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微生物电化学系统（microbial electrochemical system，MES）是同步实现污水处理和能源回收的新技术，在降解水中有机污染物的同时产生电能、氢气和甲烷等生物能源。提高MES的电子转移及其运行稳定性仍然是实现MES应用存在的瓶颈问题。针对增强MES电子转移及其强化机制的问题，本研究构建了磁性MES，合成了磁性氮掺杂碳材料催化剂，考察了催化剂的组成和结构对氧还原的催化活性和阴极微生物群落的影响；在阳极引入了磁性材料和磁场，考察了磁效应对MES产电和阳极微生物群落的影响；利用RNA测序技术解析了电活性细菌转录组对磁场的响应机制。
制备了磁性氮掺杂碳材料催化剂（Fe3O4@N-mC），实现了高效阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）。对制备的Fe3O4@N-mC进行了扫描电镜和透射电镜分析，发现其具有明显的核壳结构。X射线衍射、红外光谱及X射线光电子能谱分析证实了材料中Fe3O4及氮掺杂碳的存在。合成的Fe3O4@N-mC材料在氧还原反应过程的电子转移数为3.76，其值高于N-C（3.55）、Fe3O4（2.96）、PANI（2.45）和Fe3O4@mPANI（2.74）。Fe3O4@N-mC为阴极的微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）促进了电活性细菌Dietzia的富集。为进一步增加材料的活性位点，将活性中心Fe3O4改为纳米级。改进的Fe3O4@N-mC展现了优于Pt/C催化剂的氧还原催化活性和电化学稳定性。使用Fe3O4@N-mC阴极催化剂的MFC（1141mW/m2）比使用Pt/C阴极催化剂(1022mW/m2)的MFC具有更高的功率密度，表明Fe3O4@N-mC催化剂可以替代MFC常用的Pt/C催化剂。上述研究证实，Fe-N等各种氮官能团、核壳结构和纳米尺寸的Fe3O4核心是提高Fe3O4@N-mC催化剂ORR催化性能和促进电活性细菌富集的主要强化机制。
探讨了恒稳磁场对MES系统效能的影响。以磁铁作为MFC的阳极，原位考察不同磁场强度和磁场方向对MFCs的产电性能的影响。结果发现，磁性阳极MFC的输出电压比非磁性阳极MFC增加了71.0%-105%，功率密度增加了42.9%-104%。在阳极磁场强度为80mT时，MFCs获得了最佳的产电性能。通过电化学交流阻抗分析发现磁场降低了MFC的扩散内阻和活化内阻。证实了恒稳磁场也可以提高MEC的电压输出、产甲烷速率和能量效率，表明磁场对MES的影响具有普适性。在外加电压为0.4V时提升效果最为显著,甲烷产率提升了26.2%，能量效率提升了19.7%。16S rRNA基因高通量测序发现磁性阳极MFC生物膜中Geobacter的相对丰度比非磁性阳极MFC高32.5%。以上结果表明，磁场降低了MES的系统总内阻，同时促进了电活性细菌在阳极的富集，从而提高了系统的性能。
基于前两部分的研究，将磁性氮掺杂碳材料与磁场相结合，构建了脉冲磁场辅助的磁性微生物燃料电池（PEMF-MMFC）。在脉冲磁场作用下，MFC的功率密度与无脉冲磁场控制的对照组比提高了25.3%-36.0%。去除磁场后，功率密度下降了25.7%，重新切换到脉冲磁场后，功率密度又恢复到原有水平，证实了脉冲磁场对MFC的输出电流具有瞬时和可逆性的增强效应。同时，脉冲磁场也促进了电活性细菌在阳极的富集，PEMF-MMFC阳极生物膜中Geobacter的相对丰度（86.1-90.0%）高于无磁场MMFC的相对丰度（82.5-82.7%）。为进一步探讨磁场对电活性细菌胞外电子转移的促进机制，对电活性细菌Geobacter sulfurreducens PCA进行了磁场作用下的转录组学分析。结果表明磁场上调了周质c型细胞色素（PpcA和PpcD）、外膜细胞色素（OmcF、OmcZ和OmcB）和菌毛（PilA-C、PilM和PilV-2）等电子转移相关编码基因的表达。以上结果表明，磁场促进了电活性细菌在阳极的富集以及电子转移相关基因（PpcA、PpcD、PilA-C等）的表达，从而提高了系统的性能。本研究系统阐明了磁效应强化微生物胞外电子转移的促进机制，提出了基于磁性电极、磁性催化剂和磁场强化MES电子转移的调控策略，为提高MES的效能和运行稳定性提供了理论依据。
制备了磁性氮掺杂碳材料催化剂（Fe3O4@N-mC），实现了高效阴极氧还原反应（oxygen reduction reaction，ORR）。对制备的Fe3O4@N-mC进行了扫描电镜和透射电镜分析，发现其具有明显的核壳结构。X射线衍射、红外光谱及X射线光电子能谱分析证实了材料中Fe3O4及氮掺杂碳的存在。合成的Fe3O4@N-mC材料在氧还原反应过程的电子转移数为3.76，其值高于N-C（3.55）、Fe3O4（2.96）、PANI（2.45）和Fe3O4@mPANI（2.74）。Fe3O4@N-mC为阴极的微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）促进了电活性细菌Dietzia的富集。为进一步增加材料的活性位点，将活性中心Fe3O4改为纳米级。改进的Fe3O4@N-mC展现了优于Pt/C催化剂的氧还原催化活性和电化学稳定性。使用Fe3O4@N-mC阴极催化剂的MFC（1141mW/m2）比使用Pt/C阴极催化剂(1022mW/m2)的MFC具有更高的功率密度，表明Fe3O4@N-mC催化剂可以替代MFC常用的Pt/C催化剂。上述研究证实，Fe-N等各种氮官能团、核壳结构和纳米尺寸的Fe3O4核心是提高Fe3O4@N-mC催化剂ORR催化性能和促进电活性细菌富集的主要强化机制。
探讨了恒稳磁场对MES系统效能的影响。以磁铁作为MFC的阳极，原位考察不同磁场强度和磁场方向对MFCs的产电性能的影响。结果发现，磁性阳极MFC的输出电压比非磁性阳极MFC增加了71.0%-105%，功率密度增加了42.9%-104%。在阳极磁场强度为80mT时，MFCs获得了最佳的产电性能。通过电化学交流阻抗分析发现磁场降低了MFC的扩散内阻和活化内阻。证实了恒稳磁场也可以提高MEC的电压输出、产甲烷速率和能量效率，表明磁场对MES的影响具有普适性。在外加电压为0.4V时提升效果最为显著,甲烷产率提升了26.2%，能量效率提升了19.7%。16S rRNA基因高通量测序发现磁性阳极MFC生物膜中Geobacter的相对丰度比非磁性阳极MFC高32.5%。以上结果表明，磁场降低了MES的系统总内阻，同时促进了电活性细菌在阳极的富集，从而提高了系统的性能。
基于前两部分的研究，将磁性氮掺杂碳材料与磁场相结合，构建了脉冲磁场辅助的磁性微生物燃料电池（PEMF-MMFC）。在脉冲磁场作用下，MFC的功率密度与无脉冲磁场控制的对照组比提高了25.3%-36.0%。去除磁场后，功率密度下降了25.7%，重新切换到脉冲磁场后，功率密度又恢复到原有水平，证实了脉冲磁场对MFC的输出电流具有瞬时和可逆性的增强效应。同时，脉冲磁场也促进了电活性细菌在阳极的富集，PEMF-MMFC阳极生物膜中Geobacter的相对丰度（86.1-90.0%）高于无磁场MMFC的相对丰度（82.5-82.7%）。为进一步探讨磁场对电活性细菌胞外电子转移的促进机制，对电活性细菌Geobacter sulfurreducens PCA进行了磁场作用下的转录组学分析。结果表明磁场上调了周质c型细胞色素（PpcA和PpcD）、外膜细胞色素（OmcF、OmcZ和OmcB）和菌毛（PilA-C、PilM和PilV-2）等电子转移相关编码基因的表达。以上结果表明，磁场促进了电活性细菌在阳极的富集以及电子转移相关基因（PpcA、PpcD、PilA-C等）的表达，从而提高了系统的性能。本研究系统阐明了磁效应强化微生物胞外电子转移的促进机制，提出了基于磁性电极、磁性催化剂和磁场强化MES电子转移的调控策略，为提高MES的效能和运行稳定性提供了理论依据。