能源危机和环境污染已经成为人类社会最为关注的两大焦点问题。化石能源日益枯竭,传统的能源技术造成了严重的环境、气候等问题,世界各国都在积极探索可持续利用的、环境友好的新型能源技术。微生物燃料电池(Microbial fuel cells, MFCs)将传统的生物降解和电化学技术相结合,通过微生物代谢将环境中可生物利用的有机或无机污染物直接转化为电能,同时具备了污染物降解、产能等功能。在过去的十年中,MFCs得到了广泛的关注并且发展迅速。目前,MFCs已从实验室研究逐渐步入实际应用,并显示出良好的应用前景。然而,对MFCs中执行污染物降解和产电功能的微生物的产电机理等基础理论研究尚不够深入,已成为MFCs发展和应用的主要障碍之一。希瓦氏菌(Shewanella spp.)广泛存在于各种自然或污染环境,是迄今已知呼吸方式最为多样的细菌。它能以多种有机和无机物为电子供体或受体进行厌氧呼吸并因此成为MFCs研究中最为常用的产电模式菌之一。脱色希瓦氏菌S12(S. decolorationis S12)是本研究团队分离鉴定的具有高效的偶氮染料脱色和产电能力的希瓦氏菌新种。本研究使用菌株S12为产电微生物构建双室MFCs,开展了产电微生物在MFCs产电过程中的电子传递机制研究,并利用菌株S12的偶氮染料还原特性,构建生物阴极偶氮染料还原MFCs,研究菌株S12利用自身在阳极所产生的电子进行生物阴极偶氮染料降解的特性。在此基础上,进一步针对当前环境沉积物中较为严重的持久性有机污染问题,利用分离富集自多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)污染沉积物的微生物菌群,以十溴联苯醚(Deca- brominated diphenyl ether, BDE-209)作为目标污染物构建了BDE-209脱溴降解MFCs,对MFCs的脱溴特性及其与微生物群落结构特征的相关性进行了初步的研究。在以菌株S12为产电微生物所构建的双室MFCs中,以LB为培养液时菌株S12的产电密度为2.2 W/m3,库伦效率为5.4%,细胞生长和产电性能均优于其在M9无机盐培养液中的表现。在LB或无机盐阳极产电过程中,菌株S12表现出相似的产电方式。电子扫描显微镜观察发现,阳极电极表面形成较厚的、形态不均的生物膜,但很少发现有菌毛状细菌纳米导线的存在。产电机理的研究表明,电极生物膜的形成是S12产电所必需途径,而浮游细胞在产电过程中的作用很小。S12自分泌的黄素类电极介体可以极大的提高生物膜的产电效率,但并非产电所必须。ccmA基因突变导致S12不能合成成熟的细胞色素C,尽管不影响黄素类物质的分泌,正常培养条件下该突变株不能表现出产电能力,表明细胞色素C为产电所必需。LB培养液中,闭路(产电)状态下MFC阳极生物膜的生物活性可以在96 h维持在98%以上,而开路(不产电)条件下所形成的生物膜较易失活,96 h内降低至72%。生物膜染色及激光共聚焦显微镜显示其开路生物膜的活性损失主要位于生物膜的内层。表明MFCs闭路产电有利于维持生物膜的活性,从而为MFCs表现出的高于一般厌氧生物技术的污染物降解效率提供了理论支持。在生物阴极偶氮染料还原MFCs中,菌株S12可以利用自身在阳极所产生的电子进行阴极偶氮类染料苋菜红的还原。使用S12生物阴极在50 h内将1 mM的苋菜红完全还原脱色。该降解速率低于普通厌氧降解,原因可能是阴极生物量生长缓慢且大部分电子被MFCs过电位和生物代谢活动消耗。由于阴极苋菜红作为最终电子受体的氧化还原电位较低,苋菜红还原S12阴极MFCs的产电能力也较低,为0.02 W/m3。这是首次构建可利用自身在阳极产生的电子驱动生物阴极偶氮还原的MFCs。在该生物阴极偶氮还原过程中,菌株S12同样形成了生物膜并产生核黄素类电子介体物质,但生物阴极的电子传递中的作用尚需进一步研究。与常规厌氧反应器相比,利用分离富集自PBDEs污染沉积物的微生物菌群所构建的BDE-209脱溴降解MFCs对十溴联苯醚具有较高的降解效率。在MFCs和一般厌氧生物降解条件下,使用离子色谱检测的BDE-209的还原脱溴率分别为46.5%和12%。GC-MS分析表明MFCs和一般厌氧生物降解条件下的BDE-209降解效率分别为81.4%和64%,但降解产物中未检测到低溴代的PBDEs的累积,原因尚需进一步研究。对BDE-209降解MFCs中微生物群落进行PCR-DGGE和454高通量测序分析表明,MFCs条件下形成的微生物群落结构不同于普通的厌氧培养,而且MFCs中电极生物膜中的微生物群落结构与培养液中的也有差异。其中,金属异化还原细菌Geobacter spp.在电极生物膜微生物群落结构中占优势地位,而MFC培养液中Alcaligenes spp.占优势,这些优势微生物都曾被报道具有进行产电和脱溴能力。综上所述,本研究利用菌株S12为产电微生物所构建的MFCs在微生物产电机制研究中取得了一系列创新性的发现,其中包括菌株S12的产电机制;MFCs产电条件下可以更好的维持电极生物膜的活性,保证了污染物降解转化的效率;菌株S12可利用自身在阳极所产生的电子进行生物阴极偶氮染料的降解;MFCs条件下可促进微生物对BDE-209的脱溴降解,具有产电活性的微生物在该过程中发挥着重要作用。以上研究发现为进一步提高MFC的产电性能、更好地将MFCs应用于当前亟待解决的环境有机污染的治理提供了重要的科学理论指导。