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生物处理技术由于兼具环境效益与经济效益,仍然是目前污水处理的主流处理工艺。但是随着总氮指标纳入管控以及集约式养殖发展模式下抗生素废水排放量的增大,微生物有限的电子传递效率不仅造成原有生物处理工艺的出水总氮不能稳定达标,而且导致外排水中抗生素和硝酸盐残留浓度较高,从而对自然水体造成非常严重的污染。因此,寻求可行的策略来强化生物处理工艺的反硝化和抗生素降解性能迫在眉睫。而纳米粒子在提高微生物的电子传递和代谢活性方面展示出前所未有的优势。本研究试图通过微生物原位合成具有高催化活性和高生物相容性的生物钯纳米颗粒（bio-Pd0）,结合bio-Pd0的化学催化以及对微生物电子传递的生物介导作用,提高微生物的反硝化效率以及抗生素降解性能,并揭示bio-Pd0强化污染物降解的全过程电子传递机制和能量代谢优化策略。主要研究结果如下:（1）XRD、SEM以及TEM的表征结果显示:厌氧条件下Bacillus megaterium Y-4能够通过生物还原与自催化还原的耦合作用在细胞表面、壁膜间隙以及细胞质内成功合成高稳定性和高生物相容性的bio-Pd0。除了胞内酶和细菌表面的还原性官能团（氨基、缩醛基以及不饱和双键等）的还原作用外,生物产氢还原与胞外呼吸还原路径也参与了Pd（II）的生物还原,并且电子供体能够影响Pd（II）的还原路径从而调控纳米粒子的沉积位点和分布情况。以甲酸盐为电子供体时,Pd（II）倾向于通过生物产氢路径在周质空间合成bio-Pd0,而在乳酸盐体系中,更多的bio-Pd0通过胞外电子传递在胞外空间被合成。电化学分析结果显示:B.megaterium中细胞色素c介导的直接电子传递以及游离核黄素介导的间接电子传递机制共存;特别地,首次在革兰氏阳性菌中观察到结合型黄素介导的快速一电子反应过程,是对革兰氏阳性菌胞外电子转移机制的重要补充。（2）利用原位合成bio-Pd0的微生物（bio-Pd@Cells）进行好氧反硝化实验,并阐明bio-Pd0在好氧反硝化过程中介导的胞内电子转移机制。动力学和热力学结果表明,bio-Pd0的引入提高了微生物与硝酸盐和亚硝酸盐的反应亲和力,降低了反应活化能。酶活性和呼吸链抑制实验表明,bio-Pd0不仅可以通过非生物催化选择性促进亚硝酸盐的还原,还可以通过提高Fe-S中心活性,在复合物I和复合物III之间建立一条与Co Q并行的电子传递旁路,有效提高胞内电子流向硝酸盐的电子通量,从而促进硝酸盐的生物还原。（3）B.megaterium原位合成bio-Pd0建立土霉素（OTC）降解自强化系统,探究bio-Pd0强化OTC降解以及脱毒机制。动力学分析结果显示,原位合成的bio-Pd0能够通过化学催化和生物介导作用刺激B.megaterium的胞外OTC降解性能。基于H2的催化加氢过程是化学催化OTC降解的主要机制,而OTC胞外生物降解则归因于胞外酶、膜结合蛋白以及胞外呼吸作用。电化学分析以及靶向呼吸抑制实验结果表明:原位合成的bio-Pd0可以介导一条新的不依赖呼吸链的电子传输路径,结合显著增强的直接电子传递和结合型黄素介导的单电子反应路径,扩大了电子的胞外输出通量,是增强OTC胞外生物降解的原因之一。此外,增强的NADH再生和电子传递活性促进了ATP合成,进而加速了能量依赖型的抗生素-谷胱甘肽的外排,维持了胞内氧化还原平衡,有效减缓了抗生素和纳米颗粒的生物毒性。并且,该系统中OTC的降解以基于H2/活性H*的氢解反应和加氢开环反应为主导,被转化为多种生物毒性较低的加氢开环中间产物,有效避免了高毒性中间产物的积累,确保了生态系统乃至公共卫生的安全。（4）通过调控胞外pH改变跨膜质子梯度（TPG）来探究bio-Pd@Cells基于跨膜质子梯度调控电子传递和能量代谢强化OTC降解的联动机制。OTC降解动力学结果显示,尽管有效性系数的p H依赖性增大表明随p H升高,不带电OTC（OTC0）比例和TPG显著降低,导致TPG驱动的OTC0的吸附和吸收速率显著下降,但OTC生物降解效率却显著提高,表明OTC生物降解是一个非胞内降解主导的过程。同时,超声破碎细胞的OTC降解效率远低于完整细胞,表明依赖完整呼吸链的生物过程可能参与甚至主导了OTC的生物降解。结构方程模型分析结果进一步证实,OTC生物降解的强化依赖于呼吸链中受ETS调控的?TPG的显著增加以及介导底物水平磷酸化的琥珀酸硫激酶（STH）活性的明显提高,与ATP酶介导的能量代谢无关。进一步结合胞内呼吸抑制的OTC降解实验和电化学分析结果,证明OTC生物降解是一个依赖复合物I和III的胞外电子传递介导的过程。此外,随p H增大,胞内NADH水平和ETS效率显著提高,同时起始电位负移并且一电子反应增强导致电子转移数降低,表明在TPG较低的条件下,复合物I和III负责的具有储能优势的NADH依赖性胞外电子传递过程被加速,从而导致OTC生物降解性能的p H依赖性提高。这些研究结果进一步完善了革兰氏阳性菌的胞外呼吸机制,并对胞外呼吸过程的调控和强化提供了新见解,有望扩展电活性微生物在生物催化和环境修复方面的应用前景。