当前正处于经济快速发展的时代,伴随着世界各地对资源需求的日益增长,而同时我们也面临着巨大的能源短缺,因此,近几年对化石替代能源发展的研究关注越来越多。尽管目前短期内化石燃料仍然能够满足日常生活的需要,但它们的开采和利用已经同时产生了严重的社会和生态负面效应。因此,获得廉价可靠的新能源对于提高生活质量和经济发展具有重要意义。可再生能源和绿色能源将是未来社会的基本要求,近期出现的微生物燃料电池(MFC)技术逐渐展现出满足这一需求的前景和潜力。微生物燃料电池作为微生物产能的新工艺手段,既可以从废水中去除有机污染物,也可以同步实现生物发电。在最近五年中,MFC作为一种未来可替代能源技术吸引了越来越多的关注。目前大多数MFC研究是在常温或中温(20-35oC)条件下进行,但是当反应温度较低时,中温菌群需要经历一个较长的适应和选择的过程,温度降低会造成它们的活动频率大幅度下降。在低温地区正常运行的沼气池,往往经历季节温差变化时冬季的低温导致微生物活性降低而停止产气的情况。但是研究发现,在此过程有一些嗜冷菌能够耐受低温环境,而且能够在较低的温度下继续实现有机质分解并进行胞外电子传递实现生物产电的能力。这类微生物菌群将能够提升寒冷地区(年平均温度是8和10oC甚至更低)的废水处理效率,这将解决季节性变化带来的低温限制问题。因此,在实践中推动低温MFC应用,我们首先需要找到嗜冷类型的电子传递细菌,从而提高MFC能够在一个在很宽的温度范围内工作的潜力。针对北方寒冷地区的低温产能条件下的MFC运行和功能强化问题,在5-15oC条件下对MFC的构型和相应富集的低温功能菌群进行研究,重点通过低温运行工艺获得了几株嗜冷产电菌,并通过构建纯菌强化工艺对MFC处理废水的产电效能进行了比较。研究发现在较低温度下进行MFC启动能够有效富集嗜冷电子传递菌,而低温富集的菌群能够广谱维持工艺运行的温度范围从5℃到25℃,能量输出随温度变化无显著减低。通过单室和双室反应器运行效能比较,发现两种构型MFC会影响嗜冷菌的组成群落结构,并导致不同的电化学活性。通过低温和室温条件运行效能比较,从室温到低温切换过程,单室反应器产生的输出电流接近恒定电压(540-560 m V),但是双室反应器未能产生良好的持续电能输出效果。同样在低温条件下进行菌群富集,最终反应器的低温内阻存在差异。双室反应器表现出较高的内阻,达到200Ω左右,而单室的内部阻力在155Ω左右。因此,在低温研究条件下单室反应器更有利于低温菌的富集和工艺实际应用。采用低温MFC运行实现生物膜富集得到三株低温菌:Klebsiella sp.,Shewanella sp.和Enterobacter sp.,并以分离获得的低温菌实现强化加速MFC启动和产能。试验数据表明,在10°C时生物强化混合菌群要比纯菌Shewanella sp.MFC产电效果更好,但是当温度进一步降低到5°C时,所有阳极功能菌群则会产生效能降低的现象。在10°C时低温菌混合强化的MFC最大输出电流达到540-560 m V,比纯菌Shewanella sp.MFC提高10-15%。最大输出功率密度为465.3±5.8 m W/m2,而相同条件下纯菌的最大输出功率仅为68.7±3.7m W/m2。通过电化学分析发现,强化菌构建的混合菌群生物膜表现出更低的过电极电势和内阻。在MFC启动过程通过增加三株低温强化菌的比例实现了工艺低温稳定产电效果,结果表明三株低温菌强化的MFC在低温下可以产生比普通活性污泥菌群驯化的MFC更大的功率密度。在低温5oC,Klebsiella sp.强化的最高输出电压达到700 m V,Shewanella sp.强化的最高输出电压为660 m V,Enterobacter sp.强化MFC最高输出为560 m V,均高于活性污泥或三株菌的纯菌MFC。通过模拟年温度循环变化过程,发现三株菌强化的MFC随着温度变化能够保持更加稳定的性能。研究表明:低温条件下分离获得的Klebsiella sp.,Shewanella sp.和Enterobacter sp.是实现构建低温MFC产能的有效途径。