的开源工具AI4Min-Cr，为实际环境中铬污染的靶向治理提供了低成本的实时修复策略推荐。

铬铁矿（FeCr₂O₄）是自然界中最稳定、抗风化能力最强的含铬矿物，通常在高温高压下形成。作为全球年用量超过千万吨的重要工业原料，铬铁矿在工业生产中会释放大量高致癌性、强迁移性的六价铬（Cr^VI），对生态环境造成严重危害。目前铬污染治理的主要思路是将Cr^VI还原为低毒性且迁移性较弱的三价铬（Cr^III），但亚稳态Cr^III产物易被重新氧化为Cr^VI，使得铬污染的长效管控面临“还原容易固定难”和“反复治理反复氧化”的瓶颈问题。

针对这一难题，团队突破了传统高温高压条件的限制，提出在环境条件下将Cr^VI转化为稳定的铬铁矿相的矿物学新策略。在理论计算的指导下，通过开展系统的矿物学与微生物学实验研究，揭示了常温液相环境中铬元素在不同配位多面体中的分配和组合规律，成功实现了常温碱性条件下铬铁矿的可控合成（图1a）。精细矿物学与理论计算结果显示（图1b-c），Cr^III的八面体晶体场稳定能最高，优先占据结构中的八面体空隙；通过精确调控pH（6-14）与铁铬比（0-10）来控制溶液中过渡金属离子的配位形式、离子活度及其在四、八面体空隙中的分配，即可影响反应的吉布斯自由能，最终决定铬铁矿的形成可能性及结晶程度。由于[Cr^IIIO₆]八面体的热力学优势，铬铁矿的沉淀反应不受离子添加顺序的影响，其结晶程度和热力学稳定性主要取决于[Fe^IIIO₄]四面体的浓度（图1d）。

经过长期驯化，团队还获得了能够同时耐受高铬浓度（Cr^VI500 ppm）和强碱性（pH ~11）环境的异化金属还原菌Shewanella oneidensisMR-1。将该菌接种于实际铬污染土壤，巧妙利用其分解有机物产生的局域碱性环境和通过胞外电子传递产生的Cr^III和Fe^II，在微生物诱导和控制矿化双重作用下，于细胞内、外快速形成铬铁矿（图1e-g）。在长达180天的酸性与大气环境暴露实验中，非生物和生物途径形成的铬铁矿产物均表现出优异的抗氧化和抗分解性能，其饱和磁化强度约为8-34 emu/g，支持低成本的磁分离回收。

图1 铬铁矿形成的实验与机制。a: 常温常压下铬铁矿沉淀实物图；b: 同步辐射X射线吸收谱；c: 反应Gibbs自由能-pH-铁铬比三维模型；d: 四、八面体空隙离子分配反应；e: 微生物胞内与f: 胞外形成铬铁矿（白色箭头指向）的透射电镜照片及g: 示意图

在当前AI时代背景下，团队积极倡导“数据驱动科学发现与开放共享”的理念，构建了包含近万组来自计算和实验数据的铬铁矿生成反应Gibbs自由能数据集，开发了在连续变量条件下铬铁矿沉淀的理论模型，并将其转化为AI4Min-Cr开源数据工具（http://cr.ai4mineral.com）。该工具可根据用户输入的pH值以及不同化学形态的Fe、Cr浓度等关键参数，通过动态建模生成定制化的铬污染修复方案。AI4Min-Cr是国际上首个将环境矿物学与矿物信息学相结合并面向环保应用的智能工具，体现了铬元素“从铬铁矿中来，再回到铬铁矿中去”的自然循环理念（图2），为铬污染的靶向治理提供了高效率、低成本的矿物学新策略。

图2AI4Min-Cr智能工具示意图（铬铁矿实物图由江苏矿物文化交流中心提供）

北京大学地球与空间科学学院博士研究生化天赐、博雅博士后黎晏彰和北京航空航天大学宇航学院硕士研究生胡宇轩为论文的共同第一作者，李艳副教授为通讯作者。参与该工作的主要作者还有北大地空学院的硕士研究生殷荣章、卢垕泽及博士研究生侯炳旭等。该成果得到了国家自然科学基金项目以及深时数字地球（DDE）国际大科学计划项目的资助。

后记：本研究受到了叶大年院士对铬渣铸石高温冶炼过程中铬元素分配规律的研究启发。叶先生领导的中科院地质所研究团队曾在上世纪60-70年代开展了铸石的生产实践，通过大量、大型的生产数据提出了高温熔体结晶过程中铬铁矿的富集机制。本研究在此基础上，进一步验证并扩展了该机理在常温液相条件下的适用性。我们对叶院士及其团队的开创性工作表示由衷的敬意，并对其智慧与奉献精神深表感激。