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生物电化学系统(BESs)是近年兴起的、集污染物处理与金属回收于一体的新技术。不同于利用化学催化剂的非生物阴极,生物阴极BESs以电化学活性菌为催化剂,取代了昂贵的金属催化剂,有效地提高了BESs金属的回收速率。近年来生物阴极回收金属的应用已被广泛研究,然而,生物阴极电化学活性菌催化还原金属的过程,特别是金属在菌体上／内的分布都尚不清楚。金属荧光探针是一类分子量介于500-1000的小分子有机物,能专一性识别生物活体细胞内的金属离子,具有灵敏度高、样品制备简单、对受试生物无损害、可视化等诸多优点。基于此,本研究分别依据铬铜镉荧光探针的特性,可视化并示踪生物阴极电化学活性菌中的Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)与Cd(Ⅱ),这些研究不仅能进一步明晰BESs阴极电化学活性菌对金属的还原,而且能够扩宽金属离子荧光探针在环境科学领域的应用。主要结果有：(1)通过共聚焦激光扫描显微(Confocal laser scanning microscopy, CLSM),利用Cr(Ⅲ)荧光探针(R1)分别可视化并示踪还原Cr(Ⅵ)的四株生物电化学活性菌Stenotrophomonas sp. YS1, Stenotrophomonas maltophilia YS2, Serratia marcescens YS3以及Achromobacter xylosoxidans YS8不同运行时间下细胞内Cr(Ⅲ)的分布,在MFCs还原Cr(Ⅵ)的一个周期内,随着MFCs对Cr(Ⅵ)的还原,生物电化学活性菌胞内的Cr(Ⅲ)浓度逐渐增加。(2)通过CLSM,利用Cu(Ⅱ)荧光探针(R2)分别可视化并示踪还原Cu(Ⅱ)的四株生物电化学活性菌Stenotrophomonas maltophilia JY1, Citrobacter sp. JY3, Pseudomonas aeruginosa JY5以及Stenotrophomonas sp. JY6不同运行时间下细胞内、膜间质以及细胞膜的Cu分布,随着MFCs对Cu(Ⅱ)的还原,生物电化学活性菌胞内液和膜间质中Cu(Ⅱ)的浓度先增加后减少,膜上总Cu含量逐渐增加,MFCs对Cu(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,四株电化学活性菌膜总Cu含量占整体的最多；结合生物阴极MFCs反应器,得出Cu在电极上、阴极液以及电化学活性菌中的分布,随着MFCs对Cu(Ⅱ)的还原,电极上吸附的总Cu含量逐渐增加,阴极液中的总Cu含量逐渐减少,菌中总Cu含量先增加后减少,MFCs对Cu(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,电极上吸附的Cu含量占整体的最多。(3)通过CLSM,利用Cd(Ⅱ)荧光探针(Q3)分别可视化并示踪去除Cd(Ⅱ)的四株生物电化学活性菌Ochrobactrum sp. ST1, Pseudomonas sp. ST3, Pseudomonas delhiensis ST5, Ochrobactrum anthropi ST7不同运行时间下细胞内、膜间质以及细胞膜的Cd分布,随着MECs对Cd(Ⅱ)的还原,生物电化学活性菌胞内液和膜间质中Cd(Ⅱ)的浓度先增加后减少,膜上总Cd含量逐渐增加,MECs对Cd(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,四株电化学活性菌膜总Cd含量占整体的最多：结合生物阴极MECs反应器,得出Cd在电极上、阴极液以及生物电化学活性菌中的分布,随着MECs对Cd(Ⅱ)的还原,电极上吸附的总Cd含量逐渐增加,阴极液中的总Cd含量逐渐减少,菌中总Cd含量先增加后减少,MFCs对Cd(Ⅱ)还原一周期(5 h)时,电极上吸附的Cd含量占整体的最多。