我国经济在近三十年来快速发展,逐步实现农业现代化和工业现代化。然而,农业和工业生产过程中产生的大量的废水,这些废水造成了土壤,湖泊乃至近海地区的重金属污染,并进一步影响环境安全和平衡。其中铜离子污染是较为常见的重金属污染之一,其污染程度大,污染范围广,容易通过生态网络中食物链的积蓄富集于鱼的肠道,植物根系和人体组织中,从而对自然环境的平衡和稳态造成不可估量的影响。传统的铜离子检测方法基于DDTC-Na法,原子吸收光谱法和生物荧光法等,具有操作繁琐,价格昂贵,需要特定仪器检测且无法实时监测水体铜离子污染程度等一系列缺点。微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）近年来受到许多研究者的密切关注。其通过在阳极室中添加电化学微生物作为有机物的催化剂,将阳极室中的化学能通过生物作用转化为电能,同时在阴极室引入电子受体,通过外电路将生成的负电荷传输到阴极室中,丙酮酸循环和TCA循环等生物化学过程中产生的质子则在质子交换膜（或阳离子交换膜）的作用进入到阴极室中,从而介导正电荷和负电荷的分离。基于MFC中的电化学微生物的生化作用,可以方便地将水体中的化学信号转化为电信号,这不仅可以在废水处理的同时提供电力输出,而且为构建基于环境因素,实时监控水体污染物水平的生物传感器提供了崭新的思路。环境中的化学信号在MFC的作用下反映为电信号,可以进一步通过电力网连通到水体监测系统中,为水体污染的预警,监控和处理系统的构建提供实时的信号传输装置。此外,化学信号,电信号和数字信号之间的转化可以使得MFC传感器进一步整合到信息网络中。许多研究已经表明,阳极电化学微生物合成核黄素的含量与MFC输出的电信号水平存在正相关关系。同时在大肠杆菌（Escherich coli,E.coli）中已经证实ribB基因是细菌合成核黄素的限速基因,过表达ribB基因可以解除E.coli的负反馈调节作用并提高核黄素合成水平。然而,大肠杆菌的细胞外膜（Outer menbrane,OM）是低渗透性的转运屏障,限制了核黄素作为电子穿梭体在细胞膜间的穿梭,从而降低了MFC的细胞外电子传输效率（Excellular electron transfer,EET）。通过在E.coli中引入铜绿假单胞菌PAO1（P.aeruginosa PAO1）的孔蛋白合成基因OprF,可以通过提供水通道蛋白而增强E.coli的细胞膜通透性水平。最后,设计并应用了基于MFC特异性检测Cu²⁺的分子生物传感器。在E.coli的环境因素响应系统中,双组分响应系统（Two componet system,TCS）常被用来感知周围环境的变化,并控制相关基因的表达以应对信号分子的变化。从E.coli双组分系统CusSR的遗传电路中,选择了特异性响应Cu²⁺的cusC启动子（PcusC）,将其融合到T7 lysY基因的上游,通过调节T7 RNAP的转录水平使ribB基因和OprF基因的表达水平响应于水体中Cu²⁺的诱导,从而通过改变核黄素的合成和转运水平以改变MFC的电信号水平。实验结果表明,MFC生物传感器的最大电压与Cu²⁺浓度在0⁰.7 mM之间存在线性关系。此外,对MFC传感器的运行参数进行了测试和优化,检测了水体中其余重金属的干扰程度。最后使用实际废水对基于MFC的Cu²⁺生物传感器进行了实际应用研究。同时,开发了便携式的水体Cu²⁺污染监测系统,为水污染的预警,远程监测和处理提供实时的数据支持。