电活性微生物（Electroactive microorganism）是对具有胞外电子传递功能的微生物的总称，这类微生物可在厌氧条件下将胞内氧化有机物产生的电子传递至胞外受体，或将胞外电子跨膜传递至胞内。电活性微生物附着在胞外固态载体表面形成的、可与胞外载体直接进行电子交换的生物膜称为电活性生物膜（Electroactive biofilms）。根据微生物与胞外载体之间的电子流向，可将电活性微生物分为产电微生物(Exoelectrogen)和吸电微生物(Endoelectrogen)两种。Geobacter菌同时具有产电和吸电两种功能，是自然环境中最重要、也是最受关注的电活性微生物。然而，目前对于Geobacter属菌种资源的发掘和利用十分有限，对Geobacter胞外电子传递机制及其电活性生物膜的研究还不够深入。　　本研究从地下古森林土壤样品分离出一株Geobacter菌种GSS01，在对其系统鉴定的基础上，利用水铁矿包埋法、电化学原位红外光谱、比较转录组及蛋白组等手段探索了菌株GSS01的胞外电子传递机制，从电子输出/输入的角度对阳极/阴极生物膜的电活性进行表征，以胞外多聚物(EPS)和关键基因表达为主线分析了电极电势对GSS01生物膜所产生的影响。论文主要结论如下:　　(1)分离鉴定了一株Geobacte新菌种G.soli GSS01，并以G.sulfurreducensPCA为对照，从电子供体/受体谱、Fe(Ⅲ)氧化物还原和产电等方面对其胞外电子传递能力进行了研究。结果显示，菌株GSS01能利用乙酸还原水铁矿、Mn(Ⅳ)氧化物、单质硫等多种不溶性电子受体。菌株GSS01具有较高的Fe(Ⅲ)氧化物还原能力和产电能力，其对水铁矿、纤铁矿、针铁矿和赤铁矿的Fe(Ⅲ)还原率可达11.8-33.2％，远高于菌株PCA(5.2-14.3％)，其最高催化电流是菌株PCA的1.5倍。本研究表明，菌株GSS01具有高效的胞外电子传递能力，可作为Geobacter研究的模式菌。　　(2)利用光谱学、水铁矿包埋方法、比较转录组学和比较蛋白组学等手段，探索了菌株GSS01的胞外电子传递机制。结果显示，GSS01细胞表面含有大量细胞色素c，细胞外膜的氧化还原活性蛋白及菌毛受到不溶性电子受体的诱导表达，且菌株GSS01不能产生内生介体。以上结果表明菌株GSS01只能通过直接接触的形式进行胞外电子传递。菌株GSS01的全基因组包含76个细胞色素c编码基因，其中25个细胞色素c基因在以水铁矿或电极为电子受体的细胞中转录水平上调，有2个细胞色素c（SE37_02820和SE37_11760）的翻译水平上调。此外，多铜蛋白SE37_08195和SE37_12120、孔道蛋白SE37_11965和SE37_10790、血红素受体家族蛋白SE37_10395以及黄素合成蛋白的转录及翻译水平显著上调。菌株GSS01中显著上调的多种蛋白，如SE37_11760、SE37_12120，其同源蛋白在菌株PCA中的表达却没有变化甚至下调表达，可见参与GSS01胞外电子传递的关键蛋白与PCA存在明显不同。　　(3)利用差分脉冲伏安扫描(DPV)及电化学原位红外光谱等手段对G.soli阳极/阴极生物膜的胞外电子传递进行了研究。结果显示，阳极生物膜可氧化乙酸钠产生电流，阴极生物膜可利用电极提供的电子将硝酸盐还原为亚硝酸盐和氧化亚氮（硝酸盐的还原率为69.1％）。循环伏安扫描(CV)和DPV结果显示，除了3对相同的氧化还原峰外，阳极和阴极生物膜各出现2对特有的氧化还原峰，电化学原位红外光谱结果显示，阳极和阴极生物膜的酰胺Ⅰ带和电化学活性蛋白红外吸收频率的变化规律明显不同。以上结果表明，菌株GSS01的产电和吸电过程可能采用不同的电子传递路径。　　(4)从生物膜的电化学性质、关键基因表达和EPS组分空间分布等角度，研究了电极电势对G.soli阳极生物膜的影响。结果显示，随着电势的升高，生物膜产电能力呈先升高后降低的趋势，-0.2和0V生物膜产电能力最高(9.2 mA)，-0.4 V生物膜产电能力最低（3.8mA）。0V生物膜的关键基因表达量最高，这可能是其产电能力高的主要原因。-0.2和0V生物膜产电能力相似，然而关键基因(pilA除外)在-0.2 V生物膜的表达量明显低于0V生物膜。生物膜EPS分析结果表明，-0.2 V的里层生物膜（靠近电极）蛋白和脂类含量较高，而其他电势里层生物膜多糖含量较高，其中0.4和0.6 V的多糖含量最高。本研究表明，电极电势通过调控关键基因的表达和生物膜EPS组分的空间分布来影响生物膜的结构和电活性，生物膜与电极界面多糖含量过高可能增加电子传递的阻力。