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微生物驱动着生物圈很多关键的过程和元素的氧化还原循环，改变着地表化学环境。微生物在自然生态系统中对物质和能量转化所起的重要作用已引起广泛关注。而热力学原理为预测反应能否自发，反应是否可能参与到微生物活动中，物质与环境之间的能量交换以及微生物反应在环境中的分布提供了基本框架，也成为微生物反应机制研究的理论基础。理解特定环境中微生物主导的过程必须理解微生物代谢能量。 铁在土壤和沉积环境中都很丰富，主要以二价铁和三价铁的固态铁矿形式存在。土壤和沉积物中微生物驱动的二价铁和三价铁矿物的氧化还原显著影响很多其它元素的地球化学循环，与温室效应、有机污染和重金属污染等多种环境问题密切相关。因此理解微生物驱动的铁循环有极其重要的意义。虽然人们已经对微生物驱动的铁还原展开深入的研究，但目前微生物铁还原机制和途径仍然存在很多未知。微生物在中酸性条件下的铁还原机制已有大量报道，但在碱性条件下微生物铁还原机制还鲜有研究。 本论文从热力学出发，对环境微生物活动中涉及的最主要的几种元素的耦合反应进行了研究，评估微生物在不同pH下铁还原的能力，通过细菌培养实验探究碱性环境中微生物铁还原的主要机制。论文的主要研究内容如下: (1)厌氧环境中厌氧微生物催化各种氧化还原反应，驱动着元素的地球化学循环。厌氧微生物从催化氧化还原反应捕获能量以维持生长。这些微生物驱动的氧化还原反应的热力学可行性由基于环境条件的产出能量所控制。不同的氧化还原反应会按照热力学梯度从高产能到低产能顺序进行。氧化还原反应的热力学能量影响各种厌氧生态系统中微生物氧化还原反应的分布和元素的循环转化。在本研究中我们将厌氧微生物驱动的C、N、Fe和S之间的耦合反应与它们的热力学可行性联系到一起。结果表明环境中已证实的微生物氧化还原反应的存在和分布与它们的热力学可行性较为一致，热力学原理为氧化还原反应的存在和分布提供了理论依据。因此，利用热力学原理来探究微生物驱动的元素耦合具有重要意义。 (2)微生物胞外铁氧化物还原在很多生物地球化学循环中起重要作用。近中性环境中已提出几种微生物铁还原机制，但在碱性条件下微生物铁还原的途径还鲜有研究。在本研究中我们利用AQDS作为腐殖质醌基组分的代表物质，探究腐殖质在碱性条件下对铁还原的潜在作用。基于热力学计算，我们预测，在碱性条件下三价铁（氢）氧化物的微生物酶还原热力学可行，但十分微弱。在微生物培养实验中，Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter sulfurreducens PCA以及水稻土富集菌混合培养具有较弱还原水铁矿的能力，S0或AQDS的存在均显著促进了铁氧化物的还原。在碱性条件下AQDS作为电子穿梭体促进铁还原的能力高于元素硫(S0)。这些结果表明碱性条件下三价铁（氢）氧化物的微生物还原可能是通过电子穿梭体介导的途径进行的。考虑到腐殖质有较强的电子穿梭能力并且在环境中分布广泛，腐殖质介导的铁还原可能是碱性环境中微生物铁还原的主导机制。