生物电化学系统（Bioelectrochemical System,BES）是近年来新兴的一项集污水处理与能源回收为一体的新型技术,包括将低浓度废水和木质纤维素生物质能转化为电能的微生物燃料电池（MFC）和将生物质能转化为氢能的微生物电解池（MEC）。本文构建了双室MFC和单室MEC,通过循环伏安法（CV）、阳极交流阻抗、极化曲线等一系列电化学测试研究了MFC系统阳极生物膜生长所需的最适基质浓度和温度。检测并计算不同外加电压MEC的产气量、产气速率与库伦效率等产氢性能,研究MEC所需的最优外加电压。利用宏基因组测序技术对比了接种液（Inoculum）经过MFC、MEC的不同环境驯化后阳极群落结构的演变以及MEC中生物阳极与生物阴极群落结构的差异。研究表明,不同的基质浓度与温度对MFC的电能输出和阳极生物膜的生长有一定的影响。电子由微生物传递至阳极的过程较大程度的依赖细菌的种类、反应的环境等因素。微生物燃料电池以乙酸钠为基质,在基质浓度为0.25 g/L、0.50 g/L、1.00 g/L、1.25 g/L时,最大输出功率密度分别达到385.58 mW·m^-2、474.82 mW·m^-2、573.94 mW·m^-2、533.39 mW·m^-2。在MFC运行温度分别为为15℃、25℃、35℃、45℃时,最大输出功率密度达到323.96 mW·m^-2、489.20 mW·m^-2、573.94 mW·m^-2、515.64 mW·m^-2。利用电化学测试考察阳极电化学活性,表明在基质浓度为1 g/L、温度为35℃时阳极生物膜具有较高活性,最大功率密度输出达到最大为573.94 mW·m^-2。将MFC转化为MEC,研究转换后阳极生物膜的阳极电势及电化学活性,由于阳极微生物的代谢过程及电子转移过程相同,阳极电势的稳定值相同。对MEC产氢的外加电压值进行优化。在所讨论的五种外加电压0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V中,0.7V能够在保证产气量的同时得到最高纯度的氢气,一个周期内产气总体积为11.9 mL,产率为0.12 mL/min,利用气相色谱检测氢气纯度达到70%。宏基因组测序结果表明,接种液（Inoculum）、MFC、MEC的菌种分布出现较大差别,MFC、MEC优势菌群主要分布在变形菌门（Proteobacteria）、Bacteroidetes（拟杆菌门）和Chloroflexi（拟杆菌门）三种门。其中,Proteobacteria占比最高,Inoculum、MFC、MEC中变形菌门的占比分别为38.02%、74.68%、72.61%。在MEC中出现了Planctomycetes、Verrucomicrobia等新的菌门。在属水平的分类差别较为显著,Inoculum、MFC、MEC的菌种纯度逐渐增高,生物多样性减少,其中MFC、MEC的优势菌属为地杆菌（Geobacter）,Geobacter在MFC中仅占比29.62%,在MEC中达到58.88%。单室生物阴极MEC在三种不同外加电压（0.5 V、0.7 V、0.9 V）下产气速率分别为0.04 mL/min、0.06 mL/min、0.11 mL/min,氢气的纯度分别为15%、55%、33.4%,确定0.7 V为最优外加电压。阴极上电荷传递方向、电子供体与受体与阳极互反,电子由电极传递至阴极上的微生物。通过宏基因组基因测序表明,在同一菌源中阴阳极微生物群落结构出现差别。阴阳极主要菌门均为变形菌（Proteobacteria）,占比在阳极中为56.2%,在阴极中降低到39.63%。拟杆菌（Bacteroidetes）在阳极中占比为10.98%,在阴极中升高到21.29%。生物阳极与生物阴极上的菌属多样性较大,未分类的菌种占比超过一半,相对于阳极,阴极出现了脱硫弧菌属（Desulfovibio）等一些新的属种。