由于微型绿藻胞外电子传递效率较低,无法发挥其环境适应能力强,代谢速率快的优势,难以用于构建高效污染物降解及产电体系。因此,合成与藻类胞外电子传递机理匹配的氧化还原介体,构建氧化还原介体催化强化藻类降解有机污染物及产电体系,将可同时提高藻类降解有机污染物及其产电性能。本论文针对藻类氧化呼吸链及胞外电子传递机理合成了以核黄素为母体的新型氧化还原介体,构建了新型氧化还原介体催化强化小球藻降解偶氮染料体系,并研究了其反应动力学及降解机理；在此体系基础上,通过调控小球藻代谢类型构建了新型氧化还原介体同步强化小球藻降解偶氮染料微生物燃料电池,并对其运行机理及污染物在装置中的转化规律进行了分析,明确了影响电池性能和降解效率的理论依据,实现了对该微生物燃料电池的选择性调控,主要研究内容和结果包括以下几个方面：(1)通过酯化反应及氨基-醛基缩合合成了一系列以核黄素为母体的氧化还原介体,并对其电化学性质及结构进行了分析。结果表明：异咯嗪结构外的修饰对氧化还原介体活性中心几乎不会产生影响。各氧化还原介体具有近乎相同的氧化还原电位(-0.43V)。对其电极反应动力学分析显示,所有氧化还原介体的电极反应速率常数均大于0.1cm×s-1,本体系涉及的电极反应均为可逆过程。(2)构建了新型氧化还原介体催化强化小球藻降解偶氮染料体系,研究了小球藻生长规律及降解偶氮染料动力学及微观机理。通过降解效率及米氏方程计算,证明了其对染料的脱色作用主要由细胞外酶控制。小球藻降解偶氮染料动力学符合一级反应动力学规律。小球藻对三种偶氮染料甲基橙、橙黄Ⅱ及活性红X-3B的降解速率均提升约1倍,降解效率提升约20%。与催化剂核黄素相比,相同浓度下降解速率可提升约20%,降解效率提升约5%。通过对降解产物进行分析可知,新型氧化还原介体催化强化小球藻降解体系与其原体系具有相同的降解机理,均为偶氮键厌氧条件下加氢还原。(3)利用小球藻具备多种新陈代谢方式的特点,在完全封闭的条件下构建了基于小球藻的新型氧化还原介体强化产电微生物燃料电池。仅通过调节装置不同区域的光照强度使小球藻代谢类型得以调控,实现了单室无分隔物条件下小球藻自养与异养的同时进行。以胞外酶控制胞外电子传递为依据,由磺基水杨酸核黄素酯合亚铁及铁氰化铜为基础构建了全新的电子传递链。实现了电子在系统内的高效传递及阴极电子受体的再生。电池稳定运行电压为0.423V,平均功率密度0.4773W/m2,间接光电转换效率1.36%,较原始系统提升约50倍。系统在与外界不存在任何物质交换的基础上稳定运行超过240d,证明了新型氧化还原介体不仅可作用于关键酶活性位点,还可促进阳极表面电子传递效率。(4)通过调控小球藻代谢类型构建了新型氧化还原介体同步强化小球藻降解偶氮染料微生物燃料电池,实现了电池连续长寿命同步降解偶氮染料及产电。通过去除磺基及加入疏水性基团,合成了具有相同电化学活性的脂溶性自固定亲水氧化还原介体。当以偶氮染料为碳源时,引入水杨基的阳极修饰系统开路电压可达0.72V,最大功率密度0.2620W/m2,库伦效率4.12%；偶氮染料在系统中的降解速率提升约60%。当以醋酸钠为碳源时,其开路电压可达0.76V,最大功率密度0.6728W/m2,库伦效率11.2%。当以偶氮染料为碳源时,引入水杨醛缩对氨基水杨基的系统开路电压可达0.76V,最大功率密度0.3359W/m2,库伦效率6.22%,偶氮染料在系统中的降解速率提升约75%。当以醋酸钠为电子供体时,开路电压可达0.81V,最大功率密度0.8470W/m2,库伦效率14.1%,二者对偶氮染料橙黄Ⅱ及其代谢产物的降解均符合细胞外酶降解规律。亲水性无论在均相或异相中,对氧化还原介体电化学活性的影响相同。引入希夫碱结构可在对亲水性影响较小的情况下大幅增加电极寿命。希夫碱结构在提升电极寿命的同时提升了电子表面传递效率,其对目标产物的降解规律均为亲水性因素主导反应活性。循环伏安分析结果表明,系统电化学性质由外加氧化还原介体控制,新型氧化还原介体作为阳极初级电子受体大幅降低了内部电流对库伦效率的影响,从而提升了电子在电极表面传递的效率。