生物电化学系统（Bioelectrochemical Systems，BESs）利用微生物在阳极催化氧化反应，将电子传递到阴极进行还原反应，从而将化学能转化为电能。近几年BESs的功能已经拓展到不同的领域，例如生物产氢、有机物合成、金属还原、脱盐、以及废水处理等。但无论BESs的目的如何，其阳极的半电池反应都依赖于一类具有电化学活性的微生物。因此，优化生物阳极的性能是提升BESs整体效能的关键之一。本研究深入探讨功能微生物的定向富集、共生群落的驯化和纯培养阳极微生物的优选，以期优化阳极的性能，从而提高BESs的整体电化学性能。首先建立了一种定向富集阳极功能菌群（Anodophilic consortium，AC）提高电化学性能的方法。将用活性污泥为接种物培养出的原始阳极生物膜样品倍比稀释后，再将各个稀释梯度的细胞悬浮液分别接种至无定形铁培养基中培养。11天后，发现生成Fe(II)产物的培养物样品的最高稀释倍数为10-6，将其选择作为筛选得到的阳极功能菌群（AC），接种到下一代的BES的阳极。然后对分别接种了AC、原始生物膜和活性污泥的BES的性能进行比较。接种AC的BES获得的功率密度达226mW/m2和库伦效率达34%，性能高于接种了原始生物膜的BES和新接种活性污泥的BES。 AC作为接种物所需的启动时间（60h）也比用其他接种物的（≥95h）短。这表明此富集方法能有效地获得高效的阳极接种微生物，从而提高BES的性能并缩短启动时间。同时，提出了一种定向驯化电极共生互营微生物群落的方法。通常认为甲酸难以被阳极利用。通过设定不同的阳极电势定向驯化电极共生互营微生物群落，提高产电困难的基质（甲酸）在BES中的利用能力。本研究选择了三种不同的阳极电势即–0.30、–0.15和+0.15V（相对于标准氢电极），并用不控制阳极电势的高阻值系统（1000的外接电阻）作为对照。在阳极电势被控制在–0.30V的条件下，反应器没有电流生成。而在高于乙酸氧化还原电势（乙酸的标准氧化还原电势为–0.28V）条件下，反应器均有电流产生，其中电势控制在–0.15V的反应器性能最优。基于16S rRNA克隆文库分析表明，阳极电势控制在–0.15V的BES的阳极微生物群落主要由硫还原泥杆菌（Geobactersulfurreducens）和醋酸杆菌（Acetobacterium）组成。此外，在反应器中都检测到了作为中间产物的乙酸。这表明G. sulfurreducens是通过利用Acetobacterium转化甲酸生成的乙酸为电子供体产生电流。随后，所有的BES都连接一个固定外加电阻运行。该阻值是反应器获得最大功率密度时所连的外接阻值。运行一个月后，所有的反应器产生相似的功率密度，以上两类优势菌属在所有反应器阳极微生物群落中所占的比率也趋于一致（约52%G. sulfurreducens和22%Acetobacterium）。这表明通过设定特定的阳极电势可以强化形成BES中的阳极微生物中共生互营群落，从而提高反应器利用甲酸的效率。本文建立了一种优选阳极功能微生物提高电化学性能的方法。以高电化学活性的阳极生物膜为筛选菌源，以简易高通量的Mine-MEC为筛选装置，采用倍比稀释法，分离得到具有高电化学活性的菌株SD-1。菌株SD-1是一株兼性厌氧、非发酵的、不运动的、革兰氏阴性杆菌。16S rRNA鉴定表明菌株SD-1属于泥杆菌属（Geobacter），与该菌属相似度最高的菌种是硫还原泥杆菌（G.sulfurreducens）。但是菌株SD-1在乙酸作为电子供体时不能利用延胡索酸和单质硫生长。由于该菌株具有这一独特的生理生化特性，表明她不同于G.sulfurreducens，因而菌株SD-1应是一个新种。作者将其命名为Geobacter sp.nov. strain SD-1。作者以典型的阳极微生物G. sulfurreducens PCA、 G.metallireducens GS-15和混合培养菌群作为对照，评价了菌株SD-1的电化学活性。在电流测试、循环伏安扫描和交流阻抗测试中，菌株SD-1接种形成的生物膜的电化学活性最高，或者与混合培养物的性能相当。此外，菌株SD-1形成的电极生物膜的生物量也明显高于上述三者。在研究优化阳极微生物利用简单基质产电的同时，测试了BES利用复杂基质时的性能。构建了发酵-生物电化学系统（Fermentation-BES）耦联工艺。发酵系统利用纤维素作基质发酵产氢，而生物电化学系统利用发酵液为基质进一步回收发酵出水中有机物蕴含的化学能。与单独的发酵系统相比，BES在无外加能源的情况下将利用有机碳源产氢的能源回收率提高了41%。