无介体微生物燃料电池(MFC)是一种新型的环境生物技术。本论文围绕无介体MFC，以不同的微生物为对象综合研究了微生物与电极之间电子传递机制，构建了五套不同特征的MFC装置，考察了微生物产电的关键影响因素，依据生物膜催化的概念发展了一种生物传感器，并成功地将其用于厌氧消解(AD)的过程监测。　　 利用模式微生物Rhodoferax ferrireducens和Geobacter metallireducens考察了固态物质异化还原过程中的电子传递，培养基置换实验、细胞浓度定量分析和扫描电镜(SEM)观察等证实了生物膜形成是微生物与电极问电子传递的主要形式。去除培养基中氮磷元素使R.ferrireducens MFC产电量增加了60％，突出了生物膜存在的重要性。进一步以环境中混合菌为对象对微生物产电机制和微生物进化进行了探索，200余天运行使海泥MFC的输出功率提高了300多倍(100 mW/m2)，库伦效率增加了25倍(59％)，说明了体系极化损失的减小和高效生物膜的建立。另外，循环伏安跟踪分析表明多阳极污泥MFC在富集过程中电极表面生物膜的电化学变化与产电信号变化一致，这些结果证实了微生物产电过程不仅伴随着生物膜形成过程，而且也伴随着生物膜电化学成分的进化。　　 在生物膜催化产电的认识基础上，考察了MFC产电的影响因素。基质实验证实了富碳的乙酸钠和富含蛋白质的OECD合成废水诱导了两种不同电信号响应的MFC。微生物种类、接种浓度、培养方法均未对MFC产电有显著影响。与生物因素相比，物化因素(阴极反应剂、反应器构型、离子交换材料、外接电阻等)的变化更容易改变阴阳两极的过电位，从而影响MFC性能。设计的“阳极-膜-阴极-膜-阳极-膜-阴极”结构的MFC与改装前单电池相比，使输出电压和短路电流提高一倍，体系内阻减少了一半多(约100Ω)，实际处理废水能力也提高了近一倍。　　 以生物膜作催化剂在H形双室MFC体系上进行了有机废水和糖类物质的直接转化产电实验。以6 g COD/L味精废水为燃料，MFC产电持续时间长达60余天，功率密度为17.7 mW/m2。废水的COD、NH4-N、SO42-去除率分别为83％、88％和84％。另外，味精废水诱导的MFC和城市生活废水诱导的MFC在都以味精废水为燃料时，前者的产电输出功率和废水处理效率较高，SEM图片也证实了前者的微生物菌群更丰富，这是由于味精废水成分较为复杂，处理过程需多种微生物的协同作用，这与基质实验结果一致。　　 进一步探索了电化学活性生物膜的功能化应用，构建了一种无介体MFC型夹套式生物传感器、优化后的参数为阴极流速7.28 mL/min，阳极流速7.74 mL/nun，阴阳极电极液均为60 mM PBS缓冲液(含50 mM NaCl)，外电阻为200Ω。6个月的厌氧发酵罐监测运行表明，生物膜传感器(Biofilm MFC)实现了异常外部环境的在线反馈，有效监测了人工模拟大分子的代谢过程。MFC电信号与其它在线信号(生物气流量、pH)、离线分析(COD值、气体成分、挥发性脂肪酸等)存在一定函数关系。低基质浓度时(<50 mg COD/L)，pH变化和气体流量变化均不及电信号变化灵敏。作为参比的控制传感器(Control MFC)在初始2个月内未能出现针对外部环境的反应，3个月后，Biofilm MFC和Control MFC的产电变化随着基质浓度增加均呈现了特征性的Monod方程拟和，但Biofilm MFC变化更灵敏。在线信号的瞬间关联分析揭示Biofilm MFC可与pH或气体流量同时反映厌氧罐内瞬时的微生物代谢活力，但Control MFC不能，说明了Biofilm MFC电化学活性生物膜的重要性。利用MFC/pH/气体流量计@厌氧发酵罐组成的集成传感器成功地在线监测了马铃薯甚至城市固体垃圾的水解过程，这也充分说明了基于生物膜的传感器的稳定性和实用性。