全国污水排放总量逐年增大,水污染治理成为关系民生的重大国家战略问题。有机物和氮氧化物是污水中的主要污染物,开发高效监测和处理水中有机物和氮氧化物技术对保护水环境和人类健康具有重要意义。生物电化学系统基于生物电极电化学反应降解污染物并回收能量,被认为是有广泛应用前景的水污染防治技术。但现有生物电化学系统尚不能满足实际应用需求,其中一重要原因是生物电极制备时间长、性能差和抗干扰能力弱。以上问题在生物阴极系统中尤为突出。翻转电势法是一种快速制备生物阴极的方法,它在生物阳极富集电活性菌,利用恒电位仪控制电极电势翻转实现生物阳极到生物阴极的功能转化。但是,现有翻转电势法培养的生物阴极其性能和稳定性差且培养机理未明晰,形成技术瓶颈。本文针对翻转电势法存在的关键问题,提出通过改变系统外电阻耦合基质调控改变培养阶段生物电极氧化电活性,以提高翻转电势后生物电极还原电活性的技术路线。制备获得高性能生物阴极,其硝酸盐降解速率是已报道的1.3～7.9倍。通过电化学手段揭示生物电极氧化电活性和还原电活性的正相关性。通过显微分析、菌群结构分析和抗生素处理等方法,结合电化学技术探讨电活性菌种间作用和电子传递路径,发现:氧化型电活性菌通过种间电子传递为还原型电活性菌提供能量,氧化型电活性菌形成三维骨架结构加速还原型电活性菌在电极富集。生物电极上存在微生物-电极电化学电子传递通道、微生物-微生物和微生物-电极-微生物种间电子传递通道,形成复杂电子传递网,其电子传递路径受电活性菌、基质和电位影响。针对现有传感器在检测机制、检测时间和准确性等方面的不足,本文基于双向电子传递机制和新翻转电势法研发四种新型生物电化学传感器。（1）以生物阳极为检测器,线性伏安扫描为检测信号获取方法开发生物电化学BOD传感器。首次提出生物电化学降解性系数（k）并用于检测信号校正,实现生物电化学BOD传感器对实际污水的准确检测（误差＜14.6%）;（2）以生物阴极为检测器,线性伏安扫描为检测信号获取方法,翻转运行为维护手段,开发生物电化学亚硝酸盐传感器,实现对亚硝酸盐快速且稳定的检测;（3）用甲硝唑处理去除生物电极检测器上的氧化型电活性菌等非功能微生物,开发高精度高选择性亚硝酸盐传感器。检测器信号不受有机物和NH4+、NO3-等离子干扰,传感器检测精度可达0.0001 mg NO2--N L-1;（4）基于生物电极双向电子传递能力,以电位阶跃计时电流法为检测手段,开发双功能生物电化学传感器,同步检测污水BOD和亚硝酸盐。