隨著工農業生產的發展和人們生活水平的提高，水汙染與能源危機成為了當今世界面臨的兩大難題。目前，仍廣泛採用的是利用微生物的代謝作用除去廢水中有機汙染物，主要包括好氧和厭氧生物處理兩種方法。然而，這兩種方法在實踐應用中也存在缺點。一方面，好氧生物處理需要消耗大量的能量，運行費用高。另一方面，傳統的厭氧工藝雖然運行費用降低，且在處理過程中可以以甲烷形式獲得額外的生物能，但由於甲烷沒有合理的利用方式將其燃燒掉而無法實現能源的回收。從循環利用角度考慮，有機廢水中又包含著一定濃度的易生物降解物質和可再生利用物質，如果能夠以某種方式從中回收能源和有用物質則不僅可以減少廢水處理的費用，而且可以在一定程度上緩解當前面臨的能源危機。
微生物燃料電池(MFC)是利用微生物直接氧化還原性可生物降解物質，並從中生產電能的裝置。原理與燃料電池(FC)相似，但可以利用比甲醇或氫更複雜的燃料。傳統的微生物燃料電池為雙室型，分別由四個基本部分組成：陽極室、陰極室、質子交換膜和電解液。
微生物燃料電池的基本原理是打破常規的電子傳遞鏈的傳遞方向，把產生的電子引到外界，從中獲取能量。從另一個角度來說，是把原本的氧化還原反應的發生區域擴展到細胞以外的外界環境，延伸到整個電池結構體系中。陽極室中的電化學活性微生物在厭氧環境下催化氧化電解液中還原性有機物從中獲取能量在陽電極上以生物膜的形式生長，細胞呼吸過程中釋放出電子通過相關酶、輔酶和氧化還原型媒介(如果存在)傳遞給陽極，再通過外電路循環到達陰極形成電流。同時，在反應過程中伴隨電子而產生的質子從陽極室穿過質子交換膜(PEM)到達陰極，並在陰極催化劑(例如Pt)存在條件下與那裡的氧氣和電子結合生成水。為提高反應速率通常在陽極室攪拌，陰極室曝氣。