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有机化工废水具有难降解、生物毒性大的特点,对生态环境和人类健康安全造成了严重的威胁,开展经济高效的废水处理技术研究意义重大。论文针对传统生物技术在有机化工废水的处理过程中存在的生物活性低、稳定性差、电子供体/受体用量大、启动时间长等问题,制备了高效稳定的光激发半导体强化生物降解。以光生电子/空穴作为电子供体/受体加快生物反应过程,以实现有机污染物的高效降解和矿化;通过优化半导体-微生物界面构造,补充了半导体与微生物之间的电子传递路径;改进半导体结构增强光生电荷生成及传递,驱动半导体与微生物之间的电子更快传递。针对吡啶生物降解缓慢,缺少电子受体的问题,制备了Bi VO4/Fe OOH光激发半导体强化吡啶生物降解。探究了关键参数（吡啶浓度、p H、有机电子供体以及光照强度）对光驱动生物降解体系的影响,进行电子传递活性、光电流以及电化学阻抗表征探究半导体与微生物之间的电子传递。结果表明光激发半导体可以显著促进吡啶的生物降解过程,期间不需要额外的电子受体/供体。最优条件下吡啶去除负荷达到2.34 mol m-3 d-1,优于传统的生物处理。与此同时半导体-微生物界面能量消耗仅为2.3 k Wh mol-1,远低于吡啶的物化处理。半导体-微生物界面的微生物活性显著提高,半导体与微生物之间的电子传递过程得到显著加快。微生物种群结构得到优化,吡啶降解相关物种（Shewanella菌属,Bacillus菌属和Lysinibacillus菌属）及电化学活性物种（Shewanella菌属和Tissierella菌属）得到富集。光生空穴是半导体-微生物界面吡啶降解过程中主要的氧化活性基团,在吡啶的生物降解过程中光生空穴作为电子受体可以加快生物反应。针对氯酚废水生物毒性大,难生物降解的特点,采用Cd S/g-C3N4复合半导体和导电石墨毡（GF）构建三维（3D）半导体-微生物界面强化对氯苯酚（p-CP）的降解和矿化。3D半导体-微生物界面的优异降解性能说明石墨毡可以为微生物进行电子传递提供更多的反应活性位点。超氧自由基（·O2-）和光生空穴（h+）是复合半导体降解p-CP过程中主要的氧化活性基团,复合半导体在降解p-CP同时还能够持续产生H2,这有助于促进微生物与半导体之间的电子传递。3D半导体-微生物界面选择性富集了p-CP降解相关菌属（Chryseobacterium菌属、Stenotrophomonas菌属和Rhodopseudomonas菌属）、电活性菌属（Stenotrophomonas菌属、Hydrogenophaga菌属和Cupriavidus菌属）和氢氧化菌属（Hydrogenophaga菌属和Cupriavidus菌属）等功能物种。PICRUSt2功能分析结果显示,与3D半导体-微生物界面中p-CP降解（dha A、MVD、pan D、spe A/D和hem E）、氢代谢（hyf E/F和hyp X）以及电子传递（pil A、men E/G和rib A）相关的功能基因表达显著增强。不同功能物种与半导体之间的协同作用是强化p-CP降解和矿化的关键。3D半导体-微生物界面可长期稳定高效地降解p-CP且不需要额外的电子供体,期间微生物群落结构趋于稳定。为了探究不同异质结构与微生物的电子传递机制,采用离子沉积法和光催化沉积法制备得到了具有直接Z型异质结构和II型异质结构的Cd S/g-C3N4复合半导体。以电活性细菌Shewanella oneidensis MR-1和复合半导体构建半导体-微生物界面,并强化偶氮染料酸性橙7（AO7）的还原脱色。通过紫外可见漫反射和光致发光分析,直接Z型异质结构具有更强光生电子-空穴分离能力。核黄素介导的间接电子传递对于半导体-微生物界面强化AO7脱色至关重要。相比于II型异质结构,直接Z型异质结构不仅可以更加快速地促进半导体-微生物界面的电子传递,同时也为AO7脱色提供更强的还原驱动力。直接Z型异质结构促进了Shewanella oneidensis MR-1细胞内NAD+/NADH循环,增强了Shewanella oneidensis MR-1对AO7的还原能力。转录组结果表明,由于CSCN1的独特的直接Z型异质结构,Shewanella oneidensis MR-1的Mtr通路和导电菌毛受到刺激作用从而加快了胞外电子传递过程。合适的异质结构和电子传递中介是影响半导体-微生物界面性能的重要因素。针对半导体光生电子-空穴复合率高以及吡啶废水含氮高的问题,开发了用于强化吡啶去除及同步脱氮的电辅助光驱动生物降解系统（EBPS）。反应器性能和微生物结构分析表明光电刺激在吡啶降解和微生物种群结构优化起到关键性作用。通过优化系统参数（吡啶浓度,回流比和光阳极电位）,发现在光阳极电位400 m V vs.Ag/Ag Cl,水力停留时间（HRT）60 h,回流比为300%时EBPS性能最优越。此时尽管没有额外电子供体和受体,吡啶的去除速率仍旧高达0.50 kg m-3 d-1,氮素脱除率也高达97.87±0.01%。光电刺激可以促进功能物种,即吡啶降解菌属（Rhodococcus菌属、Hydrogenophaga菌属、Truepera菌属和Thermovirga菌属）、反硝化菌属（Thiobacillus菌属、Thioalkalispira菌属和Rhodococcus菌属）和电活性菌属（Thiobacillus菌属、Thermovirga菌属、Hydrogenophaga菌属、Thioalkalispira菌属和Rhodococcus菌属）在阴极生物膜内占优生长。PICRUSt2分析显示,EBPS中与吡啶降解（chn B、amh X、gab D、sad和ALDH5A1）、反硝化（nar G/H/I、nap A/B、nir K、nor C和nos Z）和胞外电子传递（mtr A/C、fcc A、men C/G和rib A）相关的功能基因表达在光电刺激下显著增强。EBPS在吡啶废水的强化降解及同步脱氮处理方面具有广阔的应用前景。