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第一章 微生物胞外呼吸概论1

第一节 微生物胞外呼吸的发现1

第二节 微生物的产能代谢1

一、呼吸3

二、发酵7

第三节 微生物胞外呼吸7

一、铁/锰呼吸9

二、腐殖质呼吸9

三、产电呼吸10

四、胞外呼吸的应用10

参考文献12

第二章 胞外呼吸菌的分离纯化及遗传改造14

第一节 胞外呼吸菌的分离纯化14

一、样品采集14

二、Fe（III）/腐殖质还原菌的分离筛选14

三、产电菌的分离筛选21

第二节 纯菌的胞外呼吸属性验证22

一、腐殖质还原22

二、Fe（III）还原22

三、电极还原22

第三节 生理生化特性的鉴定23

一、生理指标鉴定23

二、生化特性的鉴定26

三、分子生物学特性的鉴定27

第四节 胞外呼吸菌种保藏28

一、厌氧菌甘油保藏28

二、厌氧菌冷冻干燥保藏28

第五节 胞外呼吸菌的遗传改造29

一、对胞外呼吸菌自身的遗传改造29

二、胞外呼吸菌基因的外源表达31

三、设计“超级细菌”的构想35

四、胞外呼吸菌遗传改造面临的挑战38

第六节 研究案例38

一、案例1：利用U形微生物燃料电池分离胞外产电菌Ochrobactrumanthropi YZ-1（Zuo et al.，2008）38

二、案例2：Thermincola ferriacetica sp.nov.，一株具有异化Fe（III）还原能力的厌氧、嗜热、兼性化能自养菌（Zavarzina et al.，2007）42

三、案例3：Thauera humireducens sp.nov.，一株分离自微生物燃料电池的腐殖质还原菌（Yang et al.，2013）45

四、小结47

参考文献47

第三章 微生物胞外呼吸的电子传递机制52

第一节 电子从细胞内膜传递到细胞外膜：胞内电子传递链52

第二节 电子从细胞外膜传递到电子受体：从胞内到胞外53

一、细胞色素c（c-type cytochromes，Cyt c）55

二、纳米导线（nanowire）58

三、电子穿梭体（中介体）64

第三节 微生物直接种间电子传递：从细胞至细胞73

一、Geobacter属至Geobacter属74

二、Geobacter属至Methanogens76

三、Geobacter sulfurreducens至Thiobacillus denitrificans78

四、厌氧甲烷氧化古菌至硫还原细菌80

参考文献80

第四章 铁呼吸86

第一节 环境中的铁元素86

一、土壤中的铁氧化物86

二、铁在生物代谢中的重要性88

第二节 土壤中的铁循环88

一、微生物Fe（II）氧化89

二、Fe（III）还原92

第三节 铁呼吸94

一、铁呼吸原理94

二、铁还原菌98

第四节 铁呼吸的环境效应102

一、有机污染物降解103

二、无机污染物防治104

三、生物成矿105

第五节 研究案例105

一、案例1：有机氯的生物还原脱氯（李晓敏等，2009）105

二、案例2：铁还原菌驱动的偶氮染料脱色降解（武春媛等，2013）107

三、案例3：水铁矿-腐殖酸共沉淀物的异化还原与形态转化（Shimizu et al.，2013）109

四、小结112

参考文献112

第五章 腐殖质呼吸119

第一节 环境中的腐殖质119

一、腐殖质的定义及形成119

二、腐殖质的组成及基本性质120

三、腐殖质的吸附特性121

四、腐殖质的电化学性质123

五、腐殖质的环境修复属性124

第二节 腐殖质呼吸的原理及影响因素125

一、腐殖质呼吸的电子接受位点125

二、腐殖质电子转移容量表征126

三、腐殖质呼吸的影响因素127

四、增强腐殖质电子转移能力的措施129

第三节 腐殖质呼吸与铁呼吸的异同及关系129

一、电子受体的特点129

二、腐殖质呼吸菌与铁呼吸菌130

三、腐殖质呼吸与铁呼吸130

第四节 腐殖质呼吸的生态学意义131

一、作为电子受体加速有机碳厌氧矿化及难降解污染物的降解131

二、作为电子穿梭体介导金属脱毒及有机污染物厌氧降解131

三、作为电子供体促进高氧化态电子受体的还原及减少温室气体的排放133

第五节 研究案例134

一、案例1：有机污染物甲基叔丁基醚（MTBE）的生物降解（Finneran and Lovley，2001）134

二、案例2：固态胡敏素介导五氯苯酚（PCP）的生物还原脱氯（Zhang and Katayama，2012）135

三、案例3：腐殖质介导2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）的还原脱氯（王弋博等，2011）137

四、小结138

参考文献139

第六章 产电呼吸143

第一节 产电细菌与电极相互作用143

第二节 电活性生物膜144

第三节 EAB研究方法145

一、EAB培养成膜145

二、EAB三维结构表征146

三、EAB电化学表征147

第四节 研究案例160

一、案例一：电化学方法研究EAB活性对pH的响应机制（Yuan et al.，2011）160

二、案例二：表面增强拉曼光谱表征EAB界面电子转移动力学过程（Ly et al.，2013）163

三、案例三：接种物影响EAB形成和性能的微生物机制研究（Miceli et al.，2012）165

四、小结167

参考文献168

第七章 微生物燃料电池技术170

第一节 微生物燃料电池原理170

一、阳极底物生物氧化171

二、阳极还原176

三、外电路电子传输176

四、质子迁移176

五、阴极反应177

第二节 微生物燃料电池（MFC）构型179

一、双室MFC179

二、单室MFC180

第三节 微生物燃料电池（MFC）材料182

一、隔膜182

二、阳极材料182

三、阴极催化剂184

第四节 MFC放大及应用中试186

一、MFC的放大186

二、MFC技术应用的瓶颈问题188

三、应用案例189

参考文献192

第八章 MXC技术196

第一节 微生物电解池产氢技术196

一、基本原理196

二、MEC产氢系统设计与运行197

第二节 微生物电合成系统200

一、基本原理200

二、微生物200

三、电能来源201

四、电子传递方式202

第三节 微生物脱盐燃料电池203

一、基本原理203

二、研究进展204

第四节 生物电芬顿系统207

一、生物电芬顿系统工作原理207

二、生物电芬顿系统的发展状况208

第五节 微生物太阳能电池209

一、植物-M FC209

二、蓝藻-M FC211

三、光合细菌MFC213

第六节 应用案例214

一、案例一：以乙酸钠为底物的电化学辅助微生物产氢（Liu and Logan，2005）214

二、案例二：一种新的脱盐微生物脱盐电池（Cao et al.，2009）215

三、案例三：阳极COD去除耦合阴极染料脱色的新型生物电芬顿系统研究216

参考文献218

第九章 原位生物修复技术222

第一节 原位生物修复技术简介222

一、定义222

二、微生物代谢222

三、有机物转化223

四、污染物反应机制224

第二节 基于胞外呼吸的生物修复原理224

一、污染物作为电子供体225

二、污染物作为电子受体226

三、电子中介体强化修复过程228

第三节 应用领域229

一、石油烃类污染土壤的原位修复229

二、重金属原位修复230

三、微生物脱氯232

第四节 应用案例233

一、插入式微生物燃料电池原位修复河道底泥（Yuan et al.，2010）233

二、极化电极作为电子供体进行生物还原脱氯（Aulenta et al.，2009）236

三、利用地杆菌原位修复铀污染地下水（Anderson et al.，2003）237

参考文献239

第十章 生物电化学器件243

第一节 BOD传感器243

一、基本原理243

二、具体实现形式244

第二节 毒性传感器246

一、基本原理247

二、具体实现形式248

第三节 生物计算器件249

一、基本原理250

二、具体实现形式250

第四节 电容器件252

一、基本原理253

二、具体实现形式253

第五节 植入式医用电池254

一、基本原理255

二、具体实现形式256

第六节 应用案例256

一、污水BOD检测256

二、镉离子毒性检测258

参考文献260

第十一章 天然生物地球电池效应：形成机制与生态学意义262

第一节 天然生物地球电池效应263

一、“人工”生物地球电池263

二、天然生物地球电池263

第二节 天然生物地球电池形成机制266

第三节 天然生物地球电池研究方法267

一、自然电位267

二、复电阻270

三、微电极271

四、超声波273

第四节 天然生物地球电池效应模型274

第五节 天然生物地球电池效应生态学意义276

一、有机碳矿化277

二、温室气体排放277

三、元素地球化学循环277

四、污染土壤生物自净278

第六节 展望279

参考文献279

索引283

后记287