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水资源的污染严重威胁人类健康和社会的可持续发展。养殖废水具有排放量大、有机污染物含量高和病原微生物多等特点,处理难度较大;而工业废水中存在的难降解杂环化合物等污染物对地下水、河流沉积物、海水和土壤等造成的污染会对人类健康造成危害。因此,建立经济有效的废水处理方法是现代社会发展的一个巨大挑战。微生物在有机污染物的生物降解、化学元素循环和能量再生等领域发挥着重要作用。微生物降解技术由于具有经济、高效、操作方便和无二次污染等优点,已成为有机污染物处理研究中的活跃领域。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种能将传统的污染物降解与电化学技术相结合,利用微生物代谢将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。电活性微生物的胞外电子传递（Extracellular electron transfer,EET）是利用MFC从有机物中回收资源的基本工作原理,它可以促进有机污染物的降解、各种元素的回收以及重金属和放射性废物的固定等。因此,以MFC为平台,利用具有EET能力的微生物可以同时实现污染物的降解和能量回收,对于缓解能源危机和解决环境污染具有重要意义。本论文首先使用MFC处理养殖废水来评价MFC作为废水处理装置的可行性,根据所获得的微生物群落组成变化情况确定了电活性微生物在废水处理过程中的重要作用。由于废水中本身存在的微生物种类较多,研究其EET较为困难,因此为了更加深入的研究电活性微生物的EET机制以具有EET能力的咔唑降解菌Sphingobiumyanoikuyae XLDN2-5为阳极产电微生物,对其在MFC中污染物的降解与同步产能及EET机制进行了详细研究。主要研究结果如下:（1）基于微生物燃料电池的养殖废水高效处理以养殖废水为MFC阳极液,通过MFC产电驯化筛选获得了一个能够在MFC中有效处理养殖废水且高效产电的电活性微生物群落。该电活性微生物群落在MFC处理养殖废水的过程中具有良好的产电性能（最大功率密度为438.22mW m-2,开路电压为746 mV）,且能够高效的去除废水中有机物,如化学需氧量（Chemical oxygen demand,COD）去除率达到70.05%,氨氮（NH4+-N）去除率为77.43%。扫描电子显微镜（Scanningelectron microscope,SEM）表征发现阳极生物膜中存在大量不同形状的微生物。微生物组成分析表明,经过一轮MFC产电驯化处理,废水中与产电和污染物降解相关的微生物显著增加,如Proteiniphilum从4.5%增加到1 1.0%,Prolixibacteraceae从0.06%增加到8.0%,Novosphingobium从0.09%增加到4.5%。而养殖废水中原有的病原微生物含量显著减少,如 Paeniclostridium 从 33.3%下降到 0.03%,Romboutsia 从 29.2%下降到 0.01%,Corynebacterium从 8.4%下降到 0.15%。（2）S.yanoikuyae XLDN2-5在MFC中降解咔唑与同步产电研究S.yanoikuyae XLDN2-5是一株专性好氧的鞘氨醇单胞菌,能以氮杂环污染物咔唑为碳源、氮源和能源实现生长与繁殖。以S.yanoikuyae XLDN2-5为阳极微生物,添加咔唑的无机盐培养基（MSM）为阳极液构建MFC。MFC在整个运行过程中具有良好的产电性能,整个运行周期包括一个较短的（50h）启动期和长达700h的稳定放电时期。MFC的最大放电电压达到497 mV,开路电压可达804 mV,最大功率密度可达496.8 mW m-2。同时,高效液相色谱法（High performance liquid chromatography,HPLC）检测结果显示5.yanoik uyaeXLDN2-5在MFC中可以实现咔唑的高效降解,阳极液中咔唑的浓度（80 mg L-1）在24 h内快速降低,降解效率达到了 64.96%,24 h后咔唑的降解速率趋于缓慢,144h后利用HPLC已检测不到咔唑的残留。另外,对MFC 阳极生物膜利用循环伏安法（Cyclic voltammetry,CV）和电化学阻抗谱（Electrochemical impedance spectroscopy,EIS）进行了电化学活性测定,结果显示阳极生物膜的生成虽然降低了电阻,但是CV表征图未发现明显的氧化还原峰。（3）S.yanoikuyae XLDN2-5基于氧化还原介体的胞外电子传递研究对S.yanoikuyae XLDN2-5在MFC运行过程不同时期的阳极液和摇瓶培养过程不同时间段的培养液进行了 CV测定。结果显示在MFC 阳极液和摇瓶培养液的CV曲线中均没有明显的氧化还原峰出现。另外,外源添加氧化还原介体实验结果显示在添加了维生素B2（VB2）、吩嗪-1-羧酸、乙酸硫堇酯和蒽醌-2,6-二磺酸二钠后,MFC的输出电压并没有升高,而是均出现不同程度的下降,这与外源添加的氧化还原介体是天然物质还是化学合成的无关。以上结果表明,在MFC中以氧化还原介体介导的电子传递途径不是 S.XLDN2-5 的主要 EET 方式。（4）S.yanoi-5kuyaeXLDN2基于导电纳米线的胞外电子传递研究利用SEM对S.yanoik uyaeXLDN2-5在MFC中形成的阳极生物膜和摇瓶培养的游离细菌进行形貌表征。SEM图像显示,阳极生物膜中的菌体细胞表面生成了大量能够形成网络结构且平均直径约为50 nm的纳米线,而摇瓶培养的S.yanoikuyae XLDN2-5游离细胞表面未发现上述纳米线结构。通过SEM进一步考察了 MFC 阳极生物膜中纳米线的生长过程,结果显示在MFC的启动期,阳极生物膜上S.yanoikuyae XLDN2-5菌体细胞之间已经出现了少量的纳米线。当放电达到稳定期时,纳米线的数量急剧增加,并形成网络结构。与放电稳定期相比,在MFC放电周期的衰退阶段和结束阶段,纳米线的数量及其形成的网络结构没有显著变化。综合分析发现纳米线的生长和网络结构形成过程与MFC放电过程中的启动期和稳定期表现出一致性。然后利用导电原子力显微镜（Conductive atomic force microscope,C-AFM）进一步证实了 阳极生物膜中S.yanoikuaey XLDN2-5生成的纳米线具有良好的导电性,能够实现电子的传递。（5）S.yanoikyae XLDN2-5胞外电子传递分子机制探究根据前期研究结果推测S.yanoikuyaeXLDN2-5在阳极生物膜内低溶氧区内生长时可以利用EET将电子从胞内转移到胞外,以满足自身能量代谢需求。因此以有无低氧胁迫为条件对摇瓶培养和MFC阳极生物膜中的菌体进行了转录组测序分析,并根据基因功能注释及基因表达情况对相关基因进行了分析筛选。基于同源重组的原则对17个可能与EET相关的基因进行敲除,成功获得5个基因（SYARS0125545 cytochrome c biogenesis protein DipZ;SYARS0125805 energy transducer TonB;SYA RS0120060 flagellar protein PilZ;SYARS0115340 pilus assembly protein FilS;SYA RS0102800 ubiquinol-cytochrome c chaperone）的敲除菌株,经性状分析可知这5个敲除菌株虽然都丧失了对咔唑的降解能力,但以葡萄糖为碳源和NH4Cl为氮源时MFC的产电性能（产电周期、输出电压等）和生成纳米线的能力均与野生菌株没有明显差异,因此推测这几个基因与S.yanoikuyae XLDN2-5在MFC中利用纳米线进行EET产电是不相关的。综上,本论文研究筛选获得了一个可以在MFC中高效处理养殖废水并且能同步产电的微生物群落;首次发现了专性好氧的咔唑降解菌S.yanoikuyae XLDN2-5可以作为一种新型电化学活性细菌在MFC中实现污染物降解与同步电能回收;证实了 S.yanoikuyae XLDN2-5在MFC中主要依靠微生物纳米线而非氧化还原介体来进行EET。上述研究结果不仅可以为好氧菌EET研究提供一定理论基础,并且对利用生物电化学系统进行环境污染治理和清洁能源生产具有重要的意义。