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微生物电化学系统（BES）可以利用电活性微生物直接将存储于废水中有机物的化学能转化为电能,同时也能产生乙醇,氢气和有机酸等可利用的化学副产物,被认为是一种新兴的兼具环境治理和产电产能多重功能的微生物新能源装置。电活性微生物（Electroactive microorganism）作为生物电化学系统中最重要的组成部分,能够在胞内氧化有机物并将产生的电子跨膜传递至胞外电子受体（电极或金属氧化物）,其传递效率决定了BES的产能效率。在这一过程中,包覆在电活性微生物表面的胞外聚合物（EPS）扮演了十分重要的角色。电活性微生物在自然界中以浮游菌和生物膜的形式存在,而EPS是电活性浮游菌和生物膜的重要组成部分,决定了生物膜的生物形态和物理化学性质,还能够保护其免受外在不利环境的影响。研究表明电活性微生物的EPS具有优良的氧化还原特性和电化学活性,能够参与介导胞外电子传递过程。然而,目前对单个浮游电活性微生物及其生物膜EPS介导电子传递的分子机制的了解十分有限,缺乏简单、高效的技术手段来原位探究电活性微生物及其生物膜EPS在电子传递过程中的特征分子信息。表面增强拉曼光谱（SERS）具有高精确性,非破坏性,灵敏度高和制样简单等特点,广泛应用于生物、材料、化学、医药、食品等领域。本论文以SERS技术为主要切入点,研究制备了Ag,Au,Ni纳米颗粒作为SERS“双功能”活性衬底,原位获取电活性微生物EPS在胞外电子传递过程中的氧化还原变化的分子信息,揭露电活性微生物胞外电子传递的分子机制。主要研究包括以下几个方面:1.针对浮游性电活性微生物,本研究培养了两种典型的浮游状态产电菌:希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）和地杆硫还原菌（Geobacter sulfurreducens）以及两种非电活性菌:大肠杆菌（Escherichia coli）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。分别提取其EPS后,进行物化性质表征、电化学表征和SERS光谱表征,实验结果表明:（1）与非电活性菌相比,电活性菌EPS中氧化还原活性蛋白和腐殖质类物质含量更高,电化学活性及电子转移能力（ETC）更强,说明浮游电活性菌EPS具有介导电子传递的能力。（2）Ag和Ni纳米颗粒作为SERS基底与EPS混合,能够得到不同氧化还原态下EPS的分子信息,说明Ag和Ni纳米颗粒在增强拉曼信号的同时能够分别氧化和还原EPS,根据SERS谱图中特征峰的位置和相对强度变化发现细胞色素c类蛋白是参与介导浮游电活性菌EPS电子传递的关键活性物质。2.合成了带正负电荷的纳米颗粒（+Au,-Au,+Ag和–Ag NPs）并将其应用于EAB的SERS分析。实验结果发现:（1）带正电荷的纳米颗粒能够通过静电吸附与带负电荷的生物膜表面EPS结合,形成较强的SERS“热点”,具有更好的光谱重现性,从而获取更多的拉曼信号。（2）纳米颗粒与生物膜自组装后,可以原位直接获取EPS的拉曼信号,避免了繁琐的异位提取过程及其提取过程导致的EPS结构变化对检测造成的影响。（3）生物膜EPS电子转移能力（ETC）与其SERS谱图中特征峰的比值(I1125/I1165)具有线性关系,可用SERS直接评估生物膜EPS电子传递能力。（4）SERS检测表明Ag纳米颗粒作为SERS基底也能够在532 nm的激发光下原位氧化混合电活性菌生物膜EPS同时增强其拉曼信号强度,获取其电子传递时的分子信息变化。本文主要构建了基于不同纳米颗粒活性衬底的SERS光谱原位探究电活性微生物EPS氧化还原特性的新方法。探究了浮游电活性菌及EAB的EPS在胞外电子传递过程中不同氧化还原态的分子信息,揭露其电子传递的分子机制,为SERS在微生物电化学研究和使用提供了新的思路,为BES在实际中的应用提供理论基础。