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第1章 生物电化学系统：面向环境和工业生物技术的新方法 1

1.1 燃料电池和生物电学 1

1.2 基本原理 4

1.2.1 微生物与电流 4

1.2.2 生物电化学系统中的微生物群落 5

1.2.3 从微生物代谢到电流产生 6

1.3 测量指标和性能评价 7

1.3.1 电势测量 7

1.3.2 基于速率的性能评价指标 8

1.3.3 基于效率的性能评价指标 8

1.4 应用 9

1.5 致谢 10

参考文献 10

第2章 微生物利用生物质产能 14

2.1 生物质：储存在有机物中的太阳能 14

2.2 生物质的含能量 15

2.3 由生物质生产生物乙醇 17

2.4 厌氧产甲烷消化：废物稳定化与能源化 18

2.4.1 工艺性能 18

2.4.2 产甲烷微生物学 20

2.4.3 厌氧消化中胞外电子传递的重要性 21

2.4.4 厌氧消化的应用 22

2.5 生物质产氢 26

2.6 展望 27

参考文献 27

第3章 酶燃料电池及其与BES/MFC的互补关系 30

3.1 引言 30

3.2 微生物燃料电池和酶燃料电池的相似点 33

3.2.1 生物反应器设计 33

3.2.2 原位生物反应器类型 34

3.2.3 阳极电解液中的催化剂 34

3.2.4 催化剂和／或介体固定 34

3.2.5 直接电子传递催化剂 35

3.3 MET和DET系统的催化剂来源 35

3.4 微生物燃料电池和酶燃料电池的性质比较 37

3.5 酶生物燃料电池中的酶 37

3.6 燃料的深度／完全氧化 39

3.7 结论 40

参考文献 40

第4章 基于可溶性化合物的电子穿梭 45

4.1 引言 45

4.2 氧化还原穿梭体 46

4.3 早期的实验研究 47

4.4 外源性氧化还原介体 48

4.4.1 人造介体 48

4.4.2 地表下环境中的天然氧化还原介体 49

4.5 内源性氧化还原介体 50

4.5.1 已知的由微生物产生的氧化还原介体 51

4.5.2 未确定的内源性氧化还原介体 53

4.6 溶解性氧化还原中介体的鉴定方法 54

4.6.1 恒电位仪控制的电化学电池 54

4.6.2 环境条件 54

4.6.3 序批式实验 54

4.6.4 培养基配方 54

4.6.5 电化学方法 55

4.6.6 介体转化 55

4.6.7 介体的化学结构 55

4.7 溶解性氧化还原介体穿梭与微生物代谢的相关性 55

4.8 生物电化学系统中的溶解性氧化还原穿梭体 56

4.8.1 微生物燃料电池 56

参考文献 57

第5章 从微生物到电子活性表面的直接电子传递 62

5.1 简介 62

5.2 胞外电子传递——微生物联结 63

5.2.1 与胞外电子传递相关的膜的局部位点 63

5.2.2 细菌纳米导线 67

5.2.3 纳米导线的特征 69

5.3 胞外电子传递的生态学意义 71

参考文献 73

第6章 生物电化学系统中的基因改造微生物 78

6.1 引言 78

6.2 希瓦菌和硫还原地杆菌的胞外呼吸 78

6.3 采用异源基因进行表达的原因 81

6.4 在大肠杆菌中进行异源基因表达的方法和挑战 82

6.5 生物技术应用——研制“超级细菌” 85

6.5.1 “超级细菌”在BES中的应用 85

6.5.2 应用于生物修复的“超级细菌” 86

6.6 结束语 87

参考文献 87

第7章 电化学损失 92

7.1 简介 92

7.2 各部分的电化学损失 92

7.2.1 活化极化 93

7.2.2 欧姆极化 94

7.2.3 浓差极化（传质和反应极化） 96

7.2.4 反应物交互扩散——内部电流 98

7.2.5 阴阳两极间pH分化 99

7.3 方法 100

7.3.1 测量极化曲线的实验方法 100

7.4 结论 102

参考文献 102

第8章 分析生物电化学系统的电化学方法 104

8.1 循环伏安法研究电极上微生物的电子传递 104

8.1.1 简介 104

8.1.2 周转和非周转伏安实验 106

8.2 塔菲尔曲线在生物电化学系统研究中的重要性 112

8.2.1 简介 112

8.2.2 利用塔菲尔曲线评价微生物燃料电池性能 114

8.3 利用电化学交流阻抗图谱（EIS）评价生物电化学系统的电化学特性 121

8.3.1 简介 121

8.3.2 实验仪器和方法 122

8.3.3 EIS数据的显示和分析 123

8.3.4 利用阻抗图谱测定关键电化学参数 125

8.3.5 微生物燃料电池研究中电化学阻抗图谱的应用 126

8.4 结论 130

参考文献 131

第9章 生物电化学系统中的材料 138

9.1 简介 138

9.1.1 电极的比表面积和材料成本 139

9.2 MFC中的电极材料 139

9.2.1 阳极材料 139

9.2.2 阴极材料 141

9.2.3 膜 144

9.3 其他材料 146

9.3.1 电流收集器 146

9.3.2 导线、电阻和负载 147

9.4 微生物电解池的材料 147

9.5 结论和展望 149

参考文献 149

第10章 影响BES性能的技术因素及规模化的瓶颈 153

10.1 简介 153

10.2 BES应用于污水处理时涉及的限制因素 154

10.2.1 占地面积和能量效率 154

10.2.2 电导率的影响 156

10.2.3 缓冲液浓度的影响 158

10.2.4 是否设置膜分隔 158

10.3 放大试验设计限制因素 159

10.3.1 放大试验和电压损失 159

10.3.2 流体力学和力学 160

10.4 成本和材料的选择 160

10.4.1 材料特性和成本 160

10.4.2 阳极 160

10.4.3 阴极 161

10.4.4 膜 162

10.5 克服设计限制因素 162

10.5.1 限制因素和应对措施 162

参考文献 164

第11章 有机物氧化 167

11.1 引言 167

11.2 呼吸作用下氧化生成二氧化碳 168

11.3 微生物燃料电池阳极的发酵 171

11.4 发酵微生物与嗜阳极微生物的共生作用 174

11.5 产甲烷菌对发酵产物的竞争性利用 175

11.6 发酵产物的电催化氧化 176

11.7 总结 177

参考文献 177

第12章 生物电化学系统中硫化物的转化 180

12.1 简介 180

12.2 各种形态硫的特征 180

12.2.1 单质硫 180

12.2.2 硫化物与多硫化物 181

12.2.3 硫酸盐和其他氧化态阴离子 181

12.2.4 水溶液中各种形态硫的电化学电势与pH的关系 181

12.3 现有的硫化物和硫酸盐去除技术 183

12.3.1 硫化物去除技术 183

12.3.2 硫酸盐去除技术 184

12.3.3 现有脱硫技术的评价 184

12.4 非生物电化学方法去除水中硫化物 185

12.4.1 简介 185

12.4.2 硫化物的自发氧化与产电 186

12.4.3 硫化物氧化的终产物 187

12.4.4 电沉积单质硫的特征 188

12.5 BES去除水中硫化物 189

12.5.1 简介 189

12.5.2 硫化物在生物电池中的氧化 190

12.6 展望 192

参考文献 192

第13章 生物电化学系统中的化学催化阴极 196

13.1 简介 196

13.2 氧还原反应（ORR） 197

13.2.1 简介 197

13.2.2 氧还原催化剂 198

13.2.3 MFC的阴极构型 200

13.3 析氢反应（HER） 201

13.3.1 简介 201

13.3.2 析氢催化剂 204

13.3.3 MEC阴极构型 206

13.4 前景 208

参考文献 208

第14章 反应器中的生物电化学还原 214

14.1 简介 214

14.2 好氧生物阴极 215

14.3 缺氧和厌氧生物阴极 217

14.4 生物阴极上的电子转移 221

14.5 限制因素 224

14.6 展望 225

参考文献 225

第15章 生物电化学系统应用于地下污染修复 231

15.1 土壤和地下蓄水层污染的生物修复 231

15.2 化学与电化学电子传递途径的比较 231

15.2.1 氯代烃 233

15.2.2 无机污染物 237

15.3 面向实地应用的展望、前景和挑战 240

参考文献 242

第16章 深海底泥微生物燃料电池的理论、发展和应用 247

16.1 简介 247

16.2 底泥氧化还原化学的基本原理 247

16.3 深海底泥微生物燃料电池（BMFC）的设计原理和测试方法 248

16.4 阳极材料和设计 249

16.5 阴极材料与设计 250

16.6 BMFC设计过程中性能和实用性思考 251

16.7 BMFC的微生物生态学 253

16.8 控制功率输出的因素 255

16.9 BMFC规模化和环境多变性 256

16.10 BMFC的商业可行性 257

参考文献 258

第17章 微生物燃料电池作为生化需氧量和毒性传感器 262

17.1 引言 262

17.1.1 基于溶解氧探头的BOD传感器 262

17.1.2 光度BOD传感器 263

17.1.3 滴定和呼吸运动传感器 263

17.1.4 带介体的电化学BOD传感器 264

17.2 无介体的微生物燃料电池 265

17.2.1 电化学活性细菌 265

17.2.2 电化学活性菌群的富集 265

17.2.3 无介体MFC的微生物学 266

17.2.4 MFC的性能优化 267

17.3 MFC作为BOD传感器的设计和性能 267

17.3.1 MFC测定大于10mg/L的BOD值 268

17.3.2 MFC测定小于10mg/L的BOD值 270

17.3.3 含有氧和硝酸盐样品的BOD测定 271

17.4 MFC作为毒性传感器 272

17.5 结论 272

17.6 致谢 272

参考文献 273

第18章 生物电化学系统可转化利用的原料 278

18.1 简介 278

18.2 BES利用的确定基质 279

18.2.1 VFA和其他发酵终产物 280

18.2.2 可溶性碳水化合物、氨基酸和异生物质 283

18.3 BES利用的复杂基质和污水 284

18.3.1 纤维素类给料 284

18.3.2 几丁质 285

18.3.3 生活污水 285

18.3.4 模拟工业废水和实际工业废水 286

18.4 给料成分的其他方面 287

18.5 污水处理工艺中的给料和BES的整合 288

18.6 结论 292

18.7 致谢 292

参考文献 293

第19章 BES与污水和污泥处理系统的整合 297

19.1 引言 297

19.2 BES作为独立的处理单元或者置于活性污泥处理系统之后对污水进行深度处理 298

19.3 在BES系统之前进行有机废水的酸化预处理 300

19.4 通过厌氧消化池将污泥稳定化后进入BES系统 301

19.5 利用BES阴极产生的碱度控制厌氧消化反应器的pH 303

19.6 利用BES阴极的反硝化作用去除水中的营养成分 303

19.7 BES阴极产生用于污水处理的化学品 304

19.8 展望 305

参考文献 305

第20章 小型适用的BES配套设备 309

20.1 引言 309

20.2 人工共生 309

20.3 微生物燃料电池及其构型 310

20.3.1 外围设备的定义 310

20.3.2 搭建功率分配器 312

20.3.3 保证连续自动运行的最低外设要求 313

20.3.4 电池组的复杂性 313

20.3.5 微生物电解池在有电能输入时将有机物转化为其他形式的能量（氢气或甲烷） 316

20.3.6 微生物电解池消耗电能同时驱动目标反应（如反硝化） 316

参考文献 317

第21章 生物电化学系统的数学模拟 318

21.1 简介 318

21.2 数学模型 318

21.2.1 模型特征 319

21.2.2 模型特征对模型使用者的影响 320

21.3 生物电化学系统的数学建模目标 321

21.4 生物电化学系统数学建模的关键元素 322

21.5 现有的生物电化学系统模型 323

21.6 生物电化学系统当今面临的挑战 328

21.6.1 生物电极动力学 328

21.6.2 电子传递机制 330

21.6.3 微生物活性：生物能量学和动力学 330

21.6.4 物质传递——对流、扩散和迁移 333

21.6.5 生物膜与空间模型 334

21.7 生物电化学建模的前景 334

参考文献 335

第22章 展望：研究方向和生物电化学系统的新型应用 338

22.1 注重应用研究 338

22.2 基础理论研究 338

22.2.1 认识生物电化学工艺的基本原理 338

22.2.2 从实际出发的创新性基础理论研究 340

22.3 应用研究面临的机遇 340

22.3.1 当前研究的贡献和不足 340

22.3.2 生物电化学系统是否可以用于污水处理 342

22.3.3 生物电化学系统的最佳功能是产电吗？ 343

22.4 潜在的新型BES的应用 343

22.4.1 阴极还原的新选择 343

22.4.2 阳极氧化的新选择 345

22.5 生物电化学系统与实际处理系统的集成 345

22.6 生物电化学系统未来发展的展望 346

参考文献 347