微生物燃料电池（MFC）是一种有前景的废水处理技术，它可以将废水中的有机废物的化学能转化为电能，同时净化废水并回收绿色能源。理论上，如果废水中的所有化学能都能转化为电能，仅从废水中产生的电力就足以支持废水处理厂的运行并产生盈余。然而，微生物燃料电池难以实际应用的原因如下：首先，未经改性的微生物燃料电池的反应周期过长，导致反应器体积庞大、占地面积大且维护成本高；其次，废水中的化学能转化为电能的效率（库仑效率）通常低于2% [1,2]。实际上，大多数位于阳极室的细菌仅消耗有机物而不产生电能；此外，排水网络中的各种非产电细菌容易混入微生物燃料电池的阳极室。这些非产电细菌中包括甲烷菌，它们会利用电子和二氧化碳合成甲烷，这一过程不仅消耗了阳极室的电子，还产生了甲烷（甲烷的温室效应是二氧化碳的28倍），因此大规模使用微生物燃料电池将面临废气处理的问题 [3,4]。
纳米零价铁（NZVI）颗粒被认为是提高微生物燃料电池性能的有效解决方案之一。NZVI颗粒能够持续向水环境中释放亚铁（Fe(II)）和三价铁（Fe(III)离子 [5], [6], [7]）。大多数产电细菌的栖息地在缺氧且富含铁的地下厌氧层中，经过多年的进化，它们可以通过多种方式（如电子穿梭和Fe(III)螯合 [8]）将细胞内厌氧呼吸产生的电子传递到细胞外（细胞外电子传输 [9,10]）。然而，如果阳极室中的铁离子浓度过低，产电细菌的细胞外电子传输会受到抑制，从而影响其竞争优势，进而降低微生物燃料电池的发电量。由于废水处理厂的进水中的铁离子含量远低于地下富铁层，这也是未经改性的微生物燃料电池发电量较低的原因之一。NZVI颗粒可以有效增加阳极室中的铁离子浓度，从而提高发电效率。此外，NZVI颗粒在氧化为铁离子时会释放一定数量的电子，进一步促进微生物燃料电池的发电 [11]。
使用NZVI的另一个目的是处理被六价铬污染的废水。六价铬（Cr(VI)是一种高度污染性的物质，不仅会导致人类和动物中毒，还会抑制废水处理中的微生物活性，使传统处理方法难以实施。北美、中国和东南亚地区的六价铬污染普遍存在，污染浓度范围从1 mg/L到超过40 mg/L，远超美国规定的0.05 mg/L的排放标准 [12], [13], [14]，因此亟需对六价铬污染进行环境修复。研究表明，NZVI颗粒可通过静电吸引、还原和共沉淀作用有效去除水中的六价铬，从而净化受污染的水体并促进微生物燃料电池中的反应。
裸露的NZVI容易与水发生反应并失活，长时间使用后还会因聚集而失去纳米级尺寸。对于反应周期较长的微生物燃料电池来说，这一缺点尤为明显。研究表明，改性的NZVI具有更高的反应效率和更长的使用寿命，经济效益也更佳。主要的改性方法包括双金属修饰、支撑层修饰、涂层修饰、电稳定修饰、乳化修饰等 [15], [16], [17], [18], [19]。羧甲基纤维素（CMC）作为一种廉价且无毒的表面活性剂，在食品和工业领域广泛应用，可以在NZVI与水环境之间形成带电屏障，减缓NZVI的水解（纳米乳化）。同时，CMC-NZVI表面带有相同的电荷，静电排斥作用可防止聚集，保持NZVI的纳米尺寸和活性。最新研究表明，液相生物膜（不同于附着在表面的固相生物膜）是生物膜循环的重要组成部分 [20]。尽管在环境研究中尚未得到广泛应用，但医学研究表明，宿主伤口处的聚合物可以帮助病原体生成液相生物膜 [21,22]。医学研究旨在防止病原体形成生物膜，而在微生物燃料电池研究中，我们希望促进产电细菌的生物膜形成。作为聚合物，CMC具有加速液相生物膜生成的能力。
微生物燃料电池的阴极修饰同样对提高发电效率至关重要 [23], [24], [25]。阳极修饰可以增加阳极室产生的电子数量，但这些电子能否成功通过外部导线传递到阴极室以完成整个微生物燃料电池反应，很大程度上取决于阳极和阴极之间的氧化还原电位差。阴极修饰可以通过提高阴极反应的电位来增强微生物燃料电池的发电量。
本研究在微生物燃料电池的阴极室和阳极室分别采用了两种不同的铁增强方法，以解决反应周期长、发电量低和产生甲烷废气的问题。详细讨论了CMC-NZVI阳极室增强和酸性Fe(III)阴极室增强的机制及其联合机制，并设计了一种具有高初始累积发电量和六价铬去除能力的低成本微生物燃料电池方案。
