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微生物胞外呼吸过程涉及胞外电子转移，在生物地球化学循环和生物电化学技术中发挥重要作用。尽管胞外呼吸功能细菌具有重要的应用价值，目前尚缺乏便捷、特异性的监测技术，是认识和应用胞外呼吸过程的重要限制因素。本论文针对希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)和地杆菌(Geobacter sulferreducens PCA)两株典型胞外呼吸菌的关键细胞色素c基因保守序列及过氧化氢酶活性等特征，开发了一系列快捷、灵敏、特异性检测方法，用于监测胞外呼吸菌的关键基因、功能蛋白、菌体细胞和生物膜，主要包括以下五个部分: (1)发展了基于双嵌段发夹探针和纳米金显色反应的核酸可视化检测方法。设计了三种包含多聚腺苷酸(polyA)和发夹结构的双嵌段发夹探针。当目标DNA存在时，通过催化发夹组装反应，三种双嵌段发夹探针能够循环组装生成大量含有polyA的Y-型DNA结构，从而放大了目标DNA的浓度信号。由于polyA对纳米金具有高的亲和作用力，含有polyA的Y-型DNA能使红色的纳米金溶胶聚集而变成蓝色。该过程的颜色变化程度与目标DNA浓度相关，可用于核酸序列的可视化检测。该方法具有超高灵敏度，检测限为0.1pM，检测范围为0.01-5pM。检测不同突变的核酸序列结果显示该方法能够识别单碱基突变。该方法可用于检测胞外呼吸菌代表菌株S.oneidensis MR-1的特异性基因片段。本研究为快速检测胞外呼吸菌关键基因提供了新思路。 (2)发展了基于DNA链置换反应（Strand displacement reaction，SDR）和酶联免疫吸附分析(Enzyme-linked immuno sorbent assay,ELISA)的核酸超灵敏高通量检测平台。当目标DNA存在时，利用SDR将2种地高辛修饰发夹探针和1种生物素修饰的发夹探针组装形成Y-型DNA纳米结构。该Y-型DNA的1个末端含有生物素基团，另外2个末端含有地高辛基团，能够同时与链霉亲和素和地高辛抗体结合，具有类似抗体的活性。以ELISA技术检测这些类抗体活性的Y-型DNA浓度即可实现对目标DNA浓度的检测。建立的链置换反应-酶联免疫吸附分析(SDR-ELISA)核酸检测平台对目标DNA具有超高灵敏度，检测限低至5fM，能够识别单碱基突变DNA序列，并且一次性可检测多达96或384个DNA样品。该SDR-ELISA核酸检测平台可用于检测S.oneidensis MR-1特异性基因片段。本研究将SDR与ELISA技术结合，提供了一种超灵敏和高通量检测胞外呼吸菌特异性基因的新方法。 (3)构建了基于固有过氧化氢酶活性和丝网印刷电极的细胞色素c原位检测方法。通过滴涂法将微生物细胞固定于丝网印刷碳电极的工作电极表面。在有过氧化氢存在时，利用细胞色素c固有的过氧化氢酶活性，将3，3，5，5-四甲基联苯胺（3，3，5，5-Tetramethylbenzidine，TMB）氧化。在一定还原电位下，以计时电流法检测氧化态TMB浓度，获得的电流强度值与微生物细胞色素c含量相关，可用原位检测微生物细胞色素c。这种电化学检测方法对微生物细胞色素c具有高灵敏度，检测限为40.78fmol，线性范围为51.70fmol-6.64pmol。建立的方法可用于检测其它微生物的细胞色素c，例如Fontibacter ferrireducens、Pseudomonas aeruginosa、Comamonas guangdongensis和Escherichia coli。该方法无需任何破坏性样品制备、复杂的电极修饰和昂贵的基于酶或金属颗粒的信号放大，因此具有原位、简便快速和低成本的优点。 (4)构建了基于可分解量子点纳米球探针的胞外呼吸菌荧光检测技术。利用脱硫生物素-链霉亲和素相互作用的可逆性，将Y-型DNA与链霉亲和素修饰的量子点组装生成一种可分解的量子点纳米球探针。利用制备的量子点纳米球探针，建立了磁分离-荧光免疫分析技术，用于检测胞外呼吸菌代表菌株S.oneidensis MR-1。这种技术利用抗体标记的磁性微球从水样中分离S.oneidensis MR-1，磁球捕捉的微生物细胞与量子点纳米球探针结合，形成“三明治”状免疫复合物。通过生物素与脱硫生物素的竞争反应，将量子点从免疫复合物释放至溶液，检测溶液的荧光强度可实现对微生物浓度的检测。该方法结合量子点纳米球探针的信号放大作用和免疫磁分离技术的高效性，因此最低检测限能够达到1.37cfu/mL，检测范围为1.0cfu/mL-1.0×108cfu/mL。该方法针对目标微生物具有高特异性、可接受的检测重现性和稳定性。此外，将该方法用于检测掺杂有不同浓度S.oneidensis MR-1的环境水样，回收率为92.4-101.4％，说明具有较强的抗干扰能力，可用于检测真实环境样品。本研究为胞外呼吸菌的快速超灵敏定量检测提供了新思路。 (5)发展了基于原位合成荧光量子点的生物膜成像检测方法。以亚硒酸钠和氯化镉为硒和镉源，β-巯基丙酸为稳定剂，以悬浮培养的胞外呼吸菌代表菌株G.sulferreducens PCA合成硒化镉量子点。通过三维荧光、扫描电镜、透视电镜、能谱和选区电子衍射分析证明了方法的可行性。以乙酸钠为电子供体，碳布和ITO（氧化铟锡）导电玻璃为载体，培养G.sulferreducens PCA生物膜。利用生物膜将前体化合物亚硒酸钠还原，产生的硒离子与镉离子反应形成硒化镉量子点，结合于生物膜表面。由于合成硒化镉量子点具有优异的荧光性能，可以通过激光共聚焦显微镜对生物膜进行成像分析。该方法具有原位检测的优点，不需要使用有机荧光染料，无需任何复杂的和破坏性的样品处理过程。 上述检测方法的建立，为发掘胞外呼吸菌种资源、推动胞外呼吸机理研究以及进一步推广其环境应用提供了重要的技术手段。