微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)作为一类可将化学能直接转化成电能的装置,打破了传统污水处理的概念,可在降解污染物的同时实现生物质的能源化与资源化,微生物燃料电池中的微生物群落及代谢,是影响其功能的重要因素之一,因而MFC中微生物群落的分析具有重要的理论意义和应用价值。平板阳极由于可以进行原位观察和分区域测序,是研究电活性微生物的重要工具。然而目前常用的平板阳极材料的价格高昂,修饰方法复杂,制约了其发展和研究。本文开展了不同平板阳极微生物燃料电池中各部位群落特征的研究,对于揭示微生物群落特征对反应器性能的影响具有重要的理论价值。本研究比对了不同MFC构型的运行性能,就阳极材料分别进行了筛选及预处理,在此基础上确定了使用氧化铟锡(ITO)玻璃和柔性石墨板两种工业材料作为阳极来研究MFC的群落结构,利用第二代高通量测序技术分析了不同电极及电极上不同位置的微生物群落分布,以探究微生物群落的特征与反应器性能的关系。本文首先开展了MFC构型对比和电极材料的筛选,构建了用于实验的平板阳极MFC。结果表明,单室MFC结构简单,温度稳定性好,产电能力优异,COD去除率高,更适合于本研究。ITO玻璃和柔性石墨板以最高的稳定电压被选用作为后续试验的平板阳极材料,二者制备工艺简单、成本低廉。对比两种空气阴极,铂碳(Pt/C)阴极MFC的功率密度比活性炭辊压阴极高17%,但是辊压阴极的成本仅为Pt/C阴极的十分之一。将上述几种阳极与阴极材料结合,构建出3种MFC,被用于后续MFC性能的实验与其中生长的微生物群落结构的分析。考察预处理后的ITO玻璃与柔性石墨板分别作为阳极构建的MFC性能。研究表明,简单的酸处理与碱处理,显著改善了ITO阳极性能。酸处理2分钟的ITO阳极MFC的最高电压为470 mV,COD去除率为56%,单位面积ITO阳极的功率密度为253 mW/m~2,约为碳刷阳极的16倍(16mW/m~2)。碱处理的ITO阳极获得了与酸处理相近的效果,单位面积阳极功率密度271 mW/m~2,COD去除率54%。柔性石墨板单位面积的阳极功率为137 mW/m~2,COD去除效率为68%,高于对照组碳刷阳极MFC。在各MFC反应器中不同部位进行了生物膜取样,通过高通测序来分析各部位的细菌和古菌的群落分布,研究发现ITO玻璃经过简单处理后具有优异的电活性微生物富集能力。阳极和阴极表面的细菌群落分析表明,在酸处理ITO阳极的反应器中,阳极与阴极含量最高的菌属分别变形菌门的Geobacter菌属(37.1%-52.4%)与拟杆菌门的Alkaliflexus,占总量的20%以上;二者含量皆与反应器产电能力正相关。拟杆菌门WCHB1-69_norank细菌有辅助电活性菌产电的功能,并首次发现在阳极表面大量富集,含量与MFC产电能力正相关。由碱处理ITO阳极与柔性石墨板阳极构建的MFC中,阳极含量最高的菌属为变形菌门的Geobacter,此菌属在阳极不同区域呈现不同的分布。古菌群落分析表明,在阳极盐古菌的相对含量最高(40.6%),可以促进质子的传递,加速产电进程;在阴极产甲烷菌占总量比例达90%以上,此类古菌在代谢过程中会竞争电活性微生物的底物和体系中的质子,降低产电效能。ITO材料经过简单的酸或碱处理和柔性石墨板均可用于阳极构建MFC,其反应器的单位面积输出功率远大于碳刷。改性的ITO阳极和柔性石墨板阳极可进行微生物组织的原位动态观察和定点取样DNA分析,是产电机理研究的理想材料,并且价格低廉,获得途径广泛,具有广阔的使用前景。