1.1能源发展与环境问题

土壤是一种极其重要的自然非可再生资源，在地球生态系统中占据不可替代的地位，维持着地球生态系统的平衡^[1,2]。随着社会工业化进程加快，土壤退化速度加快，土壤酸化最为土壤退化的一个重要表现，对粮食生产及生态环境危害重大。土壤酸化是指土壤中氢离子增加引起土壤pH值降低和盐基饱和度减少的过程^[3]。根据《中国土壤》和《土壤化学原理》中的分级标准，将pHlt;6.5的土壤划分为酸性土壤，将PHlt;5.0的定位为强酸性土壤^[4,5]。

化肥会不会使土壤酸化关键看化肥被植物吸收的部分是阴离子还是阳离子.比如硫酸铵[（NH₄）²SO₄],其有营养的部分在含氮（N）的铵阳离子（NH⁴ ）,则植物将大量吸收铵离子而不吸收没有营养的硫酸根离子（SO₄）^2-,在吸收的离子交换过程中大量排出氢离子（H ）,致使土壤酸化.如果用NaH₂PO₄等肥料,植物将大量吸收有营养的磷酸根离子（H2PO₄）-而不吸收钠离子（Na ）,同理吸收过程中排出大量的氢氧根离子（OH^-）,使土壤碱化。
负面影响如下：
1）导致微生物活性降低，土壤有益菌适宜在中性土壤中生长发育，如硝化细菌适宜的pH值为6.5～7.9，自生固氮菌为6.6～7.5，纤维素分解菌为6.8～7.5。随着土壤环境的酸化，土壤中有益活性降低，直接影响有机质的矿化和氮的固定。pH值降到6以下时，影响微生物活动，随之影响土壤有机质的分解、有机质的腐化、氮素的矿化，生物活性下降，有机质分解缓慢。
2）pH值在6.5～7.0时，磷与钙结合生成磷酸一钙或磷酸二钙，磷呈H2PO4-和HPO4 2-形态，作物能够吸收利用，但是当pHlt;5.5时，磷酸根与铁、铝结合形成磷酸铁、磷酸铝被固定，失去肥效，影响作物生长。
3）由于盐基交换作用，酸性土壤胶体上的K＋、Ca2 、Mg2 被H＋取代，进入土壤溶液而流失，导致钾、钙、镁营养元素缺乏。
4）于此同时，二价锰浓度增加，锰的活性提高，使作物中毒。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池（microbial fuel cell,简称MFC）是一种产生电能的新方法#8212;#8212;利用细菌通过生物质产生生物电能。MFC，即微生物降解或氧化有机物，产生电子并通过一组呼吸酶在细胞内传递，以ATP形式为细胞提供能量。电子进而被释放给最终电子受体（terminal electron acceptor,简称TEA），TEA得到电子后，自身被还原。很多电子受体如氧气、硝酸盐、硫酸盐等均能通过扩散作用进入细胞得到电子生成还原产物，再从细胞扩散出来。某些细菌也可将电子导出细胞外，从而通过MFC系统产生电能。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池是藉由微生物的催化反应，将化学能（燃料）转换为电能的组件^[6]。典型的微生物燃料电池是由阳极到阴极，以及一片质子交换膜所构成，微生物于阳极分解氧化燃料，并同时产生电子和质子，电子可经由外部电路到达阴极，而质子则通过质子交换膜到阴极，在阴极会消耗电子和质子与氧结合产生水。

1.2.2 沉积型微生物燃料电池

沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cells, SMFC)，是一种基于沉积物环境体系，以其中的微生物为催化剂，将有机物中蕴含的化学能直接转化为电能的装置，它可以用于驱动偏远海域肿的低能耗传感器[7]。这种装置可以称为海底无人值守产电装置(Benthic Unattended Generators,BUG)，阳极埋于厌氧海底沉积物中并与悬浮在上层好氧水中的阴极相连[8]。另外此无室式产电装置可以从有机物丰富的海底、河底、厌氧反应器池底及大型堆肥装置的底部收集电能。
1.2.3 沉积型微生物燃料电池的工作原理

沉积型微生物燃料电池技术(sediment microbial fuel cell, SMFC)作为微生物电化学技术中的一种,其作用机理为以产电微生物(主要是地杆菌属细菌)为催化剂，将底泥中的有机物(如乙酸等)彻底氧化，产生的电子被微生物传递到阳极，然后通过外电路到达阴极，从而形成回路产生电流，如图1-1所示。