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产电菌(Electricigens)通过分解代谢有机物释放电子,电子通过结合于细胞内膜上的电子传递链传递并提供微生物代谢活动所需的能量,而电子最后通过一种被称作“胞外电子传递”(EET)的方式传递给环境中的电子受体。EET在环境的生物地理化学循环、生物电化学系统和生物修复等领域发挥着重要的作用并正成为学术界研究的热点。硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)是被人们广泛研究的一种土壤中广泛存在在严格厌氧细菌,其通过EET代谢环境中的电子受体并影响着土壤地质的组成与土壤的生物修复、构成了微生物燃料电池生物阳极优势菌种。G. sulfurreducens (Gs)代谢胞外电子受体需要多种物质的协作,比如细胞色素C、菌毛(Gs-pili)、土壤中的矿物等。本论文将分别从菌毛和纳米材料两个方面研究它们对EET的影响。Gs-pili是Gs完成胞外电子传递所必须的,然而对于其在EET过程中发挥的具体功能学术界还没有一个统一的结论,甚至于编码Gs-pili蛋白单体(Gs-PilA)的基因(Gs-pila)尚无明确的定义。本研究首先定位了Gs-pila并分析其开放阅读框结构。然后构建了Gs异源菌毛蛋白表达系统,并通过表达不同组成与结构的菌毛来研究菌毛对Gs胞外电子传递的影响。产电菌可以稳定地利用阳极作为电子受体并实现电能的输出,而阳极修饰可以显著地提高产电菌代谢阳极的能力。本论文选取石墨烯及其复合物来修饰阳极从而研究纳米材料对Gs阳极胞外电子传递的促进作用。具体工作内容如下：(1)使用组氨酸标签标记预测的Gs-pila,通过电镜免疫胶体金染色法证明组氨酸标签标记的蛋白参与了Gs-pili的组成从而定位了Gs-PilA编码基因。Gs-pila具有两个潜在的翻译起始密码子(ATG和TTG),可能形成两种Gs-PilA前体蛋白单体。通过分析仅表达单种Gs-PilA前体蛋白的突变株的Gs-pila的转录及相应表型,证明Gs-pila仅具有唯一的翻译起始密码子(ATG)。(2)构建可以表达Pseudomonas aeruginosa PAO1菌毛蛋白(PA-PilA)的Gs突变株(Gs-PA),证明了异源四型菌毛蛋白可以在Gs中表达并正确的组装同时发现Gs-PA胞外细胞色素C的分布没有改变。通过表征Gs-PA胞外电子受体代谢,研究P.aeruginosa PAO1菌毛(PA-Pili)对Gs胞外电子传递的影响。(3)改变Gs-PilA中芳香族氨基酸的数目或者标记细胞色素PpcA于Gs-PilA上,研究不同组成的Gs-PilA对Gs胞外电子传递的影响。同时,构建可以表达Geobacter metallireducen、 Geobacter uraniireducens、 Pelobacter carbinolicus四型菌毛蛋白及截短的G. uraniireducens和P.carbinolicus四型菌毛蛋白的Gs突变株以研究不同结构的菌毛对Gs胞外电子传递的影响。(4)Gs细胞色素C—OmcZ突变株(Gs-△OmcZ)不能稳定地代谢阳极。本研究使用石墨烯/血红素纳米复合物来仿生模拟天然的细胞色素C,证明通过其阳极修饰可以恢复Gs-△OmcZ稳定阳极胞外电子传递的能力。同时证明其可以作为一般的阳极修饰方式用于微生物燃料电池阳极性能的提高。