微生物燃料电池(Microbialfuelcells,MFCs)可以将有机物中的化学能直接转化为电能,实现了污染物降解并且同步产电。在MFC反应系统中的微生物群落结构对产电效能具有决定性的影响。然而,目前对产电功能微生物种群互作关系以及产电菌的产电机制等理论研究尚不够深入。本文通过将不同底物类型下运行的MFC反应器产电能力进行比较,并利用DGGE和高通量测序技术对阳极功能菌群进行分析,确定重要的功能微生物;分析阳极功能微生物群落结构与反应器产电效能的关系,揭示反应器中阳极功能菌群的生态分布规律。　　本研究以Shewanellasp.HN-41为产电菌株构建单室和双室MFCs,开展产电微生物利用不同发酵类型的碳源以及在不同模式的反应器中的电子传递能力的研究。结果发现Shewanellasp.HN-41有能力利用乳酸和葡萄糖作为唯一碳源进行生长,并且在微生物燃料电池中表现出电化学特性。菌株HN-41在单室MFC以乳酸作为碳源产生的最大功率密度为71.6mW/m2,而以葡萄糖作为碳源仅产生18.2mW/m2。此外,该菌株在这两种底物下均表现出较强的Fe(III)还原能力。并在MFC系统中能够分泌黄素单核苷酸(FMN)、核黄素和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。反应器中加入外源核黄素和FMN后,反应器功率密度呈现了2-5倍的增长。因此,本研究对于菌株HN-41耦合葡萄糖氧化产电能力的发现拓宽了对Shewanella碳代谢认识。　　利用可溶性三价铁的投加实现ShewanellaoneidensisMR-1菌株的产电能力强化。Fe(III)在生物膜的形成过程中起到重要的作用。投加6mM的Fe(III)时,微生物燃料电池产生的最大功率密度达到最大158.1mW/m2,而未投加的铁的对照反应器仅产生73.9mW/m2。在缺乏铁的情况下运行反应器,形成成熟的生物膜后补充Fe(III),反应器功率的输出呈现一个明显的增加。有铁存在的反应器阳极生物膜生物量高于缺铁反应器。结果发现Fe(III)的优化浓度能够显著提高菌株MR-1的电化学活性,并且可以通过促进黄素的分泌提高菌株胞外电子传递能力。　　针对单室MFC反应器通过高通量测序技术,探讨在纯底物(葡萄糖)模式下运行反应器阳极生物膜群落构成与MFC产电性能以及阳极溶液pH之间的关系,对阳极溶液不同pH(初始pH5.0-10.0)进行调试,找出MFC最佳运行模式下的pH值。并研究发现阳极溶液pH9.0时,MFC最大输出功率密度为10.15±0.67W/m3,过高或者过低的pH均能导致MFC电能输出的降低。利用454焦磷酸测序技术对细菌16SrRNA基因进行扩增,揭示pH对阳极生物膜群落结构的影响。pH为中性或者碱性时,阳极群落多样性较强,产电菌所占相对丰富度较高。产酸发酵菌作为互养微生物能够代谢葡萄糖产生有机酸进而被产电菌所利用。　　针对蛋白类废弃物的复杂碳源转化,微生物燃料电池能够有效地去除氮并且同时生产电能。通过对阳极生物膜群落互作模式深度解析产电微生物间接利用蛋白质进行产电的功能菌群结构。本研究在MFC系统中实现了利用大豆废弃物进行产电,产生的最高电压分别为558±4mV(豆粕)和502±12mV(豆渣)。豆粕总的化学需氧量和总氮的去除率分别为74.2％和91.1%高于豆渣。16SrRNA基因的高通量测序分析揭示阳极微生物群落的结构和多样性。结果发现产电微生物主要属于Geobacter属,在豆粕和豆渣反应器中分别占有49.96%和52.83%。此外,在阳极生物膜中检测到Proteiniphilum、Petrimonas、Azospira以及Acidovorax等蛋白质降解菌。因此,研究结果揭示在处理复杂含氮化合物时产电菌和蛋白质降解菌间存在互养关系。　　MFC实现了直接利用甜菜渣等复杂的木质纤维素产电。通过阳极生物膜群落互作模式的研究,深度解析产电微生物间接利用木质纤维素进行产电的功能菌群结构。结果发现甜菜渣不同的预处理方式对MFC电能输出的影响,证实碱处理(369±23mW/m2)和未处理(351±20mW/m2)的甜菜渣产生的最大功率密度高于酸处理(244±4mW/m2)。阳极微生物群落结构的差异是导致电能输出不同的直接原因。微生物群落中存在多种产酸菌(Paludibacter、Petrimonas以及Spirochaeta等)和产电菌(主要为Geobacter属),种群之间存在互养关系。因此,MFC技术有能力利用甜菜加工副产物中的木质纤维素产电。