*国家杰出青年科学基金项目（）和国家优秀青年科学基金项目（）共同资助　Supported by the National Natural Science Fundation for Distinguished Young Scholars（No.）and the National Natural Science Fundation for Excellent Young Scholars（No.）

地球表层系统中，微生物黏附到矿物表面是一个基本的生物地球化学过程，包括生物行为与非生物行为。生物行为主要指微生物自身的生长、发育、繁殖与代谢等。非生物行为则主要是微生物表面物质或分泌物与矿物表面的吸附/解吸、络合/溶解、氧化/还原的物理化学过程，矿物为这些过程提供物理支撑作用。

微生物厌氧呼吸驱动的氧化还原过程是联系不同圈层物质与能量交换的重要纽带［1］，是大气圈、水圈以及土壤圈中水、土、气、生、岩各要素相互作用的核心过程之一。微生物厌氧代谢是地球微生物最早的代谢方式，地球厌氧环境中，微生物通过与矿物的相互作用获得必需营养元素与能量［2-4］。

有机质是微生物与矿物相互作用过程的重要参与者。环境中有机质组成与结构复杂，低分子量有机质能够被微生物吸收利用，作为电子供体；而大分子腐殖质无法进入细胞内部，可充当电子穿梭体。传统观点认为，腐殖质主要参与吸附、络合和配位等物理化学过程，而生物地球化学的观点认为，腐殖质能够担当电子穿梭体的角色，参与微生物在地表过程中的物质循环与能量代谢［4-6］。

因此，我们将重点关注微生物—腐殖质—矿物间胞外电子传递过程。该过程在地球表层系统中呈现出多要素、多元素、多界面、多过程的“四多”特征［4，7-9］。其内涵是：水、土、气、生、岩多要素相互作用；碳、氮、硫、铁、锰多元素循环［9-11］；水/土、水/气、生物/非生物多界面反应；异化金属还原、有机污染物降解、重金属迁移转化等多过程耦合。因此，胞外电子传递影响着自然界元素的生物地球化学循环，以及一系列重要地球表层过程，包括矿物的形成与演化、养分循环与污染物的环境行为等［11-12］。

1　胞外电子传递三要素：微生物、腐殖质与矿物

1.1　胞外呼吸微生物

微生物胞外电子传递（extracellular electron transfer，EET）是微生物胞外呼吸的本质，是微生物的厌氧代谢方式。胞外呼吸是指厌氧条件下，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，并产生能量维持自身生长的过程［2-3］。1987年，美国科学家Lovley等［2］首次从沉积物中分离获取了一株能够利用胞外固态物质为电子受体的微生物——Geobacter metallireducens GS-15。次年，美国科学家Myers和Nealson［3］从纽约Oneida湖的沉积物中分离获取了另一株具有相同能力的微生物——Shewanella oneidensis MR-1。这两株胞外呼吸菌的发现与深入研究，极大地加深了人们对胞外呼吸过程的认识，开启了微生物胞外呼吸研究的新篇章。

胞外呼吸菌在海洋沉积物、厌氧土壤和湿地沉积物中含量丰富。以地杆菌属与希瓦氏菌属为代表的胞外呼吸菌种相继从自然界分离获得。其他菌株，包括从我国红壤区获得的中国红细菌（Sinorhodobacter ferrireducens）胞外呼吸新属［13］、Comamonas guangdongensis胞外呼吸新菌［14］等，也相继被发现；此外，一些极端环境下生存的微生物的胞外呼吸功能也得到认识，如嗜碱菌Corynebacterium humireducens MFC-5等［15］。

胞外呼吸微生物的重要性在于它与地表各要素间的相互作用。胞外呼吸过程在铁的生物地球化学循环以及氧化铁成矿过程中起着不可忽视的作用：电子的得失影响着铁氧化物的溶解性、价态和形貌等，并导致次生矿物的产生［16］；同时，胞外呼吸微生物驱动的铁循环过程又影响着有机碳源的利用，它对微生物活性的增强影响着有机碳源的代谢，参与全球碳循环。胞外呼吸微生物所能利用的电子受体包括一系列的有毒金属以及毒性有机物，各过程间相互耦合，作用于有机污染物的厌氧降解与重金属迁移转化过程，具有重要的环境地球化学意义［17-18］。胞外呼吸微生物的研究，改变了人们对于自然界各物种之间相互作用的传统理解，从原来土壤胶粒、离子和质子间作用的研究拓展至胞外呼吸微生物、腐殖质以及矿物之间的电子转移过程研究［2-4，10，17］，为深入理解元素地球化学循环提供了新的理论依据。

1.2　腐殖质

腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，它们影响着土壤养分的保持及土壤结构的形成，为植物提供必需的氮、硫、磷和钾等元素。腐殖质分为胡敏酸、富啡酸和胡敏素三大类［19］。1996年，Lovley等［4］发现，腐殖质能够作为电子受体参与Geobacter metallireducens的胞外呼吸过程。由于腐殖质在地表环境中几乎无处不在，因此这个发现意义重大。研究表明，腐殖质能够被异化铁还原菌［6］、发酵型铁还原菌［20］、硫还原菌和产甲烷菌等［6，21］等多类菌株作为电子受体使用，是自然界重要的氧化还原活性物种。