自然环境中的微生物主要以浮游态和群聚在固体表面的生物膜状态两种方式存在。2004年,Logan发现从废水中富集形成的微生物膜电子传递效率是悬浮体系的数百倍。这种具有极高胞外电子传递效率的生物膜被命名为电活性生物膜(Electroactive Biofilms,EABs)。与传统生物膜相比,EABs除了物质交换、吸附等基本作用外,EABs与固体间还存在直接的电子交换过程。电活性生物膜既可以将电子转移给胞外固体如铁氧化物、电极等,也可从胞外固体吸收电子。因此,EABs胞外电子传递已成为环境领域关注的热点,并在环境污染物降解、废水处理和清洁能源生产等领域展示出巨大的应用潜力。然而目前关于EABs电子转移环境效应与机制的认识仍十分有限。深入探索EABs双向电子传递的效应与机制,对于全面理解EABs能量代谢多样性、环境功能、应用价值具有重要意义。本文以EABs与固体电极间的双向电子转移为主线,分别从五氯酚还原脱氯、硝酸盐还原脱氮和二氧化碳还原固定(电合成有机物)等方面研究了四种EABs(硫还原地杆菌、粪产碱杆菌、脱氮硫杆菌和嗜热自养梭菌)与固体之间双向的电子转移过程及其效应,并初步探讨了其电子转移机制。论文主要内容和结论如下:(1)研究了秸秆生物炭是否能够介导Geobacter sulfurreducens对五氯酚(PCP)的脱氯。结果表明生物炭可发挥固态电子穿梭体的功能加速PCP还原脱氯,脱氯产物为2,4,6-三氯苯酚,2,4-二氯苯酚,4-氯苯酚和苯酚。但不同温度制备的生物炭的加速效果差异较大。制备温度(400~900°C)越高,生物炭导电性越好,电子交换容量越大。生物炭可被G.sulfurreducens用作胞外呼吸的电子受体,其电子接受容量越高,该菌生长量越大。降解动力学分析和生物炭表面基团修饰实验表明,生物炭介导能力与其电子交换容量和导电性均有密切关系,从而揭示了生物炭以表面氧化还原基团和导电性石墨区域结构两种途径介导电子转移的机制。该结果为厌氧环境PCP污染的原位修复提供了一种有效手段。(2)以NO3-为电子受体,电极为电子供体探讨了Alcaligenes faecalis和Thiobacillus denitrificans生物膜吸收固体电极电子进行自养脱氮的能力。结果表明,两种电极生物膜均具有吸收电极电子的活性。电极电位越负,两种生物膜的NO3-还原速率越高。A.faecalis生物膜的脱氮性能(氮去除率71.6%)明显高于T.denitrificans(氮去除率17.8%)。前者以脱氮(Denitrification)和异化硝酸盐还原为氨(Dissimilatory nitrate reduction to ammonium,DNRA)两种途径进行NO3-还原,而后者不存在DNRA途径。电子传递抑制剂实验表明T.denitrificans生物膜吸收的电极电子跨细菌外膜后传递到了质膜上的复合物I、II、III及醌池。本研究为环境中硝酸盐污染的治理提供了一种新的电化学方法。(3)以CO2为电子受体、电极为电子供体,研究了A.faecalis和Clostridium thermoautotrophicum吸收固体电极的电子进行CO2还原和有机物合成的能力。结果表明,电极电位越负,两种生物膜对电极电子的吸收能力越强,电合成速率越高。A.faecalis电合成产物包括丙酮酸和丁二酸等,但这两种物质都只是中间产物,最终可能被A.faecalis吸收利用而转化为微生物量。C.thermoautotrophicum电合成产物主要为甲酸和乙酸,温度越高,其电子吸收及电合成速率越快。金和中性红修饰电极分别将C.thermoautotrophicum甲酸合成速率提高了2.9、1.7倍。相反,氧化石墨烯修饰电极则将甲酸合成量降低了45%,证明电极表面基团对电子吸收具有较大影响。将C.thermoautotrophicum包埋至电极后,甲酸和乙酸电合成速率分别提升了41.3、9.6倍。因此,微生物包埋固定是提升电合成效率的有效方法,可为微生物电合成的优化提供技术支撑。(4)以电极为电子受体和电子供体探讨了A.faecalis生物膜的双向电子转移及其机制。结果表明,A.faecalis电子输出能力明显弱于输入能力。电子传递抑制剂鱼藤酮、抗霉素A、奎吖因、双香豆素和二环己基碳二亚胺均可抑制A.faecalis胞外电子的输出和输入,表明细胞质膜上的电子传递链,即复合物I、II、III和醌池均参与了电子输出/输入过程,并伴随有ATP的合成。在电子输入/输出模式,A.faecalis基因表达谱存在明显差异。细胞色素c过氧化物酶、电子载体Rnf B和细胞色素c的表达量在电子输出时显著性上调,而在电子输入(-0.5 V或-0.1 V)时显著性下调,表明该三种蛋白在电子输入/输出时的功能不同。A.faecalis鞭毛蛋白(Flagellin)在两种模式下都被诱导大量表达(可高达13倍),证明Flagellin对电极生物膜的形成和电子转移具有重要功能。在电子输出时,A.faecalis菌毛蛋白(Cpa B)也被诱导大量表达,预示着其菌毛可能起到了Geobacter等属细菌纳米导线一样的电子输出功能。本研究为深入理解EABs双向电子转移机制提供了新的视角和认识。