文献综述

1.生物电化学系统的定义与发展历程

生物电化学系统（Bioelectrochenical systems, 简称BESs）是利用微生物为催化剂， 进行阳极氧化和（或）阴极还原的生物电化学技术^[1]。是一种经济的和环境友好的电化学强化有机污染物生物降解的废水处理新技术，它是一种可持续并”绿色”的方法，可提高污水中有机化合物的降解速率^[2]，是一种能够实现从废水中回收能量的新兴技术， 近年来引起越来越多研究者们的兴趣. 除了在废水处理方面的应用，生物电化学系统还广泛应用于重金属还原、 硝酸盐去除、卤代烃脱氯及燃料和有机物的合成^[3]。

2009 年，Korneel Rabaey 等人提出了生物电化学系统的概念，它是指利用微生物的电子传递体系和传统电化学体系的结合体来服务于一定目的的系统。按其运行方式和最终产物不同，可以分为微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)和微生物电解池(Microbial electrolysiscell，MEC) ^[4-5]。同时生物电化学系统与传统的污水处理上很大程度上提高了经济效益，传统的污水处理会生产大量的污泥，并且每年将会花费每吨8-400欧元来处理污泥，而生物电化学系统可以通过提高资源的重新利用，生产电能或是生产有用的化学制品减少经济花费^[6]。

2. 生物电化学系统基本原理

生物电化学系统作为一个生物电化学的体系，主要是微生物、电极以及底物之间相互作用的一个体系^[7]。在生物电化学系统中，电子由阳极输出经过外电路进入阴极。对于输出电子的阳极电极而言，较大的比表面积和良好的生物相容性，有助于附着更多的电活性微生物，而材料较高的导电性有利于减小电极的过电势，从而减小电荷转移阻力^[8]。

典型的生物电化学系统由阴极室和阳极室两部分构成， 中间由隔膜分离。生长在阳极的微生物通过自身的新陈代谢作用氧化有机物， 同时释放出质子和电子还原阴极底物。因为氧气广泛易得并且具有较高的氧化还原电位，通常阴极以气态O2或溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)作为电子受体。以气态O2直接作为电子受体可以构建空气阴极生物电化学系统， 该系统具有结构简单、 功率密度大等优点， 但需要以昂贵的金属铂作为阴极催化剂，成本较高；以DO作为电子受体则需要机械曝气，电能消耗量大。以重金属离子作阴极电子受体的研究正引起越来越多的关注^[9]。

2.1 产电微生物

产电微生物是生物电化学系统电子传递过程中最主要的组成，它将底物氧化产生电子并传递到电极上，完成电子传递。关于产电微生物的研究始于两类异化的金属还原菌Shewanella和 Geobactor，这两种微生物可以利用细胞外的金属离子作为电子受体进行呼吸，维持自身代谢。随着分子生物学的迅猛发展，对不同系统中分离的电极生物膜进行群落结构统计分析，总结发现目前己分离的产电微生物主要源于Proteobacteria，Firmicutes，Acidobacteria，Bacteroidetes等门。

2.2 电子传递