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人类的发展离不开能源,传统的化石类燃料不可再生,并且在使用时会造成环境污染,已无法满足人类可持续性发展。开发新能源和进行环境保护修复已经成为人类可持续发展过程中,应对能源短缺和环境污染这两个全球性难题的解决思路。沉积物微生物燃料电池（sediment microbial fuel cells,SMFCs）是一种可同时解决能源和环境问题,获得可再生能源和实现环境生物修复的技术。根据沉积物的类型,SMFC可分为活性污泥SMFC和湖泊底泥SMFC。活性污泥SMFC因污泥中有机质含量高,可获得高的产电率,然而在运行过程中,阴极表面会附着影响阴极氧化还原反应的生物膜,降低SMFC的产电性能。湖泊底泥SMFC产电效率一般都较低,不利于电能收集,但是通过原位利用电能进行湖泊生物修复已成为目前研究的一个热点方向。本文通过理性设计,通在活性污泥SMFC中沉积物-水界面设置碳毡隔膜构建了碳毡隔膜SMFC,并对其产电性能和机理进行了研究;利用湖泊底泥搭建SMFC,并探究沉积物来源、阴极材料和外电阻对SMFC生物修复的影响因素;探究当利用零价铁作为SMFC阴极时,铁阴极在生物修复过程中的作用机理。研究发现,碳毡隔膜SMFC能获得更高的总有机质去除率,其产电能达到376mV,高于普通的SMFC（332 mV）。利用电化学阻抗谱、细菌蛋白质浓度、扫描电镜分析表明,碳毡隔膜SMFC阴极的细菌能被显著抑制,因此减少了阴极的蛋白质浓度,降低了阴极的电荷转移内阻（从118.9Ω降到91.6Ω）。这种新的碳毡隔膜SMFC能通过减少沉积物中的有机质向上覆水中扩散而抑制阴极的生物膜生长,该技术有可能加快SMFC的推广和应用。湖泊底泥SMFC中,不同来源的沉积物对SMFC反硝化影响显著,有机质含量高的紫竹院的沉积物能使得SMFC对硝酸盐的去除率最高达到49.8%。不同阴极材料对SMFC反硝化有着明显的影响,金属铁片作为阴极时能使SMFC对硝酸盐的去除率达到54.3%。进一步对不同外电阻对SMFC反硝化进行研究,发现外电阻为0Ω,即形成短路时,SMFC能将所产生电能原位利用,获得最佳生物修复效果,对硝酸盐的去除率达到了78.8%。利用零价铁作为SMFC的阴极时生物修复效果最为明显,利用SEM、XRD、生物膜蛋白质浓度测定、16S rRNA分析、电化学表征对铁阴极生物修复机理进行分析。研究发现,在SMFC运行过程中,铁阴极会发生腐蚀,同时有细菌的附着和生长,它们在阴极表面组合成复合结构。在铁阴极SMFC运行25天后,铁阴极表面的氧化物为含有二价铁和三价铁的Fe3O4,两种价态铁的循环更好地促进电子从阴极向硝酸盐转移。与对照组相比,SMFC阴极中自养反硝化细菌嗜水气单胞菌、铜绿假单胞菌在阴极上成为优势属,所占的相对丰度分别为60.24%、34.81%,而对照组是以铁氧化菌和铁还原菌为主。表明通过SMFC的作用可以使更多的细菌在铁阴极上附着生长,并使阴极菌群发生演化。SMFC阴极在生成铁氧化物和细菌的复合物后,能提高阴极氧化还原反应,降低阴极电荷转移内阻,提高阴极向硝酸盐的电子传递效率,进而提高SMFC的生物修复效果。本论文通过解决活性污泥中有机质向上覆水的扩散显著提高了SMFC的产电性能,同时通过对短路SMFC中铁阴极的研究,阐明了SMFC在生物修复中反应机理。SMFC是多学科交叉的技术,目前仍然处于实验室阶段,本研究对于通过SMFC技术解决全球存在的能源短缺和环境污染问题提供新的思路和方法,也将有助于该技术的进一步的推广和应用。