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