随着经济社会的发展,工业废水污染成为亟待解决的环境问题之一。其中,重金属含量超标给生态环境和人类健康带来巨大威胁。重金属污染物因其毒性大、难降解、易富集的特性成为水污染治理中面临的难题。在当前水体重金属污染的治理方法中,生物处理具有成本低、易操作等优势,是目前较为经济且具有前景的方法之一。利用电活性微生物还原重金属是生物法治理重金属污染的重要手段之一。电活性微生物能够将胞内代谢释放的电子传递到细胞外进行重金属的还原,从而实现重金属污染物的去除。但是,较低的胞外电子传递效率一直是电活性微生物在实际应用中面临的瓶颈。为了解决上述问题,本研究提出利用合成生物学策略对电活性菌的胞外基质进行人工改造的思路,通过人工合成胞外电活性基质提高电活性菌的胞外电子传递效率,从而实现重金属的高效去除。因此,我们建立了一种基于淀粉样纤维的人工合成胞外电活性基质的方法。利用该方法对典型的电活性微生物——希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）进行基因工程改造,合成了两种不同的胞外电活性基质,均显著提高了希瓦氏菌的胞外电子传递效率。进一步,将合成了胞外电活性基质的希瓦氏菌用于六价铬去除,并对胞外电活性基质增强六价铬去除的机制进行了分析。主要研究结果如下:（1）设计合成了一种淀粉样纤维（Curli）融合最小色素蛋白（MCD）的胞外电活性基质。通过引入淀粉样纤维单体Csg A,并在Csg A的C端融合MCD多肽的策略,在希瓦氏菌中异源表达了融合MCD多肽的淀粉样纤维,进而基于淀粉样纤维自组装合成了以Csg A淀粉样纤维为骨架且融合MCD的胞外电活性基质。研究结果表明,表达电活性基质的希瓦氏菌的胞外电子传递效率高于野生型希瓦氏菌。在微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell,MFC）中,合成电活性基质的希瓦氏菌最大输出电压约为0.37±0.01 V,最大功率密度约为285±21 m W/m~2,库伦效率约为24.9%,分别是野生型希瓦氏菌的3.4倍、3倍和3.5倍。（2）构建了一种淀粉样纤维融合导电菌毛蛋白（pili）的胞外电活性基质。通过在Csg A的C端融合pili多肽,并将其导入希瓦氏菌,实现了希瓦氏菌异源表达融合pili多肽的淀粉样纤维,进而合成了Csg A融合pili的胞外电活性基质。研究发现,合成了电活性基质的希瓦氏菌的胞外电子传递效率高于野生型希瓦氏菌。在MFC中,合成电活性基质的希瓦氏菌最大输出电压约为0.50±0.01 V,最大功率密度约为299±8 m W/m~2,分别是野生型希瓦氏菌的3.6倍和3.5倍。进一步研究发现,电活性基质增强希瓦氏菌胞外电子传递效率的机制可能是:一方面,胞外电活性基质能够促进胞外电子介体的局部富集,从而增强希瓦氏菌胞外电子传递效率;另一方面,胞外电活性基质也可能直接参与了希瓦氏菌的胞外电子传递。（3）研究了人工合成胞外电活性基质对六价铬的去除性能。研究结果表明,两种合成了胞外电活性基质的希瓦氏菌具有更高的六价铬去除效率,其六价铬（500μM）去除动力学常数为0.102 h-1（Csg A-MCD）和0.107 h-1（Csg A-pili）,分别是野生型希瓦氏菌(0.038 h-1)的2.7倍和2.8倍。进一步研究发现,胞外电活性基质增强希瓦氏菌还原六价铬性能的内在机制可能是:胞外电活性基质提高了希瓦氏菌胞外电子传递效率,提高了六价铬胞外还原速率;同时,由于六价铬胞外还原效率的提高,六价铬进入胞内效率降低,减少了六价铬对细胞的损伤,提高了细胞对六价铬的耐受性,使希瓦氏菌在高浓度六价铬中保持了较高代谢活性。综上所述,本研究建立了一种人工合成胞外电活性基质方法,利用该方法提高了希瓦氏菌的胞外电子传递效率。进一步研究表明,合成了胞外电活性基质的希瓦氏菌具有更快的六价铬去除速率,对六价铬具有更高的耐受性,能够连续高效去除六价铬,在水体重金属污染治理方面具有潜在的应用价值。