社会发展促使人类不断反思自身进步与自然环境的关系,MFCs(Microbial Fuel Cells,微生物燃料电池)技术的探索充分体现了可持续发展思想。MFCs是一种以产电微生物的呼吸代谢为核心,集环境修复和产电为一体的新型绿色能源。尽管MFCs具有广泛的应用前景,然而由于受到输出功率和电极材料、运行成本等因素限制,该技术离产业应用还有很长的路要走。认识微生物产电的代谢机制及代谢流量分布是改造微生物提高MFCs产电性能的基础和关键。本文选取产电菌Geobacter sulfurreducensPCA为研究对象,首先使用FBA(Flux Balance Analysis,流量平衡分析)模拟在燃料乙酸吸收速率一定的条件下,不同的生长和呼吸状态。模拟结果表明在乙酸吸收一定的条件下,G sulfurreducens次优生长时更多的燃料进入TCA循环(Tricarboxylic Acid Cycle,三羧酸循环)产生电子,在MFCs系统中有益于电能的输出。提高生长速率,进入TCA循环的乙酸减少,呼吸减弱,在MFCs中向电极传递电子的速率就会相应变慢。生物系统经常出现冗余,产电微生物在同一次优生长状态下,可能对应多种代谢流量分布情况。多种情况中的呼吸最优化是产电微生物的理想代谢状态。我们使用FVA(Flux Variant Analysis,流量变量分析)模拟识别不同生长状态对应的呼吸状态范围。模拟结果表明同一生长状态下,中间代谢物甲酸的大量分泌和TCA循环的流量差异造成了最大和最小呼吸状态的差异,呼吸差异随着生长速率的减小而增大。敲除不同的中间代谢物转移酶后,同一生长状态下只有一种呼吸状态,且该状态为最优呼吸状态。最后我们使用双层优化算法Optknock识别能保证细胞次优生长同时在该生长状态下最优呼吸的反应(基因)敲除策略。给出的敲除策略有直观和非直观的,为指导产电菌改造提供了具体的实现策略。将模拟优化结果通过湿实验验证,以最终实现产电菌次优生长同时最优呼吸的理想产电代谢状态,使MFCs的广泛应用成为可能。