胞外电子传递是胞外呼吸的本质,是微生物的一种新型代谢方式。地表环境中广泛存在的铁氧化物矿物不仅为微生物生长代谢提供了必需的营养元素,也是微生物胞外呼吸作用中常见的终端电子受体/供体,还可以作为电子介体促进微生物胞外电子传递过程。近年来,铁氧化物的不同晶面成为研究热点,不同晶面由于其原子排列方式不同会表现出明显差异的界面化学性质。然而,目前关于铁氧化物介导胞外电子传递过程的晶面效应及机制的了解十分有限。因此,本论文通过铁氧化物的晶面调控,分别以铁氧化物作为电子受体和电子供体,探究不同晶面如何影响铁氧化物和微生物之间的相互作用,深入探讨不同晶面铁氧化物介导微生物胞外电子传递的潜在机制。主要研究结论如下:当铁氧化物充当电子受体时,不同晶面不仅会显著影响微生物对铁氧化物的还原溶解,同时也影响异化铁还原驱动下的生物成矿过程。具体来说,以{001}面为主要暴露面的赤铁矿(Hem_{001})和{110}面高比例暴露的针铁矿(Goe_H{110})更容易被Geobacter sulfurreducens(硫还原地杆菌)利用,Hem_{001}的初始还原速率和最终Fe(II)含量分别约为Hem_{100}的2.25和1.43倍,Goe_H{110}的初始还原速率和最终Fe(II)含量分别约为Goe_L{110}的1.50和1.43倍。另外,在有足量PO₄^3-共存情况下,Fe(II)与PO₄^3-结合生成磷结晶产物,Hem_{001}体系中最终磷回收率约为5.2%,是Hem_{100}的1.3倍;Goe_H{110}体系中最终磷回收率约为13.6%,是Goe_L{110}的1.6倍。通过X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)及能谱(Energy dispersive spectroscopy,EDS)分析,证明了这些磷结晶产物是蓝铁矿,且不同晶面铁氧化物显著影响蓝铁矿晶体的尺寸。这可能归因于不同晶面铁氧化物其表面活性基团类型及数量的差异性,相比Hem_{100}和Goe_L{110},同一晶型中Hem_{001}和Goe_H{110}可能具有更高密度的对PO₄^3-具有强吸附亲和力的活性基团,如-Fe OH基团,从而更有利于促进蓝铁矿的生物形成。当铁氧化物充当电子介体时,不同晶面铁氧化物会显著影响电活性菌的产电能力。结果发现,Hem_{001}电极比其他电极具有更高电化学活性和更低阻抗,更有利于电活性生物膜的形成,从而提高电子传递效率。结果表明,Hem_{001}电极产生的最大生物电流密度(287.0±19.9μA/cm~2)分别是Hem_{100}、Hem_NPs和空白ITO电极的2.2、3.9和199.3倍。另外,EPS组分分析表明Hem_{001}明显促进电极表面生物膜胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)的分泌,尤其提高了EPS中与电子传递密切相关的蛋白质的含量。最后,基于宏基因组学分析进一步探讨不同晶面影响赤铁矿介导胞外电子传递效率的潜在机制,结果发现Hem_{001}通过上调纳米导线和细胞色素c相关基因的表达,来促进微生物胞外电子传递过程,从而提高电活性菌的产电能力。综上所述,本论文证明了不同暴露面不仅会影响铁氧化物的生物还原溶解及异化铁还原驱动下的生物成矿过程,还会影响其介导微生物胞外电子传递过程。