微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种新型燃料电池技术,它可以利用有机物作为碳源,将有机物中的化学能转化为电能。本研究中微生物燃料电池以受污染河涌底泥作为基质,改性碳毡为阳极,通过对普通的微生物燃料电池系统中串联太阳能电池板,构建了一种“太阳能电池-微生物燃料电池”(Solar cell-Microbial fuel cell,SC-MFC)新系统。在太阳能电池的协同作用下,微生物燃料电池的产电性能、对底泥污染物的去除效果以及阳极表面微生物群落均发生了较大变化。通过两个周期的运行,得到如下结论:(1)在微生物燃料电池启动的36h内,外加太阳能电池板可以提高系统启动的初始电压,但随着启动的进行,电压会逐渐下降,并且下降幅度随着外加太阳能电池额定电压的增大而增大。通过脂磷法测定系统启动阶段阳极表面的生物量,外接1V太阳能电池板系统在启动初期36h内,生物量总体上高于对照组,说明外加1V太阳能电池可以促进阳极表面微生物的生长繁殖,促进生物膜的形成,有利于MFC系统的启动。但是外加2V太阳能电池的系统在启动初期的36h内,启动缓慢,并且生物量均低于对照组,说明高电场会抑制微生物生长,降低生物量,不利于系统的启动。(2)外加太阳能电池板相当于在原MFC系统中加入一个定向电场,会提高阳极室内电子的定向迁移能力,从而改善系统的产电性能。第一周期中(串联不同额定电压的太阳能电池板),SC-MFC的输出功率密度随着外加太阳能电池板额定电压的增大而迅速增加,其中外接5V太阳能电池板系统的输出功率密度达到86.27 mW·m-2,远大于普通的MFC系统(2.53 mW·m-2),同时外加太阳能电池板会增加系统的整体内阻。第二周期中(太阳能电池板不同的光照时间),在外加相同额定电压(1V)的太阳能电池板条件下,不同的光照时间对于系统的输出电压以及功率密度也有很大影响,如光照3h系统的输出功率密度为5.08 mW·m-2,小于普通的MFC系统(6.30 m W·m-2)。(3)外加太阳能电池可以改善系统的产电性能,基质氧化是产生电子的源泉,所以外加太阳能后对底泥污染物的去除率也会相应提高。第一周期中,SC-MFC系统对于底泥中的有机质、总磷、氨氮、硝态氮的去除效率均高于普通的MFC系统,并且最大去除率分别在外加低电场(0.5V-2V)的情况下达到。第二周期中,在外加相同电场强度,不同作用时间的条件下,处理组的各污染物去除率也均高于对照组,并且当外加12h电场时,系统的有机质、总磷、氨氮的去除率均达到最大,硝氮的最大去除率在外加3h电场时达到,去除率为41.5%。(4)外加电场会降低MFC阳极表面微生物群落多样性。在第一周期中,外接0.5 V、1 V、2 V、5 V太阳能电池系统所测到的OUTs分别为2920、3537、3349、2664,均小于对照组(3558),说明外加电场会降低微生物群落多样性。第二周期同样验证此结论:在串联1V太阳能电池时,光照时间3h、12h、24h系统中的OTUs分别为5585、5664、5676,均低于不加电场的对照组(6329)。(5)外加电场会改变MFC阳极微生物群落的结构。在第一周期中,门水平上,外加低电场以及不加电场的阳极表面微生物群落的优势菌为Proteobacteria变形菌门,相对丰度均在45%以上,5V SC-MFC的优势菌为Firmicutes厚壁菌门,其相对丰度达到55.94%。在科水平上,对照组及外加0.5V、1V、2V太阳能电池板的处理组中,Desulfobulbaceae为优势菌,S5的优势菌为Peptostreptococcaceae和BA008。在第二周期中,门水平上,12个样品中的优势菌均为Proteobacteria变形菌门,相对丰度均在40%以上,其中3h SC-MFC系统中Proteobacteria相对丰度最高,为50.26%。在科水平上,3h SC-MFC以及对照组系统的优势菌科为Desulfobulbaceae,而12h SC-MFC以及24h SC-MFC系统的优势菌科为Thermodesulfovibrionaceae。所以,外加电场以及电场作用时间的不同,对于微生物群落结构都会产生影响。