持久性自由基（Persistent free radicals, PFRs）是指带有未配对电子的有机分子或基团。相较于传统认识的瞬时自由基（如OH），PFRs具有较长的寿命和较强的顺磁稳定性，且更易随着介质进行迁移而增加生物体的暴露水平。基于其反应活性（如诱导产生活性氧的能力），PFRs会诱发生物系统的氧化应激反应，引起细胞和器官损伤，被认为是一类新型的环境风险物质。目前，环境介质中PFRs的存在及其环境效应引起了国内外科研人员的广泛重视，有关PFRs的环境地球行为已成为研究的热点。然而，之前的相关研究主要聚焦于焚烧飞灰和大气颗粒物，对于常温常压下土壤生态系统中PFRs的生成、积累和命运认识不足。为此，本项目系统探讨了土壤中PFRs的形成过程与稳定机制、反应活性与氧化潜能、潜在毒性与生态风险等关键科学难题，为评估PFRs的环境行为与效应提供科学与技术支撑。主要发现点如下：

（1）发现并报道了多种土壤环境介质上PFRs的存在及赋存特征，从分子水平上解析了土壤微观界面PFRs的形成与稳定机制，明确了影响和调控PFRs转化和累积的关键因子：通过实际场地调查和室内模拟证实了有机污染物（如芳香类化合物、大分子聚合物）和外源添加物（如碳基材料）会造成土壤环境中PFRs的积累，进一步明确了不同来源和介质上PFRs的丰度、类型与赋存特征，并从分子水平上解析了PFRs的形成机制（包括界面电子传递和化学键断裂），进而指出了土壤中黏土矿物、有机质等组分对PFRs稳定的关键作用。此外，研究还发现土壤含水率和氧气含量是影响和调控PFRs累积的关键因素。这些结论为评估和预测土壤环境中PFRs污染特征和潜在风险提供了重要的理论基础。

（2）解析了土壤环境中PFRs诱导产生活性氧的界面过程与转化路径，明确了PFRs丰度、类型和赋存方式与其反应活性的关系，揭示了土壤中PFRs对氧化潜能的贡献：系统分析了土壤环境中不同载体上PFRs的反应活性，证实PFRs可通过单电子转移诱导超氧阴离子等活性氧（ROS）的形成；进一步将土壤中PFRs解析为“表面吸附态”和“结构固定态”自由基，建立了其与ROS形成的关系，发现“吸附态”自由基占比相对较小，但活性较强，并且会响应光照、水分、氧气等环境因子的改变。基于此，明确了PFRs赋存形态与其反应活性的关系，并进一步阐明了PFRs类型、来源及活性与氧化（及还原）潜能的关系，弥补了以往盲目通过PFRs的丰度判断其反应活性和潜在毒性的不足。

（3）揭示了土壤环境中PFRs对胞外酶和微生物群落的毒性效应，明确了PFRs对土壤无脊椎动物的致毒途径，阐明典型作物响应PFRs胁迫的内在机制以及生物体的解毒策略：系统探讨了PFRs对土壤生态系统的影响，发现PFRs及其诱导产生的OH可引起氧化还原酶活性、细菌丰度和多样性的下降；阐明了携带PFRs的土壤颗粒较其母体化合物（如PAHs）和终产物具有更高的毒性，不但会引起土壤动物（如蚯蚓）组织结构破坏和炎症，而且促使了肠道菌群组成和结构的变化，造成了免疫和代谢功能障碍；证实PFRs诱导产生的OH是土壤植物（小麦）损伤的最大贡献因子，发现土壤植物可通过提高自身抗氧化酶活性和招募有益菌群来抵抗胁迫。此工作阐明了PFRs引起土壤生态毒性的途径和机制，解析了PFRs的致毒效应，明确了土壤植物-动物-微生物协同解毒策略。

本项目共发表相关论文42篇，包括SCI索引论文40篇（其中Environ. Sci. Technol. 12篇），EI检索中文核心期刊《科学通报》论文2篇，SCI他引2054次，其中5篇代表性SCI论文他引453次，ESI高被引论文1篇。相关成果主编专著1部（国内首部相关内容专著）。受到国内外同行高度评价与跟踪对比，推进了国内外对PFRs环境行为和环境效应的研究。项目执行期间，主要完成人获得教育部青年长江学者奖励计划、中国土壤学会优秀青年学者奖、中国环境科学学会青年科学家奖（金奖），率先在多门本教材和本研课程中纳入“环境持久性自由基”相关知识，促进了相关领域科研与教育的发展。