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Methanogens 76
三、Geobacter sulfurreducens至Thiobacillus denitrificans 78
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MFC 179
二、单室MFC 180
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 FC 209
二、蓝藻-M FC 211
三、光合细菌MFC 213
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