近年来,微生物燃料电池、微生物电解池等微生物电化学系统在环境处理和能源转化方面的应用前景受到研究人员的广泛关注。产电微生物是微生物电化学系统的核心组成部分,作为微生物电化学系统的催化剂,可以利用系统中的底物,并通过自身的电子传递系统来还原电极,达到环境处理和产电的双重效果。产电微生物与阳极间的电子传递是微生物电化学系统中的限制性步骤之一,其速率很大程度取决于富集在阳极上的产电菌群。高效产电菌（即能产生较高电流密度的菌株）的发现与筛选能加深对环境中产电微生物的了解,同时,深入研究这些菌株有助于理解阳极生物膜高效产电的相关机制,从而为进一步提升产电提供参考。目前,产电菌的发现主要来自测试已知铁还原细菌、从环境中分离厌氧细菌等途径,通过上述途径获取的细菌不一定具有高产电能力。为了获得更有效的产电菌株,本研究首先将环境样本（池塘底泥）在产电条件下富集,在+0.2 V（相对于标准氢电极,后同）的恒定电位下培养145小时左右后,电流密度达到约698μA/cm~2。微生物群落多样性分析表明阳极生物膜中87%左右的细菌属于同一个OTU（Operational Taxonomic Units）,且该OTU的16S r DNA全长基因序列与硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）匹配。刮取的阳极生物膜经梯度稀释后得到一纯菌株,本研究中将其命名为菌株PL。基于16S rDNA序列,此菌株可被鉴定为G.sulfurreducens。实验结果发现,该菌株能够产生的最大催化电流密度762（±90）μA/cm~2,约为模式产电细菌G.sulfurreducens PCA的2.25倍。本研究继续探讨了菌株PL的基本生理特性、产电机理与产电水平影响因素,并对其进行了全基因组完成图测序和比较基因组分析。其主要结论如下:菌株PL为杆状,略有弧度,长度为1～3μm,宽约为0.4μm,可以利用富马酸钠、蒽醌-2,6-二磺酸、柠檬酸铁作为电子受体进行生长。利用电化学-紫外可见吸收光谱联用法,对菌株PL产电机理进行研究。结果显示,在还原性条件下,菌株PL电极生物膜在418 nm、525 nm和552 nm处具有吸光峰。随电极电位升高,这几处吸光峰逐渐减弱,并在403 nm处出现新的吸光峰。因此,生物膜的吸光峰主要由其中的细胞色素c造成,且吸光谱随细胞色素c的氧化还原状态发生变化。对电极生物膜进行-0.4 V～+0.2 V电位扫描,并记录418 nm下的吸光度曲线,显示了不同电位下生物膜中处于氧化态与还原态细胞色素c的比例。对吸光度-电位曲线进行求导,可以获得细胞色素c形式电位的分布。求导后的吸光度-电位曲线与生物膜方波伏安曲线类似,说明生物膜内发生氧化还原的电子载体主要为细胞色素c。对附着于电极上菌株PL生物膜中的死活细胞进行荧光标记,并进行激光扫描共聚焦显微镜观察,发现菌株PL生物膜的厚度约30μm。在生物膜厚度方向上,活细胞与死细胞分布没有明显规律。这一结果表明,限制产电水平和生物膜生长的因素不能单纯归结为电子传递或物质扩散。当菌株PL在低温（20℃）下产电时,电极生物膜生长缓慢,电流倍增时间为21.7 h左右;而当反应器为30℃时,电流倍增时间降低到6.2 h左右,并在35℃下进一步降低到3.3 h左右。反应器由20℃上升到30℃时,菌株PL的产电水平由330（±16）μA/cm~2上升至762（±90）μA/cm~2;但当温度进一步上升至40℃时,电流水平下降到645（±44）μA/cm~2,说明30℃是最适于菌株PL稳定产电的温度。在不同温度条件下,产电水平达到稳定时,对菌株PL生物膜进行循环伏安表征和方波伏安表征,发现曲线的形状基本一致,说明菌株PL的电子传递途径不随温度改变。在电极液pH分别为5、6、7、8、9条件下,菌株PL均可以产电。研究发现菌株PL在pH为7的环境中,产电水平最高;相比于酸性环境,菌株PL在碱性环境中产电更高。在不同pH条件下,对生物膜进行电化学测试,未发现菌株PL的半饱和电位随pH的升高而发生负移。以碳酸氢钠为缓冲剂时,在50 mmol/L的缓冲浓度下,菌株PL产电水平高达842（±55）μA/cm~2;而在10 mmol/L的缓冲浓度下,菌株PL产电水平仍然可以达到505（±33）μA/cm~2。以磷酸盐为缓冲剂时,菌株PL产电水平低于相同浓度碳酸氢钠时的产电水平。当磷酸盐浓度由30 mmol/L降低到10 mmol/L时,电流水平仅下降25%左右,说明菌株PL可以适应低强度缓冲剂条件。研究中确定菌株PL可以利用多种底物进行产电,包括乙酸钠、丙酮酸钠、乳酸钠和甲酸钠,还能够降解菌株PCA不能利用的葡萄糖与乙醇进行产电。菌株PL利用乙酸钠产电时电流密度最高;其次为乙醇与丙酮酸钠,使用乳酸钠、甲酸钠、葡萄糖为底物时产电水平较低。在不同底物条件下对菌株PL生物膜进行电化学表征,除了在利用甲酸时生物膜的半饱和电位较高以外,其他底物条件下电化学行为均相似,因此底物种类对菌株PL的电子传递过程影响不大。甲酸在地杆菌体内的氧化过程并非通过TCA循环进行,而是由固定于细胞内膜的甲酸脱氢酶实现,因此后续电子转移方式与途径或有所不同。通过全基因组测序,组装后的菌株PL基因组大小为3783299 bp,GC含量60.97%,编码基因数量为3493,47个t RNA,6个rRNA。比较PL与PCA的全基因组基本特征,发现菌株PL在基因组大小、GC含量、编码基因数量等方面存在差异,其特异基因337个,大部分属于假设蛋白,少数含有细胞色素c和金属还原反应的相关蛋白。以菌株PCA的基因为参考,进行菌株PL与菌株PCA的重要产电相关基因的同源比对。在菌株PL中可找到菌株PCA大部分细胞色素c的同源基因,少量细胞色素c的同源性低于97%,比如ext H、ext F。在菌株PL基因组中,相似基因与pil A同源性仅为83.8%,类似Xap D的基因与其同源性仅为55%。根据基因注释结果,菌株PL中含有葡萄糖和乙醇代谢过程相关的蛋白基因,能够完成代谢通路。通过同源比对发现菌株PL与菌株PCA关于醛缩酶的同源性仅有28.8%,关于醛脱氢酶仅有27.1%,因此可能是造成二者代谢能力差异的原因。本研究在从环境中分离纯化产电细菌、增加产电细菌的生理特性了解、丰富电子传递过程的机理研究等方面具有一定的工作意义。