土壤是人类赖以生存的根基，在土壤当中，微生物是一个重要的活性物种。微生物的生存与代谢，影响着土壤中矿物的氧化与还原，并且可能导致次生矿物的形成，这个过程还能够与污染物的降解以及重金属的迁移转化相偶联，具有极其重要的生物地球化学意义。从微观的角度而言，微生物与矿物相互作用的核心机理，是微生物胞外电子传递。这个领域的研究主要在于探索电子如何从细胞内部传递至细胞外部的腐殖质与矿物表面，完成整个氧化还原过程。其中，在传递过程当中的能量变化和各物种之间的物质转化是两个研究的基本问题。　　化学热力学主要研究物质在物理和化学变化过程中伴随的能量变化，通过热力学的研究，可以解释胞外电子传递过程的反应程度以及能量传递与损耗;动力学则主要研究化学反应过程中的速率和机理，通过动力学研究，则可明确胞外电子传递过程中各物种的物质转化情况。基于此，本论文选取了在自然界广泛存在的“类腐殖质”介导的“胞外电子传递”形式为研究对象，以胞外电子过程中的关键参与物种“细胞色素c”为核心，深入探讨了类腐殖质介导的胞外电子传递过程热力学与动力学机制，主要内容与结论如下:　　1、改进并构建了创新的胞外电子传递研究方法。鉴于在类腐殖质介导的胞外电子传递热力学与动力学研究当中，需要对细胞色素c与类腐殖质等核心物种的氧化还原状态进行定量分析，并且需要获取某些快速步骤的反应速率参数，本论文:　　(1)推进了原位漫透射光谱法在胞外电子传递模型研究中的应用，将其用于同时监测细胞色素c与类腐殖质的状态变化，推动了热力学模型的解析;　　(2)结合电化学表征，将原位漫透射光谱电化学法应用于胞外电子传递热力学研究，将物种氧化还原平衡状态与实测开路电压相关联，为热力学与动力学研究提供了更为丰富的实测数据;　　(3)构建光纤光谱仪—积分球漫透射光谱测试系统，建立了快速漫透射测试法，为胞外电子传递动力学研究提供了技术支持。　　2、详细阐述了不同条件下类腐殖质的穿梭效应。　　(1)选取了7种不同的类腐殖质，明确不同类腐殖质对Shewanella putrefaciens200胞外电子传递的促进效应，表明所选取的类腐殖质均能够促进微生物胞外电子传递过程，并且类腐殖质的标准电极电位(E0)以及电子接收容量(EAC)与其促进效应呈现出较好的线性关系;　　(2)研究了不同pH影响条件下的穿梭效应，以自然环境中重要的影响因素pH为例，研究了不同pH条件下模式类腐殖质AQS介导的胞外电子传递过程热力学与动力学。在pH6.2至6.8的范围内，随着pH的上升胞外电子传递能力逐渐增强，而在pH7.0至7.8的范围内，随着pH的上升，胞外电子传递能力的上升开始趋于平缓并有所下降。对不同条件下微生物膜DNA的测试表明，在pH6.2至6.8范围内，DNA量随着pH的上升而上升，而在pH7.0至7.8范围内，DNA量则随着pH的上升而下降;然而对胞外电子传递过程的热力学分析以及循环伏安测试表明，AQS的标准电极电位在整个pH6.8至7.8范围内均随着pH的上升而变负。　　3、在效应研究的基础上，对胞外电子传递过程热力学机制进行深入分析。　　(1)通过热力学分析表明，细胞色素c与类腐殖质之间的电子传递步骤是造成不同类腐殖质介导胞外电子传递过程差异的核心步骤，此过程的电势降是穿梭过程能量损失的关键。理论分析表明，类腐殖质的标准电极电位和电子接收容量的大小均与此能量损失的大小有关。通过原位漫透射光谱法对细胞色素c与类腐殖质的同时表征，并将实测数据代入理论分析所得到的方程，定量了此过程中能量损失的变化状况。此部分研究为不同类腐殖质介导的胞外电子传递研究提供了基础理论支持;　　(2)其次，对于pH的影响而言，对整个过程进行分要素解析表明，pH在6.2至6.8的上升过程中，随着pH的上升，两个关键要素“微生物的生长”以及“AQS的氧化还原化学性质”均对穿梭过程的促进起着正作用，而pH在7.0至7.8的上升过程中，随着pH的继续增加，虽然从热力学角度出发AQS氧化还原化学性质仍然对穿梭过程的促进起着正作用，然而微生物却因为生长受影响而开始起负作用，两者共同导致了电子传递强弱随着pH的上升呈现出先上升后平缓并趋于下降的趋势。　　4、以细胞色素c为核心，结合热力学的理解，重点分析了胞外电子传递动力学机制。　　(1)以细胞色素c为关键物种，利用快速漫透射光谱法，以10ms采集一个数据的快速方式，获取了单步骤快速反应的实际反应数据，建立了相应的数学模型，直接证实了细胞色素c与类腐殖质之间的反应是整个电子传递链中最快速的反应;　　(2)延续此研究方法，并结合漫透射光谱电化学法，详细探讨了不同电子供体和电子受体对细胞色素c氧化还原动力学的影响，发现在不同电子供体会轻微地影响平衡状态下细胞色素c的氧化还原状态，而电子受体则会极大地改变细胞色素c的氧化还原状态，其原因在于，一方面从动力学角度而言，反应速率会影响平衡，而另一方面从热力学角度而言，氧化还原电位也会决定物种的平衡状态。[c-Cytsred]和[c-Cytsox]不仅决定其表观电极电位，而且还影响着胞外电子传递速率，因此成为了此过程热力学与动力学研究的桥梁;　　(3)最后，对于固态电子受体存在的反应，本论文探究了类腐殖质对电极表面生物膜形成的影响，证实了类腐殖质能够大大刺激生物膜的形成并加速电子传递，而生物膜的形成又反作用于电子传递链，与类腐殖质共同作用，进一步促进电子转移，形成生物膜—穿梭体共作用的电子传递机制。生物膜加速穿梭过程电子传递的主要机制在于，由于类腐殖质不能高效地传递超过电极1 mm距离之外的电子，生物膜的生成大大加速了电极表面1μm范围内的穿梭效率，使得整个电子传递得到加速。　　本论文主要从类腐殖质介导的胞外电子传递热力学与动力学机制入手，尝试推动其理论研究，为进一步理解自然环境中微生物—类腐殖质—矿物间的胞外电子传递的生物地球化学机制奠定基础。