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微生物电化学系统(Bioelectrochemicalsystem,BES)在实现从污染物治理过程回收能量的同时,还可对环境废弃物进行资源化转化,有着广阔的应用前景。然而,微生物/电极界面作用机制研究是该领域亟需解决的关键科学问题之一。在BES中,微生物与电极主要存在电子转移和物理附着的联系,但微生物附着行为和电子传递过程可控性差制约了其性能的提高。本文通过在微生物与电极间引入功能聚合物界面,强化并调控微生物与电极之间的电子传递过程,实现微生物在电极表面的选择性附着,为BES的高效稳定运行提供理论和技术支持。针对生物附着性能差、界面电子传递效率低的非贵金属电极材料,提出聚吡咯/活性炭修饰电极界面的方法,构建复合微生物阳极材料,加速微生物/电极间的电子传递。利用氮元素含量较高的马尾藻基活性碳强化电极与细菌之间的亲和性,同时结合聚吡咯与不锈钢的高电导率和微观三维结构实现电子的快速导出。制备的电极材料在微生物燃料电池(MFC)中的最大输出功率密度达45.2 W/m3,且电极表面微生物附着更加均匀。对聚吡咯/活性炭修饰不锈钢材料表面电子传递动力学研究表明,底物电子供体浓度相比电极电势对阳极电子传递速率有着更重要的影响。通过在MFC电极引入刺激-响应聚合物界面,构建复合阴极材料,实现对微生物/电极间电子传递过程的间接调控。利用阴极表面嫁接pH响应的聚四乙烯基吡啶,耦合电解液的光致pH变化,构建可见光控MFC的“开关”系统,实现基于光信号的MFC电能输出的控制。电极表面附着细菌的种类及丰度直接影响到电流大小和稳定性。本文开发了电极表面原位生长细菌印迹聚合物(BIP)在方法,构建了细菌选择性电极,实现电极表面细菌的选择性附着。利用表面引发的原子转移自由基聚合,以Shewannella oneidensis MR-1、GFP-Escherichia coli、Staphylococcus aureus 和Enterococcus faecalis作为模板,利用两种不同电性的甲基丙烯酸酯类单体制备对应细菌的选择性附着电极。所制备细菌选择性电极在BES反应器实现S.oneidensis MR-1在电极上的选择性附着和电子传递。对微生物/电极界面的作用机制研究表明,细菌在满足其形貌与电极表面印迹匹配的基础上,通过外膜表面官能团所带电荷与电极表面异相分布的电荷产生静电力作用。界面的电荷分布互补程度越高,静电作用力越大,该细菌在电极表面的附着力就越强。因此,细菌选择性电极表面特定的电荷的数量及分布实现了目标细菌的选择性附着。