中文摘要：

针对利用碳水化合物类有机废水为原料、通过生物转化获取氢能或直接获取电能，从可再生生物质能开发、废弃物资源化利用、环境保护和生物技术等角度都体现出创新性、学术意义与应用价值。本申请拟以微生物燃料电池及微生物电解电池为对象，实验观察生物膜复杂内部网络结构、制氢与产电基本传递现象、过程特性等；采用微电级测量技术探测生物膜复杂内部及周围流场及浓度场信息，确定通量(flux)之空间及时间分布，藉此观察认识基本传递现象、过程和传质阻力等，同时以多重荧光染色技术配合原子力显微镜探讨微生物燃料电池及微生物电解电池生物膜之复杂内部网络结构以提供建立模型的基本信息；围绕着制氢与产电过程有机物转化传质阻力和机理，辅以唯像理论分析，建立微生物燃料电池及微生物电解电池阳极生物膜之复杂内部结构与传递现象耦合模型，以理论高度探索认识和揭示现象基本规律，为实际应用至国际前沿:自毒性废弃物中提取生物质能源提供应用依据。

结论摘要：

微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)由于其可以在降解污染物的同时回收到电能，而受到环境领域学者的广泛关注。目前，MFCs研究中较为重要的一个问题是如何克服某些生物和非生物因子对功率输出的制约，从而提高效能。这些限制因子往往通过MFCs的内阻、电容或者电极的阻抗反映出来。本研究围绕着微生物燃料电池体系运行过程中常出现的功率密度曲线回折现象，分析这种现象的发生与反应器内部传质阻力的相关性。研究底物浓度、搅拌速度对功率密度曲线回折现象的影响，并分析原因。分别通过混合菌群和纯菌构建反应器，分析电极活性微生物对微生物燃料电池体系内传质的影响。针对混合菌群构建的MFC体系，在不同温度下双室MFC阳极形成生物膜后切换反应器温度，发现低温反应器能够稳定产电，且切换到室温后仍能稳定产电，反之则不然。分析表明，低温形成的生物膜极化内阻较低，且低温下所形成生物膜中的耐寒微生物对于稳定产电起主导作用，提出了东北地区低温启动反应器的适应温度变化的启动策略。进一步探究纯菌构建的MFC体系中阳极活性菌对传质阻力的影响，分离到三株典型阳极活性菌，分别属于柠檬酸杆菌属(Citrobacter sp.）、土杆菌属(Geobacter sp.)、梭菌属(Clostridium sp.)。利用三株菌分别启动双室MFC，均能够稳定产电。通过交流阻抗分析微生物燃料电池体系内的传质变化，结果显示电池的主要传质阻力来自于阳极。通过线性扫描伏安（LSV）测定电池的极化曲线绘制功率密度曲线，在达到最大功率密后发生功率密度曲线回折现象。阳极反应被确定为主要影响因素。研究发现，从阳极电解液到阳极生物膜具有较小的外部传质阻力，在生物膜和阳极连接处电荷转移阻力是可以忽略不计的，电子传递阻力对MFC的性能有不可忽略的影响。阳极活性菌对底物利用的阻力可能诱导了微生物燃料电池功率密度曲线回折的发生的主要原因。最后，以高浓度有毒含硫含氮工业废水作为处理对象，研究MFC反应器启动、运行及产电效能。利用同步脱硫脱氮菌种Pseudomonas sp.C27接种反应器的阳极室，并采用不同电子受体和供体来启动反应器。结果显示有毒硫化物浓度达到150mg/L时，硫化物氧化效能及产电效果稳定，C27菌种的生物代谢过程对产电效能产生明显的促进作用，反应器产电的最佳利用底物顺序为S>S+C>S+C+N>C。