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沉积物微生物燃料电池(SMFC)是一个利用产电菌从底物获得电能并能去除污染物的新方法,也是目前从废弃物或废水中回收能量的最直接方法,其阳极埋在水体沉积物中,利用沉积物中的腐殖质、硫化物等还原性污染物作为电子供体,阴极处于上覆水中,可利用其中的硝酸盐、高氯酸盐、重金属离子等氧化性污染物作为电子受体。这种结构的特殊性以及新型的反应模式使其可以实现对水体沉积物和上覆水的同步生物修复并产生电能,而且其可移动性强,无需外加电子供体或受体,可以直接原位应用于河流、湖泊等天然水体,拥有极大的应用前景。植物-沉积物微生物燃料电池(P-SMFC)即将植物与沉积物微生物燃料电池相结合,利用植物的光合作用合成葡萄糖等有机物,强化SMFC产电。然而,性能不稳定、输出功率过低是实现SMFC实际应用需要突破的瓶颈。论文以城市受污染的黑臭湖泊沉积物为底质,配制TP浓度为0.2mg/L的上覆水,构建P-SMFC系统,考察了植物黑藻、亚铁离子浓度对P-SMFC体系内磷形态的转化特征以及对产电性能的影响,并且通过高通量测序方法对阳极沉积物内的生物多样性进行分析,从微环境和微生物学角度探索了磷形态的变化特征。主要实验内容和结果如下:(1)以黑臭湖泊底泥为沉积物以及湖泊原水构建SMFC体系,进行沉积物产电菌富集,发现经过240小时,SMFC系统电压达到稳定,产电菌富集成功。(2)考察了有无植物以及有无额外添加亚铁离子条件下对SMFC系统产电性能的影响,实验结果表明:种有植物的P-SMFC系统的电流密度和功率密度均高于无植物的SMFC系统,说明植物对P-SMFC系统的产电过程有促进作用;额外添加的亚铁离子浓度越高,P-SMFC体系的输出电压、电流密度以及功率密度均越高。(3)考察了有无植物以及有无额外添加亚铁离子条件下对P-SMFC系统内总磷去除效能的影响。实验结果表明:反应器运行周期内,有植物的P-SMFC系统对总磷的累积去除率均高于无植物的SMFC系统对总磷的累积去除率;有植物且额外添加亚铁离子5mg/L条件下,总磷累积去除率最高,为39.55%;无植物且无额外添加亚铁离子条件下,总磷累积去除率最低,为29.57%。额外添加的亚铁离子浓度过高或过低都不利于P-SMFC对磷的去除。(4)考察了有无植物以及有无额外添加亚铁离子条件下对P-SMFC系统沉积物中有机质去除效能的影响。实验结果表明:有植物的P-SMFC系统对有机质的累积去除率均高于无植物的SMFC系统对有机质的累积去除率;有植物且额外添加亚铁离子5mg/L条件下,有机质累积去除率最高,为84.13%;无植物且无额外添加亚铁离子条件下,总磷累积去除率最低,为77.78%。5个实验组对有机质的去除率差别不大,这说明电极是P-SMFC体系中去除有机质的主要贡献者,而植物的引入对提高有机质去除效能的能力有限。(5)考察了有无植物以及有无额外添加亚铁离子条件下对P-SMFC系统中磷形态的变化特征的影响。实验结果表明:植物会促进有机磷矿化,使有植物的P-SMFC系统内的铁磷、铝磷、钙磷含量高于无植物的SMFC系统;额外添加的亚铁离子使铁的初始含量增加,植物的吸收作用、有机质的矿化作用和铁氧化物/氢氧化物对磷的吸收作用相互促进,使铁磷含量的变化比铝磷、钙磷明显。(6)阳极沉积物内存在丰富的生物多样性,在细菌中占主导地位的门有变形菌门Proteobacteria,绿弯菌门Chloroflexi,拟杆菌门Bacteroidetes等。且三种条件下检测到的解磷菌属的序列数分别为938、1141、1369条,说明植物和亚铁离子都能促进解磷菌的生长繁殖。(7)额外添加亚铁离子可能会使得沉积物中存在更多的专性微生物,并且亚铁离子对沉积物中微生物多样性的影响比植物对沉积物中微生物多样性的影响大。论文通过栽种植物与否以及是否额外添加亚铁离子来对P-SMFC系统中磷元素形态转化以及产电性能影响的研究,为植物-沉积物微生物燃料电池应用于黑臭水体原位修复并实现电能回收提供理论依据。