胞外呼吸细菌(Extracellular respiratory bacteria, ERB)是一类能通过呼吸链把代谢过程中产生的电子转移给胞外固体电子受体的细菌。它的电子传递过程在生物地球化学、环境保护和能源利用等领域均具有重要意义。而功能纳米材料由于其独特的微观结构和对外加刺激(光、电等)的特殊响应,也受到越来越广泛的关注,其中尤以能够接受电子发生颜色变化的电致变色功能纳米材料和能够产生光生电子和空穴的半导体光催化纳米材料为甚。本论文针对ERB与纳米材料间的电子传递过程,开展了一系列工作,主要研究内容和结果如下：1、通过对ERB与电致变色纳米材料三氧化钨(WO3)之间直接界面电子传递的机理分析,建立了一种快速、方便、廉价、高通量的ERB纯种分离和表征方法,分离得到3株高电化学活性的纯种细菌并表征了其电化学性能。以模式菌株Shewanella oneidensis MR-1及其基因改造菌株、Geobacter sulfurreducens以及Pelobacter carbinolicus (DSMZ 2380)为代表的细菌电致变色实验结果,证实了ERB与电致变色W03纳米颗粒之间有着与碳电极之间类似的电子传递机制,验证了此方法的有效性；在此基础上,通过96孔板实验建立了一种快速、廉价、高灵敏性的ERB表征方法,能在5分钟内初步定量判定细菌的胞外电子传递活性的强弱。与目前普遍采用的方法所需时间(大于5-6天)相比,该方法需时极短,且成本显著降低；利用该方法也实现了ERB的快速高通量筛选,并从厌氧反应器中快速分离得到3株ERB,其中1株Kluyvera cryocrescens是迄今为止尚未报道过具有胞外呼吸性能的细菌。2、以ERB为阳极生物催化剂构建了微生物燃料电池(MFC),使ERB代谢过程中传递的胞外电子得到有效的原位利用。把ERB的胞外电子和MFC所产生的电能作用于以纳米材料二氧化钛(TiO2)为催化剂的光电催化反应器,以促进有机污染物的光电催化降解：对硝基苯酚为例的实验结果表明,以MFC为电子来源的光电催化反应器中污染物的降解速率约是单纯的电催化和光催化反应降解速率之和的2倍,即利用了光、电和微生物的协调作用,有效地提高了污染物的催化转化效率。究其原因,是由于底物被ERB利用时所产生的部分质子消耗了Ti02光催化剂表面所产生的光生电子,而ERB通过代谢作用产生的胞外电子则被TiO2生成的光生空穴在其表面污染物降解过程中所产生的质子消耗,从而有效地降低了Ti02光催化剂的光生电子和空穴的复合率。因此,该体系中的微生物和光电的协同效应,是ERB和TiO2半导体纳米光催化剂之间的电子传递过程所引发的。3、发现目前世界上广泛使用的纳米TiO2(P25, E171)能够在紫外光照射下将空气中的氮气选择性地转化为硝酸根,即实现氮气的直接选择性光催化固定化。在N2/O2(3:1/v:v)标准气体中的试验也获得类似的结果,验证了上述结论;由此也发现了在太阳光下的Ti02光固氮现象,这是太阳光中存在能激发Ti02的紫外线的缘故,考察了自然条件下太阳光强度和空气湿度对氮气光固定化速率的影响：密闭体系内的试验显示此氮气光固定化的中间产物为NO,通过添加不同自由基捕获剂的试验,证明氮气的光催化氧化是通过超氧自由基起作用的,羟基自由基也能起到一定的光催化氮气固定化作用。通过ERB提供胞外电子并施加偏压和Ag沉积催化剂改性,均能提高光催化氮气固定化反应速率,暗示此反应的速度还有很大的提高潜力。鉴于Ti02在日常生活用品中的普遍使用,这些试验结果揭示了这个一直被忽略的可能影响全球氮循环的人工固氮过程及其“双刃剑”作用。这一氮气光催化固定化过程提供了一个可能的利用太阳光能直接生产硝酸盐的途径,这也为ERB和Ti02半导体纳米光催化剂之间的电子传递过程提供了另一种具有实际意义的应用途径。4、通过不同Ag沉积量的光催化电极改性和添加各种空穴捕获剂的方法,研探索了不同条件下光催化反硝化体系的性能；以MFC为电子来源的光电催化反硝化试验,证实在此体系中ERB也能够传递电子给Ti02表面而起到空穴捕获剂的作用;比较了当ERB所传递的胞外电子和空穴捕获剂同时和各自单独存在的情况下的光电催化反硝化速率,试验结果表明,它们对光生空穴的捕获效果可能是相互叠加或者竞争关系。这为在不添加化合物空穴捕获剂的条件下实现光电催化反硝化提供了依据。由于ERB和MFC在能源和资源领域的潜力,这种光电催化反硝化方法具有实际应用的希望。