微生物胞外电子传递过程是自然界中的重要过程,其在许多领域都扮演着重要的角色。在厌氧污水处理过程和水体/土壤修复过程中都存在微生物胞外电子传递现象,该过程影响着污水处理和环境修复过程中相关微生物的活动。加快微生物的胞外电子传递速度将会有力地促进相应微生物的代谢速率,进而加速其对污染物的去除速度和提高其环境修复能力。本研究以电化学活性微生物胞外电子传递过程为研究对象,探索相应的强化方式以加速微生物的胞外电子传递过程。针对细菌向电极的电子传递过程,本研究首先设计制备了碳量子点,投加到电化学活性微生物的胞外电子传递体系中,以三电极体系作为检测方法;结果显示碳量子点的加入强化了细胞膜上蛋白细胞色素c的电化学活性,增强了希瓦氏菌的胞外电子传递能力,当碳量子点浓度为100 mg/L时,峰电流达到了39.48μA,是对照组的5.13倍。其次,本研究还以希瓦氏菌作为实验菌株,利用延胡索酸调控希瓦氏菌的电子传递过程,将希瓦氏菌的代谢转换为利用延胡索酸作为电子受体的代谢方式,加快希瓦氏菌的代谢速度,增加希瓦氏菌的菌群浓度,并促进希瓦氏菌在阳极表面的附着,进而收获更多的胞外电子和更高的库伦效率。在乳酸钠浓度为18 mM时,在阳极室中加入9 mM的延胡索酸可以将希瓦氏菌的胞外电子输出的峰电压由123 mV提升到339 mV,阳极表面生物量由74.61μg/cm~2升高到131.72μg/cm~2,阳极表面微生物在总菌量中的占比由9.29%升高到了13.22%。针对电化学活性微生物的种间直接电子传递过程,本研究以Geobacter的具备种间直接电子传递能力的共生体系作为研究平台,首先利用以剩余污泥作为前体所制备的生物炭作为外源介体;结果发现,所制备的生物炭可以促进Geobacter种间直接电子传递过程,该促进作用随着添加量的增加而增强,Biochar-700浓度达到2 g/L时,琥珀酸的生成速率分别达到了2.37 mM/d,是对照组的3.59倍;不同碳化温度的生物炭促进种间电子传递的结果显示,生物炭的导电性和该促进作用之间并没有表现出正相关关系,而与生物炭的氧元素含量之间则表现出正相关关系,线性相关性R~2达到了0.90;表明生物炭的含氧官能团在促进种间电子传递过程中发挥着重要作用。其次,本研究还分析了MWCNT(Multiwalled carbon nanotube,多壁碳纳米管)对于种间直接电子传递过程的促进作用;结果发现,该促进作用随着MWCNT浓度的增加先增强后减弱,在MWCNT浓度为1 g/L时,琥珀酸的生成速率为1.12 mM/d,是对照组的2.66倍;MWCNT的促进作用的发挥是基于其自身的导电性能为种间电子传递过程提供了快速传递通道;过高的MWCNT可能会因为纳米材料的毒性效应而抑制微生物的生长。基于以上研究结果,为同时强化细菌/电极和细菌的种间电子传递过程,本研究选择MWCNT作为介体材料,利用“吸附-过滤”法制备了由MWCNT构筑的混菌复合生物膜,并以单室微生物燃料电池作为检测平台对其胞外电子传递能力进行了分析;结果显示,该复合生物膜可以提高整个阳极的胞外电子输出能力,最大电流达到了0.73 mA,而普通的生物膜的最大电流仅为0.51 mA;复合生物膜单室MFC的最大输出功率密度和库伦效率也得到了提高,分别为1.13 W/m~2和44.9%;同时复合生物膜的启动时间仅为13天,相比于普通生物膜缩短53.8%;具体的机制分析发现,MWCNT的介入加速了生物膜内部的电子传递,复合生物膜的电荷转移内阻只有2.17Ω,相比于普通生物膜缩减了47.96%。总之该复合生物膜具备快速的细菌/电极和种间直接电子传递能力,强化了其对底物的代谢速率和利用效率。