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甲烷是一种重要的温室气体,造成温室效应的程度是等摩尔二氧化碳的28-34倍,对全球气候变化有着极大的影响。生物甲烷是大气甲烷的主要来源,每年产生的生物甲烷可达数十亿吨,占全球甲烷排放量的70%左右。生物甲烷主要产生于各种自然与人工厌氧系统的发酵过程,位于厌氧发酵链末端的产甲烷菌基于乙酸发酵型、CO2还原型与甲基营养型三种产甲烷代谢途径生成甲烷气体。近年来,许多研究表明某些产甲烷菌具备胞外电子传递能力,为调控产甲烷代谢途径提供了新的思路。胞外电子传递是指胞内电子传递到胞外电子受体（微生物）以及其逆反应的过程,其关键就是胞外电子受体或者电子传递体。胞外电子传递过程极大地影响了产甲烷菌的能量代谢和产甲烷代谢,成为调控全球甲烷生物排放量的重要手段。然而,有关其影响产甲烷菌代谢的机理却很少报道或者不够明确。因此本研究选择胞外电子穿梭体腐殖质（Humic substance,HS）与铁基纳米材料（纳米零价铁,nZVI;硫化钠米零价铁,SnZVI;纳米硫化亚铁,nFeS）为受试对象,探究了它们对乙酸发酵型产甲烷菌Methanosarcina acetivorans C2A的生理代谢影响机制。本文主要的研究内容及结果如下:（1）通过检测细胞一个生长周期内的生理指标,解析了铁基纳米材料对M.acetivorans的生理代谢影响机制。结果表明nZVI、SnZVI能显著地抑制M.acetivorans的生长以及产甲烷代谢,且展现出一定的浓度依赖性,nFeS则对M.acetivorans的生长以及产甲烷代谢影响不大;通过扫描电镜分析、透射电镜分析以及测定胞内活性氧（ROS）以及还原型谷胱甘肽（GSH）水平,发现铁基纳米材料能附着并渗透到细胞内部,引起细胞的氧化应激;通过测定细胞内甲醇:辅酶M甲基转移酶以及ATP合成酶活性,发现铁基纳米材料抑制了产甲烷代谢以及能量代谢相关酶的活性;最后通过测定培养基中Fe2+含量以及体系氢气含量,发现M acetivorans能加速nZVI中Fe0的氧化溶解。基于上述结果提出铁基纳米材料的抑制机制:Fe0可以占用M.acetivorans生长过程中产生的跨膜H+浓度梯度,氧化H+形成H2和Fe2+。H+浓度梯度的破坏致使ATP合成酶活性下降,ATP合成量减少,最终抑制M.acetivorans的生长和产甲烷代谢过程。（2）通过检测细胞一个生长周期内的生理指标,解析了HS对M.acetivorans的生理代谢影响机制。结果说明HS能极大地促进M.acetivorans的生长以及产甲烷代谢;通过红外分析、扫描电镜分析、醌基还原等实验,发现M.acetivorans可以还原HS且醌基是参与该过程的主要氧化还原官能团;通过转录组学的测定以及分析,发现在还原HS的M.acetivorans基因组中MA4284-MA4315基因簇整体表达上调,该基因簇的编码产物为细胞表面醌类蛋白（Cell surfacequinoproteins,CSQs）,位于细胞膜上且大部分以吡咯喹啉醌（PQQ）作为辅助因子;经过分离鉴定,发现PQQ存在于M.acetivorans细胞的膜组分中,并且在还原HS的细胞膜中PQQ含量明显提高;通过胞外Fe（Ⅲ）还原实验,发现上调CSQs的细胞有更高的电子转移率,且添加一种细胞膜结合的醌基类似物甲烷吩嗪（Methanophenazine,MP）后其电子转移率提高4-10倍,说明CSQs以及MP在胞外电子传递中起到了重要作用。根据以上结果,提出了M.acetivorans基于HS的胞外呼吸过程:CSQs耦合MP的氧化还原过程,将还原当量中的电子通过PQQ传递到胞外HS,还原HS中的醌基,最终完成胞外呼吸。该过程能够产生额外的H+浓度梯度,增强ATP合成,促进M.acetivorans生长和产甲烷代谢。