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随着经济的快速发展、工业规模扩大以及城镇化人口增多，工业、畜禽养殖废水和生活污水的排放量与日俱增。若未恰当处理将导致水中有机质(OM)、氮、磷和重金属等的污染。在合适的pH值或氧化还原电位条件下，水体沉积物中的污染物将通过解吸和扩散进入地表水中，刺激微生物生长，导致氧气的消耗。结果使沉积物受到严重污染，地表水水质恶化，水体变黑，出现异味，进而影响水生生物、公众健康，破坏整个水生生态系统。
本文在分析城市河流底泥污染现状及污染物转化的基础上，提出并构建了一种以浮游植物（Limnobium laevigatum,Pistia stratiotes and Lemna minor L.）和电活性菌(EABs)协同作用的植物底泥微生物燃料电池（mSMFC，分别记做BR3、BR4、BR5），mSMFC的原型与自然水生生态系统相似，无外部刺激，在阴极室中插入曝气泵，为阴极创造一个好氧环境。在确定系统结构和实验操作条件的基础上，考查了生物反应器中大型植物生长和溶解氧有效性的影响，同时分别对mSMFCs、对照SMFC（BR2）以及自然降解过程中的开路SMFC（BR1）进行了间歇实验和120天三个阶段连续实验的优化研究，评估了其在污染物去除、生物修复和生物产电方面的性能。
对mSMFC去除有机物及营养物的研究结果表明，在120天实验后，大型植物在mSMFCs的阴极电解液中植物的生物量增加，没有枯萎或死亡的现象，P.stratiotes在BR4生物反应器连续流实验中最高可增加29.35±0.1g，DO最大浓度为16.85±0.2mg/L。TCOD和TOC在所有的生物反应器中的去除率与对照的BR2生物反应器相比没有显著的增加，然而在BR5生物反应器中有机负荷率(OLR)为4.77kgCOD m-3d-1，第三阶段时，TCOD去除率最高可达到80%。在连续流实验过程中，BR4对氨氮的去除率最高（93%），BR4和BR5的硝酸盐去除率最高（99%），BR5的亚硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐去除率分别可达99%、94%和99%。
对沉积物中重金属的生物修复表明，mSMFC对干植物的重金属生物积累顺序为Hg＞Zn＞Cr＞As＞Pb＞Cd，沉积物在BR4中Pb的去除效率为75.31%，表面水中的Cr在BR3、BR4和BR5中都有显著的去除。除了BR3，其余各BRs中As和Cd、Hg和Pd显现出一定程度的增加。BR5中的L.minor L.植物在重金属的吸收和生物累积方面具有最高的效率，三种植物中As、Cd、Cr和Hg的含量在SMFC运行后分别升高。
对mSMFC用于生物产电的研究结果表明，在连续流运行过程中，在第三阶段BR5的最大电极电位和输出电压分别是-0.01/0.89V和0.88V，BR1的最大开路电压为0.49~0.89V。BR5系统中最大功率密度为86.06mWm-3，电流效率为24.7%，净能量恢复和最大净能量产生为0.033kWh m-3和0.020kWh m-3。
mSMFC中污染物去除的机理包括：在mSMFC脱氮过程中，地表水中的好氧硝化细菌将NH3降解为NO3-，扩散到底泥中使之被底泥中的反硝化细菌利用。以NO3-为最终电子受体，还原反应生成N2，反硝化细菌利用有机物降解过程中产生的电子来同时去除有机物和氮。由于As3+、Cd2+、Pb2+和Zn2+的氧化还原电位低于生物阴极上的氧末端电子受体（TEA），因此它们被沉淀在生物阳极和沉积物上，并通过生物还原和好氧微生物对生物阳极和大型植物生物蓄积的生物吸附回收。和氧气相比，Cr3+氧化还原电位更高，它和Hg2+/Hg0在阴极表面上通过氧化还原作用得到还原。通过在阳极上的生物电化学氧化和沉淀、植物的生物蓄积和在阴极电解液中的供氧，在地表水中生物阴极上作为TEA进行还原反应，进而实现了mSMFCs中的污染物、有机物、渗出物和重金属离子的去除。
电极和沉积物的序列聚类分析显示，在连续流和序批式实验中，BR3中细菌的门中Proteobacteria(62.86%)最为丰富，BR2中的多聚体类Deltaproteobacteria占优势（29.20%），BR4中的优势属Pseudomonas占优势（25.18%）。古生物群落分析表明，在BR4中有大量的Euryarchaeota（90.91%）和Methanomicrobia（82.87%）；而在序批式和连续流动实验期间，分别有大量的Methanoregula（35.68%）。以上所有的研究结果表明，mSMFC是一种结构简单、操作方便、无二次污染、同时高效实现污染物去除和生物产电的底泥和地表水生物修复技术。这种新型的mSMFC系统在有机质降解、重金属去除、生物电产生等方面具有广阔的应用前景，可作为污染水生态系统原位生物修复的替代方法。
本文在分析城市河流底泥污染现状及污染物转化的基础上，提出并构建了一种以浮游植物（Limnobium laevigatum,Pistia stratiotes and Lemna minor L.）和电活性菌(EABs)协同作用的植物底泥微生物燃料电池（mSMFC，分别记做BR3、BR4、BR5），mSMFC的原型与自然水生生态系统相似，无外部刺激，在阴极室中插入曝气泵，为阴极创造一个好氧环境。在确定系统结构和实验操作条件的基础上，考查了生物反应器中大型植物生长和溶解氧有效性的影响，同时分别对mSMFCs、对照SMFC（BR2）以及自然降解过程中的开路SMFC（BR1）进行了间歇实验和120天三个阶段连续实验的优化研究，评估了其在污染物去除、生物修复和生物产电方面的性能。
对mSMFC去除有机物及营养物的研究结果表明，在120天实验后，大型植物在mSMFCs的阴极电解液中植物的生物量增加，没有枯萎或死亡的现象，P.stratiotes在BR4生物反应器连续流实验中最高可增加29.35±0.1g，DO最大浓度为16.85±0.2mg/L。TCOD和TOC在所有的生物反应器中的去除率与对照的BR2生物反应器相比没有显著的增加，然而在BR5生物反应器中有机负荷率(OLR)为4.77kgCOD m-3d-1，第三阶段时，TCOD去除率最高可达到80%。在连续流实验过程中，BR4对氨氮的去除率最高（93%），BR4和BR5的硝酸盐去除率最高（99%），BR5的亚硝酸盐、磷酸盐和硫酸盐去除率分别可达99%、94%和99%。
对沉积物中重金属的生物修复表明，mSMFC对干植物的重金属生物积累顺序为Hg＞Zn＞Cr＞As＞Pb＞Cd，沉积物在BR4中Pb的去除效率为75.31%，表面水中的Cr在BR3、BR4和BR5中都有显著的去除。除了BR3，其余各BRs中As和Cd、Hg和Pd显现出一定程度的增加。BR5中的L.minor L.植物在重金属的吸收和生物累积方面具有最高的效率，三种植物中As、Cd、Cr和Hg的含量在SMFC运行后分别升高。
对mSMFC用于生物产电的研究结果表明，在连续流运行过程中，在第三阶段BR5的最大电极电位和输出电压分别是-0.01/0.89V和0.88V，BR1的最大开路电压为0.49~0.89V。BR5系统中最大功率密度为86.06mWm-3，电流效率为24.7%，净能量恢复和最大净能量产生为0.033kWh m-3和0.020kWh m-3。
mSMFC中污染物去除的机理包括：在mSMFC脱氮过程中，地表水中的好氧硝化细菌将NH3降解为NO3-，扩散到底泥中使之被底泥中的反硝化细菌利用。以NO3-为最终电子受体，还原反应生成N2，反硝化细菌利用有机物降解过程中产生的电子来同时去除有机物和氮。由于As3+、Cd2+、Pb2+和Zn2+的氧化还原电位低于生物阴极上的氧末端电子受体（TEA），因此它们被沉淀在生物阳极和沉积物上，并通过生物还原和好氧微生物对生物阳极和大型植物生物蓄积的生物吸附回收。和氧气相比，Cr3+氧化还原电位更高，它和Hg2+/Hg0在阴极表面上通过氧化还原作用得到还原。通过在阳极上的生物电化学氧化和沉淀、植物的生物蓄积和在阴极电解液中的供氧，在地表水中生物阴极上作为TEA进行还原反应，进而实现了mSMFCs中的污染物、有机物、渗出物和重金属离子的去除。
电极和沉积物的序列聚类分析显示，在连续流和序批式实验中，BR3中细菌的门中Proteobacteria(62.86%)最为丰富，BR2中的多聚体类Deltaproteobacteria占优势（29.20%），BR4中的优势属Pseudomonas占优势（25.18%）。古生物群落分析表明，在BR4中有大量的Euryarchaeota（90.91%）和Methanomicrobia（82.87%）；而在序批式和连续流动实验期间，分别有大量的Methanoregula（35.68%）。以上所有的研究结果表明，mSMFC是一种结构简单、操作方便、无二次污染、同时高效实现污染物去除和生物产电的底泥和地表水生物修复技术。这种新型的mSMFC系统在有机质降解、重金属去除、生物电产生等方面具有广阔的应用前景，可作为污染水生态系统原位生物修复的替代方法。