微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是结合了微生物和电化学反应的装置,可以在处理污水同时实现能源回收。如何强化系统电能输出和污染物降解效能,解析MFC电极表面电活性生物膜微生物组聚合及其代谢功能调控机制,仍然是MFC实际应用需要解决的科学问题之一。主动能量采集（Active energy harvesting,AEH）可实时控制微生物燃料电池的能量的采集和存贮,成为一种新型的微生物电化学系统调控技术。然而在不同温度条件下的AEH对MFC的调节效能及电极表面电活性生物膜的响应机制仍然不清楚,需要进一步深入研究。因此,围绕解析主动能量采集对微生物燃料电池的调控机制,本论文开展了主动能量采集微生物电化学系统（AEH-MFCs）的构建;研究了不同AEH方式对生活污水和果汁废水处理效能的影响,探讨了能量采集MFC耦合电絮凝（EC）工艺对生活污水的碳氮效能;基于功能微生物组学技术解析了AEH-MFCs和非AEH-MFCs的阳极生物膜群落聚合及其功能响应机制。首先,本研究比较了在不同温度条件（4℃、10℃、20℃和30℃）下MFCs的功率输出以及底物降解效率,结果显示,在温度越高的情况下MFCs得到越高的功率输出和库伦效率,在30℃时MFC的输出功率为894.3m W/m~2,低温4℃条件下为528.7 m W/m~2。库伦效率也从24%降低到了16.1%。为了提高MFC功率输出以及能量利用,利用单室空气阴极MFC分别选取最大功率点、最大电流点和开路条件进行了比较分析,结果表明MFC在最大功率点（MPP）条件下获得最高的功率密度8.1～9.3 m W/cm~2和较高的底物利用效率94.92±0.96%。在此基础上,分别探讨了4℃和10℃条件下不同MPP能量采集方式对MFC运行效能的调控。基于双芯片能量采集控制比较了MFC在恒定最大功率点、80%最大功率点和最大功率点追踪时的运行效能,发现最大功率点追踪条件在4℃和10℃条件下都得到了最高的功率输出分别为714.36±54.36 m W和1942.18±84.78 m W。基于自适应PID控制的改进型MPPT控制策略可以实时精确追踪不同环境条件的最大功率点,从而确保微生物的高效运行状态,相较恒定MPP的AEH-MFCs可获得更多的能量及更高的库伦效率～4.3%。其次,探究了不同MPP能量采集方式对MFCs处理不同废水的效果。首先探究了利用AEH-MFCs处理不同有机浓度条件1500 mg/L、3000 mg/L、7500 mg/L和15000 mg/L果汁废水的效能。结果显示,MFC-MPP的功率输出不同有机浓度条件下相对稳定在239.64～308.67 m W/m~2。AEHs在不同有机浓度条件下显著影响MFCs的挥发性脂肪酸（VFAs）产物主要为甲酸、乙酸和丁酸。随后分别在4oC和10oC条件下进行生活污水碳氮脱除的效果比较分析,发现10℃条件下MFC-MPPT和4℃条件下的MFC-MPPT的总碳去除效率分别为52.51±1.65%和40.46±1.92%,NH4+-N去除效率分别为61.46±2.91%和47.10±1.42%。最后对比了MFCs作为EC（M-EC）以及AEH-MFCs作为EC（T-EC）供电源对低温生活污水处理效能,结果发现,AEH-MFCs-EC耦合系统获得的电流输出明显高于MFCs-EC系统所获得的电流的60%。最后,为了探究阳极电活性生物膜对主动能量采集变化的响应机制,利用基因组学解析了MFCs阳极生物膜在不同温度下的代谢功能差异。温度显著影响微生物群落结构和功能代谢,在4℃条件下与细胞壁产生和防御机制相关的基因丰度较高。20℃条件下与翻译和核糖体结构与形成相关的基因丰度较高,而30℃条件下相关的基因表达水平较低。主坐标分析显示AEH-MFCs电极生物膜群落结构差异较大。变形菌门（Proteobacteria）是所有反应器微生物群落的优势门,其相对丰度达到31.72～63.32%。电化学活性菌Geobacter在MCP和MPP反应器的相对丰度分别达到了18.59%和20.92%,表明AEH-MFC运行过程中促进了电活性细菌在阳极生物膜的富集。在利用AEH-MFCs处理果汁废水部分中,群落分析结果显示发酵细菌Lactococcus所占比重最高,相对丰度最高为19.42～37.88%。Lactococcus的相对丰度不随OLRs的升高而增加,说明AEHs运行方式对于其富集起着重要的作用,AEH-MFC系统中的可发酵底物促进了非电活性菌的生长。结果表明电能采集、温度和有机负荷对电活性微生物群落聚合和功能代谢具有显著影响,能量采集和有机负荷对微生物群落演替具有协同作用。