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胞外呼吸是近年新发现的微生物能量代谢方式，它是指厌氧条件下，微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体使其还原，并产生能量维持微生物生长的过程。主要包括铁呼吸、腐殖质呼吸和产电呼吸3种形式。微生物胞外呼吸与传统的有氧呼吸、胞内厌氧呼吸存在显著差异:其电子受体多以固态形式存在于细胞外;氧化产生的电子必须通过电子传递链从胞内转移到细胞周质和外膜，并通过外膜上的细胞色素c、纳米导线或自身产生的电子穿梭体等方式，最终将电子传递至胞外末端受体。胞外呼吸的本质是微生物与胞外电子受体(铁/锰氧化物、固态电极或腐殖质等)的相互作用，即微生物如何将胞内电子传递至胞外受体。胞外呼吸的研究丰富了对微生物呼吸多样性的认识，同时在元素地球化学循环、污染物原位修复及清洁生物能源等方面具有重要应用前景，是当前环境微生物研究的热点问题。本文以“胞外呼吸菌”为核心，构建了“胞外呼吸菌-腐殖质/Fe(Ⅲ)/环境污染物”的反应体系。首先从微生物燃料电池阳极和活性污泥等环境样品中分离胞外呼吸菌，并利用序批式厌氧恒温培养技术研究菌株对胞外受体的还原能力(腐殖质和Fe(Ⅲ)还原)。考察菌株潜在环境应用价值，包括厌氧偶氮染料金橙Ⅰ脱色能力和厌氧菲氧化降解能力，并深入探讨菌株厌氧脱色和菲氧化降解的影响因素和机制。另外，比较不同电子受体条件下菌株电子传递途径的异同和细胞色素c表达差异。得到的主要结论如下：
⑴分离到两株碱性胞外呼吸菌Bacillus sp.MC02和Planococcus sp.MC01，并首次发现其胞外还原性质。两株菌均具有Fe(Ⅲ)、腐殖酸还原能力以及厌氧偶氮染料(金橙Ⅰ)脱色能力。电子穿梭体、电子供体和电子受体浓度均影响菌株MC01脱色效率，并提出了菌株MC01脱色机制:呼吸脱色(直接)和穿梭体强化脱色(间接)两种机制。脱色产物初步确定为氨基苯磺酸类和其他苯类物质。本研究拓展了胞外呼吸菌在碱性环境中的应用潜力。
⑵分离到三株中性胞外呼吸菌Fontibacter ferrireducens SgZ-2T、Thauerahumireducens SgZ-1T和Pseudomonas aeruginosa PAH-1，其中菌株SgZ-1T和SgZ-2T为新菌。菌株SgZ-1T和SgZ-2T均具有Fe(Ⅲ)、腐殖酸还原能力和偶氮染料(金橙Ⅰ)脱色能力。添加电子穿梭体(AQDS/AQS/HA)均可促进铁氧化物的还原速率，促进规律为:AQS＞AQDS＞HA。电子供体利用效果实验表明，菌株SgZ-2T可以利用发酵性糖类和有机酸为供体;但是菌株SgZ-1T可以利用非发酵性乙酸为供体，对发酵性糖类的利用效率低。菌株SgZ-1T丙酮酸/胞外受体代谢计量学实验结果如下:丙酮酸发酵产生等摩尔乙酸，乙酸与受体1∶1反应。计量学分析表明，菌株SgZ-1T的胞外呼吸方式为发酵型。厌氧菲降解实验表明，菌株PAH-1具有菲氧化降解能力并偶联AQDS还原。共代谢小分子果糖的存在可提高其菲降解率。本研究拓展了中性胞外呼吸菌的种质资源，并为胞外呼吸在环境中应用提供基础。
⑶利用呼吸抑制剂法、紫外/可见漫反射光谱法和血红素c特征染色法研究了中性菌株SgZ-2T和SgZ-1T不同电子受体培养条件下胞内电子传递组分，并提出了胞内电子传递模型。以氧气、AQS和Fe-EDTA为可溶性受体时，质膜电子传递组分基本相似，包括脱氢酶、醌类和细胞色素。以水铁矿HFO为不溶性受体时，只检测到脱氢酶活性。菌株以氧气为受体时均偶联能量产生，以AQS(SgZ-1T)或Fe-EDTA(SgZ-2T)为受体时可能偶联能量产生。不同受体培养试验表明，受体类型显著影响全细胞血红素c蛋白的表达量，具体为:Fe-EDTA＞NO3-＞AQS＞HFO＞O2。外膜部分蛋白电泳结果表明，外膜上细胞色素c可能参与Fe-EDTA还原的电子传递。蛋白电泳试验表明，不同受体的电子传递过程存在相似的血红素c蛋白。本研究拓展了胞外电子传递途径的研究广度，为电子传递机制的深入研究提供基础。