厌氧环境中有机质的降解过程往往由于能量的限制需要通过多种微生物的相互协作完成,这种现象就是微生物―互营‖。传统的互营理论是种间氢转移或种间甲酸转移,其中氢气或甲酸是互营氧化过程中的关键电子载体。最近研究提出了一种更有效的微生物互营新机制—―种间直接电子传递‖,它是指互营微生物可以通过直接接触或电子穿梭体或导电物质的作用,进行直接的电子传递。越来越多的研究表明(半)导电性铁氧化物介导的种间直接电子传递过程在元素的生物地球化学循环、生物能源的产生及生物修复方面都具有重要意义。本论文针对导电铁矿在生物能源产生和污染土壤微生物修复方面的应用潜力,设计了两个实验。第一是以畜禽废水污泥为实验对象在实验室进行厌氧培养实验,通过分析产甲烷速率、乙酸降解速率、产甲烷途径及微生物群落结构组成,探究磁铁矿对不同氨氮条件下产甲烷途径及产甲烷菌的影响机制。第二部分研究是以底泥沉积物为实验对象,通过分析苯甲酸降解速率、中间产物、硫酸还原速率及微生物群落结构组成,探讨了磁铁矿对硫酸盐还原条件下苯甲酸互营降解过程的促进效应以及微生物机制。论文主要结论如下:1.以乙酸为有机底物的产甲烷过程:低浓度氨氮条件下(0.5g/L NH4+-N)乙酸转化为甲烷的主要途径为乙酸裂解,而在高浓度氨氮条件下(5g/L NH4+-N)主要的产甲烷途径是乙酸互营氧化。外源添加导电性磁铁矿对低浓度氨氮条件下的产甲烷过程无显著影响,而添加磁铁矿能将高浓度氨氮条件下的产甲烷速率提高35%。这种促进效应可能是因为磁铁矿作为电子导体激发了乙酸互营氧化菌和产甲烷菌之间的直接电子传递,从而加速了产甲烷过程。分子生物学分析(16S r RNA高通量测序)结果表明,低氨氮产甲烷过程中的主要产甲烷菌是乙酸营养型的Methanosaetaceae和Methanosarcinacea,高氨氮产甲烷过程中的主要产甲烷菌是氢营养型的Methanobacteriaceae和Methanosarcinacea。添加磁铁矿后Geobacter和Methanobacteriaceae得到明显富集,这表明Geobacter和Methanobacteriaceae/Methanosarcinaceae可能是参与磁铁矿介导的―直接电子传递‖的重要微生物。2.硫酸盐还原条件下的苯甲酸降解过程:导电性铁氧化物(磁铁矿和赤铁矿)的添加,加快了硫酸盐还原条件下苯甲酸降解速率,而且这种加速效果随着磁铁矿浓度的增加而加强。这种促进效应可能是因为导电矿物能作为苯甲酸互营氧化菌与硫酸盐还原菌之间的电子导体,激发微生物间直接电子传递过程。分子生物学分析(16S r RNA高通量测序)结果表明,Bacteroidales、Syntrophaceae、Geobacteraceae及硫酸盐还原菌Desulfobulbaceae可能参与了苯甲酸互营氧化和硫酸盐还原过程。总之,导电性铁氧化物能加速有机质厌氧互营氧化过程,主要是因为这些物质能作为电子导体激发微生物之间的种间直接电子传递过程。我们的研究不仅拓展了―种间直接电子传递‖在有机质厌氧消化方面的实际应用,也为理解芳香族有机污染物的自然衰减过程提供新的研究视角。