微生物是自然界中广泛存在的生命体,与其呼吸代谢相关的胞外电子传递过程对生物地球化学循环起重要作用并已应用于微生物合成、金属腐蚀以及生物电化学系统等。微生物电化学技术是研究微生物胞外电子传递机制的主要方法,与其他能源转换体系(如燃料电池)的核心区别在于电极界面的反应有微生物的参与,微生物利用呼吸代谢途径实现能量和物质以电子形式的转移。要提高微生物胞外电子传递能力、提高能量和物质的转化效率,需从物理化学层面研究微生物在固体/溶液界面的电子转移及物质转化过程,即胞外电子传递机制。本论文利用电化学原位及联用技术,研究电化学活性微生物Shewanella的胞外电子传递机制。主要内容如下:1.利用循环伏安和恒电位技术研究了Shewanella oneidenlla MR-1和Shewanella woodyi的氧化还原性质,结果表明它们在ITO电极/溶液界面的电化学氧化还原性质相似。通过控制电极电势以电极为电子受体在ITO表面培养生物膜,并利用电子显微镜表征其形貌,结果表明形成生物膜后其形态由棒状杆菌变成网络状结构覆盖在电极表面。通过改变电势扫描速度得到循环伏安曲线峰电流的变化规律,在较低的电势扫描速度范围,电极反应为扩散控制;在较高的电势扫描速度范围,电极反应为吸附控制;根据电极反应变化规律判断氧化还原过程可能包含的电子转移反应。综合电化学实验结果,推测Shewanella阳极过程和阴极过程的胞外电子传递途径包括细胞之间的电子传递。2.构建SECM体系研究S.oneidensis MR-1与外源性电子中介体的相互作用机制。采用循环伏安技术研究S.oneidensis MR-1在ITO电极表面与可溶性铁盐(Fe(CN)63-,FcMeOH)的相互作用,结果表明电极反应过程为电化学耦合微生物催化反应。以FcMeOH作为电子中介体,利用SECM的穿透模式研究ITO表面的微生物菌落的空间结构;在琼脂培养基表面构筑毫米尺寸、厚度不同的微生物菌落,利用FcMeOH在微生物和琼脂表面的电子转移能力不同,分别建立正负反馈模式,实现微生物的原位、空间识别;通过对比不同厚度的微生物膜利用FcMeOH作为电子中介体收集到的电流信号,推测微生物细胞之间存在互相转移电子的能力。3.联用电化学反应和生物发光检测仪研究发光细菌S.woodyi的胞外电子传递与生物发光的联系。首先,培养S.woodyi并测定其生长规律;使用活体成像系统记录和定量发光强度与培养时间的关系;采用高效液相色谱-荧光检测法定性和定量其分泌的黄素类物质的变化规律。其次,设计三电极体系并联用化学发光检测仪,通过调节电极电势记录发光强度变化的变化。结果表明,胞外电子传递相关的细胞色素c的氧化还原、黄素单核苷酸(FMN)的氧化还原、细胞素色c与FMN之间互相的氧化还原作用共同影响微生物的发光能力。本研究发展了微生物电化学技术并首次将微生物胞外电子传递机制的研究拓展到发光细菌,结合实验结果提出了胞外电子传递与微生物发光之间的作用机制,实现了生物发光与生物电的美丽邂逅。