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作为一种难降解持久性有机化合物,双氯芬酸（Diclofenac,DCF）在水体中的残留对人体健康和水环境安全构成潜在威胁,近年来倍受关注,需要研发高效降解技术消减水中DCF。由于DCF降解的关键问题是脱氯与深度矿化,为此,本论文以DCF为目标污染物,提出了利用生物电化学系统（Bioelectrochemical system,BES）阳极还原DCF和阴极深度矿化其脱氯产物的技术策略,制备了Ru/Fe修饰电极,构建了Ru/Fe修饰电极-BES降解DCF体系,采用多种表征手段分析了Ru/Fe修饰电极的结构形貌特征;采用电化学手段探明了Ru/Fe修饰电极的电化学性能;采用高通量测序方法解释了生物电极微生物群落结构分布;采用液质方法测定了DCF降解产物;通过铜绿微囊藻生长抑制试验考察了体系降解DCF过程的潜在生态毒性变化;采用EPR和猝灭实验分析了体系降解DCF过程中各自由基的贡献;通过组学测定分析,探讨了在受DCF胁迫下生物电极的生物酶活性、微生物群落结构及功能基因和微生物代谢通路所作出的响应,以期为Ru/Fe修饰生物电极-BES体系快速降解DCF提供技术支持和理论依据,同时也为Ru/Fe修饰生物电极-BES体系快速降解持久性有机污染物的研究提供案例和借鉴。采用两步还原-涂布法制备了Ru/Fe修饰电极,构建了Ru/Fe修饰阳极-微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）降解DCF体系,探讨了Ru/Fe修饰阳极对DCF的降解规律。结果表明,Ru~0和Fe~0均匀分布于碳毡表面,Ru/Fe颗粒为合金结构。Ru/Fe修饰电极的电荷转移速率为碳毡电极的1.43倍,Ru/Fe修饰改善了阳极极化,并使MFC最大输出功率达0.600 W m-2,为CF-MFC的2.68倍。体系降解DCF过程的适宜运行条件为:外电阻为500Ω、碳源为500 mg L-1乙酸钠和DCF初始浓度为5 mg L-1。此时,Ru/Fe-MFC降解DCF过程符合伪一级动力学模型,降解动力学常数kobs为0.711d-1,是CF-MFC的2.21倍。然而DCF降解过程与Ru/Fe-MFC产电效率呈负相关,随着DCF初始浓度由0增至20 mg L-1,Ru/Fe-MFC库仑效率由27.50%降至21.34%。Ru/Fe修饰阳极富集了与产电和DCF降解功能细菌（如Geobacter、Clostridium、Sedimentibacter、Pseudomonas和Desulfovibrionaceae等）。测出了5种降解中间产物,提出了2条可能的DCF降解路径,其中DCF在Ru/Fe催化还原与功能菌还原的协同作用下逐级脱氯是主要路径,并最终转化为2-苯胺苯乙酸酯（2-anilinophenylacetate,APA）。Ru、Fe金属溶出和循环DCF降解实验结果表明Ru/Fe修饰阳极具有良好的稳定性。采用电沉积法制备了Ru/Fe修饰电极,构建了Ru/Fe修饰生物阴极-MFC降解APA体系,考察了Ru/Fe修饰生物阴极-MFC同步降解APA与脱氮效能。经Ru/Fe修饰后的碳毡表面粗糙不平,均匀分布着Ru~0和Fe~0颗粒。Ru/Fe修饰生物阴极的阻抗（23Ω）是碳毡生物阴极（164Ω）的0.14倍,导电性能更好。Ru/Fe修饰明显改善阴极极化,Ru/Fe修饰生物阴极-MFC最大输出功率为0.18 W m-2,是碳毡生物阴极-MFC的4.92倍。得到适宜的降解条件为:氨氮浓度为50 mg L-1、APA初始浓度为5 mg L-1、外电阻为500Ω和碳源Na HCO3浓度为500 mg L-1,此时,Ru/Fe修饰生物阴极-MFC对APA的降解效率高达98.60%,具有同时APA矿化和反硝化效能,降解APA过程符合伪一级动力学模型,APA降解动力学常数、TOC、氨氮和TN的最大去除率分别为2.15d-1、59.70%、99.20%和44.56%。随着APA浓度由0增至20 mg L-1,Ru/Fe修饰生物阴极-MFC的库伦效率从56.54%降至48.29%。?OH是APA降解过程中的主要自由基。Ru/Fe的氧化还原反应可能影响着生物阴极微生物的信号转导和环境适应功能,Ru/Fe修饰生物阴极的微生物群落在属水平上以Nitrosomonas为主,并富集了多种APA降解菌、硝化菌和异养反硝化菌如Pseudomonas、Nitrospira、Nitrobacter、Paracoccus、Thermoonas、Dechloromonas和Clostridium＿Sutra＿stricto＿1等,Ru/Fe修饰生物阴极比碳毡生物阴极具有更高硝化反硝化活性。测出了8种中间产物,据此提出了2条APA降解途径,其中APA羟基化是主要途径。Ru/Fe修饰生物阴极同时矿化APA与脱氮机理是以Ru/Fe的氧化还原反应为主和好氧生物降解/同步硝化反硝化反应为辅的协同反应。Ru、Fe金属溶出、循环APA降解和脱氮实验结果表明Ru/Fe修饰生物阴极具有良好的稳定性。采用电沉积法制备Ru/Fe修饰电极,构建了Ru/Fe修饰生物阴极-BES阴极厌氧-好氧顺序更替的DCF降解体系,开展了Ru/Fe修饰生物阴极顺序还原-氧化DCF的规律研究。在外加电压0.6 V下,Ru/Fe修饰生物阴极的阴极电势和阻抗分别为-0.80 V和26Ω,明显低于碳毡生物阴极的-0.66 V和110Ω。Ru/Fe修饰生物阴极-BES的最大输出电流为0.60 m A,是碳毡生物阴极-BES的2.31倍。得到适宜的降解条件为:外加电压为0.6V、APA初始浓度为5 mg L-1、外加碳源为500 mg L-1Na HCO3和氨氮初始浓度为50 mg L-1,此时,Ru/Fe修饰生物阴极的最大DCF降解率和降解动力学常数分别为93.19%和1.31d-1,远高于碳毡生物阴极的21.95%和0.12d-1。[H]和?OH分别为Ru/Fe修饰生物阴极还原过程和氧化过程的主要活性物种。Ru/Fe修饰生物阴极先在厌氧下使DCF还原脱氯,生成APA等降解中间产物,而在后续好氧下,?OH以及阴极化能异养微生物进一步将APA等降解中间产物氧化生成小分子有机物甚至矿化,反应4d的矿化率高达69.56%。Ru/Fe修饰生物阴极的优势菌为厌氧脱氯菌如Hydrogenedensaceae和Dethiosulfatibacter,产氢产乙酸发酵菌如Lentimicrobiaceae、Anaerolineaceae和Bacteroidales,以及异养反硝化菌包括厌氧反硝化菌如Azoarcus和好氧反硝化菌如Pseudofulvirmonas。测出了13种降解中间产物,据此提出了2条可能的DCF降解路径,其中先厌氧还原后好氧羟基化是DCF主要裂解路径。Ru/Fe和阴极微生物在厌氧-好氧顺序更替下协同催化反应是DCF矿化的主要机制。DCF经Ru/Fe修饰生物阴极处理后生态毒性大大降低,经过4d反应的反应液对铜绿微囊藻生长抑制率由22.87%下降到8.03%。Ru、Fe金属溶出和循环DCF降解实验结果表明Ru/Fe修饰生物阴极具有良好的稳定性。采用宏基因组学和代谢组学探讨了BES生物电极受DCF胁迫下生物酶活性、微生物群落结构及其功能基因和微生物代谢通路的响应关系。生物阳极的各种酶活性在DCF胁迫下受到了显著抑制,其中平均脱氢酶活性从对照组的1.46 U/（mg prot）降到有DCF胁迫时的0.62 U/（mg prot）。生物阳极中CYP450的相对含量在DCF胁迫下由原来的0.70%下降到0.58%。生物阳极的CAZy在DCF胁迫下的相对丰度显著降低。同样地,在DCF胁迫下,生物阴极的各种酶活性也降低,其中生物阴极的平均脱氢酶活性由对照组的11.21 U/（mg prot）降到有DCF胁迫时的10.16 U/（mg prot）。DCF胁迫下CAZy在生物阴极的丰度较对照组生物阴极要低,而生物阴极中CYP450的相对丰度由0.76%降到0.72%。值得注意的是,在DCF胁迫下,生物阴极比生物阳极更耐DCF的胁迫。生物阳极中电活性菌如Geobacter和Clostridium等菌属和专性厌氧菌如Methanobacterium更易适应于DCF的胁迫,而大多化能异养菌如Propionibacterium、Dehalobacter和Tessaracoccus等则不易适应于DCF的胁迫。对于生物阴极,Azoarcus、Methanobacterium、Hyphomicrobium、Mesorhizobium和Propionibacterium的相对丰度在DCF胁迫下显著富集,而Nitrosomonas和Clostridium的相对丰度则在DCF胁迫下显著减少。与碳水化合物、脂质以及氨基酸等代谢相关的功能基因在DCF胁迫下均受到显著抑制,导致糖类等代谢物在生物阳极中积累,从而影响生物阳极对有机质消耗的性能。相反,生物阴极中关于碳水化合物代谢相关的功能基因在DCF胁迫下受到影响较小,导致糖类代谢物不易在生物阴极中积累。代谢组学进一步揭示了特定抑制生物电极包括生物阴极和生物阳极中微生物代谢过程,如碳水化合物、脂质和氨基酸等代谢通路等均受到DCF胁迫的抑制作用,但生物阴极受DCF胁迫的抑制作用相对于生物阳极较小。