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微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是近年迅速发展起来的一种新型燃料电池技术,将之应用于污水处理领域,可以在降解污染物的同时回收电能,因此受到广泛的关注。现阶段制约MFC工程应用的关键问题主要是产能偏低和造价较高。随着反应器结构材料的优化,源于电极表面微生物催化反应的活化内阻逐渐成为制约功率的关键;造价偏高主要来自于阴极使用的贵金属催化剂,利用微生物代替金属催化剂形成生物阴极可有效降低造价。这两个问题的核心均涉及产电菌与电极的契合和相互影响,因此本论文的目的即研究产电菌与电极的作用机制,并对MFC面临的两个关键问题进行探索性研究。在产电菌与电极的作用机制研究部分,以产电模式菌Geobacter sulfurreducens为研究对象,利用生物量测定、生物膜观察、极化曲线、循环伏安曲线和电化学阻抗谱等分析手段,定量解析了产电菌能量代谢与MFC产电的相互关系。研究表明在生物膜发展初期产电菌生物量和MFC的极限电流呈相关关系。改变阳极电势调控产电菌能量代谢对MFC的启动过程、产电性能和产电菌的生长均有显著影响,并存在最佳的电势范围。本研究在阳极富集获得了一类高产电能力的光合产电菌,在两瓶型MFC中输出功率密度可达2650 mW m-2,是黑暗对照条件的8倍,在同类反应器中亦位居前茅。推测由于光合菌的特殊电子传递途径降低了电子供体的实际电势,从而促进产电菌的生长并提高了输出功率,本研究再次证明调控产电菌的能量代谢可影响MFC的活化内阻。研究表明本试验条件下光合产电菌的机理是介体传递型,气质联用和三维荧光光谱的结果显示该介体属于吲哚类物质。本研究首次实现了以二氧化碳作为电子受体的生物阴极过程,为降低MFC造价提供了一条新的思路。针对阴极产电菌的能量代谢需求,输入光能克服能量壁垒,实现了微生物催化的阴极产电和固碳过程。碳酸氢钠的去除和累积电量成明显的化学计量关系,为0.28±0.02 mol C mol-1 e。在两瓶型MFC中,使用该生物阴极,输出功率密度可达750 mW m-2,比空白对照提高了15倍。