目錄
第一章 緒論 1
第一節(jié) 環(huán)境微生物電化學(xué)概論 1
一、環(huán)境微生物電化學(xué)的起源 1
二、環(huán)境微生物電化學(xué)的理論基礎(chǔ) 5
第二節(jié) 環(huán)境微生物電化學(xué)的研究范疇 11
一、研究對(duì)象 11
二、研究?jī)?nèi)容 13
三、研究手段 13
四、應(yīng)用前景 14
第三節(jié) 環(huán)境微生物電化學(xué)的研究現(xiàn)狀 17
一、基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)狀 17
二、應(yīng)用研究現(xiàn)狀 22
三、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)及展望 26
參考文獻(xiàn) 27
第二章 電化學(xué)理論基礎(chǔ) 33
第一節(jié) 基本定義和研究?jī)?nèi)容 35
一、電化學(xué)的基本定義 35
二、電化學(xué)的研究?jī)?nèi)容 35
第二節(jié) 電化學(xué)的基本元素 36
一、電解質(zhì)溶液 36
二、電化學(xué)體系 41
第三節(jié) 電極/溶液界面的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 42
一、理想極化電極 42
二、電毛細(xì)現(xiàn)象 43
第四節(jié) 電化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ) 45
一、可逆性 45
二、平衡電極電位 46
三、不可逆電極及其電位 47
第五節(jié) 電極過(guò)程動(dòng)力學(xué) 48
一、分解電壓與極化 48
二、電極/溶液界面間的傳質(zhì)過(guò)程 53
三、電化學(xué)步驟的動(dòng)力學(xué) 55
第六節(jié) 雙電層與電動(dòng)力學(xué)效應(yīng) 58
一、雙電層模型 58
二、GCS分散層模型的推導(dǎo) 61
三、雙電層電容 63
第七節(jié) 電子轉(zhuǎn)移理論模型 64
一、電子轉(zhuǎn)移理論模型的提出 64
二、Marcus微觀模型 64
參考文獻(xiàn) 68
第三章 電活性微生物的理論基礎(chǔ) 70
第一節(jié) 電活性微生物 70
一、電活性微生物的分類 70
二、電子傳遞的概念 72
三、電子傳遞與微生物產(chǎn)能代謝 73
四、電活性微生物的產(chǎn)能代謝特性 79
第二節(jié) 產(chǎn)電微生物 80
一、典型產(chǎn)電微生物 80
二、輸出胞外電子機(jī)制 82
第三節(jié) 電營(yíng)養(yǎng)微生物 87
一、典型電營(yíng)養(yǎng)微生物 87
二、電營(yíng)養(yǎng)微生物吸收胞外電子機(jī)制 89
第四節(jié) 電活性微生物的多樣性及生態(tài)位 91
一、電活性微生物的多樣性 92
二、電活性微生物的生態(tài)位 97
參考文獻(xiàn) 101
第四章 環(huán)境中的電活性物質(zhì) 109
第一節(jié) 環(huán)境中的天然電活性物質(zhì) 109
一、氧化還原活性礦物 109
二、天然有機(jī)大分子物質(zhì) 115
三、天然有機(jī)小分子物質(zhì) 119
第二節(jié) 環(huán)境中的人工電活性物質(zhì) 122
一、生物炭 122
二、碳納米材料 126
三、石墨烯及其復(fù)合物 129
四、其他合成材料 130
參考文獻(xiàn) 132
第五章 電活性微生物表征技術(shù) 139
第一節(jié) 經(jīng)典電化學(xué)表征技術(shù) 139
一、伏安法 139
二、電化學(xué)交流阻抗法 144
三、塔費(fèi)爾曲線 147
第二節(jié) 光譜及光譜電化學(xué)聯(lián)用技術(shù) 149
一、光譜技術(shù) 149
二、光譜電化學(xué)聯(lián)用技術(shù) 152
第三節(jié) 新型表征技術(shù)及應(yīng)用 160
一、電子轉(zhuǎn)移能力測(cè)定 160
二、微生物胞外呼吸活性表征 161
三、基于光纖探針的光譜電化學(xué)新方法 163
四、基于叉指電極的原位光譜電化學(xué)新方法 166
第四節(jié) 案例分析 168
一、案例一：信號(hào)分子影響 EAB電活性的電化學(xué)研究 168
二、案例二：基于過(guò)氧化氫酶活性和絲網(wǎng)印刷電極的細(xì)胞色素c檢測(cè)方法研究 171
參考文獻(xiàn) 175
第六章 微生物電化學(xué)系統(tǒng) 178
第一節(jié) 微生物電化學(xué)系統(tǒng)原理 178
一、概念與原理 178
二、基本特性和性能參數(shù) 180
三、反應(yīng)器材料及構(gòu)造 181
第二節(jié) 電極微生物研究進(jìn)展 187
一、陽(yáng)極電活性微生物 187
二、陰極電活性微生物 191
第三節(jié) 環(huán)境微生物電化學(xué)系統(tǒng)類型 198
一、微生物燃料電池 198
二、微生物脫鹽電池 203
三、微生物電解池 204
四、微生物太陽(yáng)能電池 205
五、微生物電合成系統(tǒng) 206
六、系統(tǒng)放大 208
七、系統(tǒng)耦合集成 210
第四節(jié) 微生物電化學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用 213
一、電能生產(chǎn) 213
二、污水處理 215
三、增值化學(xué)品合成 216
四、污染原位修復(fù) 218
參考文獻(xiàn) 221
第七章 微生物電化學(xué)與碳循環(huán) 230
第一節(jié) 碳循環(huán) 230
第二節(jié) 有機(jī)碳礦化過(guò)程 231
一、鐵礦物介導(dǎo)的有機(jī)碳礦化 231
二、錳礦物介導(dǎo)的有機(jī)碳礦化 233
三、腐殖質(zhì)介導(dǎo)的有機(jī)碳礦化 234
第三節(jié) 有機(jī)碳厭氧消化產(chǎn)甲烷過(guò)程 235
一、電極介導(dǎo)的有機(jī)碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 235
二、導(dǎo)電物質(zhì)介導(dǎo)的有機(jī)碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 237
三、電子穿梭體介導(dǎo)的有機(jī)碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 239
第四節(jié) 甲烷氧化過(guò)程 240
一、甲烷好氧氧化 241
二、甲烷厭氧氧化 243
第五節(jié) CO2還原固定過(guò)程 246
一、電能驅(qū)動(dòng)CO2還原固定 246
二、光電能驅(qū)動(dòng)CO2還原固定 248
第六節(jié) 案例分析 251
一、案例一：赤泥促進(jìn)污泥厭氧消化產(chǎn)甲烷的性能研究 251
二、案例二：甲烷厭氧氧化微生物的富集及產(chǎn)電性能研究 253
三、案例三：非光合細(xì)菌利用自光敏化將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為乙酸 256
參考文獻(xiàn) 260
第八章 微生物電化學(xué)與氮循環(huán) 266
第一節(jié) 氮的生物地球化學(xué)循環(huán) 266
一、氮循環(huán)的基本過(guò)程 266
二、氮循環(huán)的關(guān)鍵反應(yīng) 266
第二節(jié) 微生物電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的反硝化過(guò)程 272
一、鐵依賴性反硝化 273
二、反硝化型甲烷厭氧氧化 276
三、腐殖質(zhì)介導(dǎo)硝酸鹽還原 280
四、光電營(yíng)養(yǎng)反硝化 282
第三節(jié) 微生物電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的氨氧化過(guò)程 284
一、鐵氨氧化 284
二、硫酸型氨氧化 287
三、電氨氧化 289
第四節(jié) 微生物電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的氮固定過(guò)程 290
一、光電營(yíng)養(yǎng)固氮 290
二、電化學(xué)微生物固氮 292
第五節(jié) 案例分析 293
一、案例一：光電營(yíng)養(yǎng)反硝化過(guò)程去除寡營(yíng)養(yǎng)水體硝酸鹽 293
二、案例二：DAMO-anammox過(guò)程去除水體氮 296
三、案例三：電極驅(qū)動(dòng)的土壤硝酸鹽還原過(guò)程 298
參考文獻(xiàn) 301
第九章 微生物電化學(xué)與鐵循環(huán) 305
第一節(jié) 環(huán)境中的鐵循環(huán) 305
一、鐵的生物地球化學(xué)與礦物學(xué) 305
二、鐵的生物地球化學(xué)循環(huán) 307
三、微生物介導(dǎo)的鐵氧化還原循環(huán) 308
第二節(jié) 微生物鐵還原 310
一、微生物鐵還原起源 310
二、鐵還原關(guān)鍵微生物 310
三、鐵還原機(jī)制研究進(jìn)展 315
第三節(jié) 微生物鐵氧化 319
一、微生物鐵氧化起源 319
二、鐵氧化關(guān)鍵微生物 320
三、鐵氧化機(jī)制研究進(jìn)展 324
第四節(jié) 案例分析 326
一、案例一：連續(xù)上行生物濾清器中硝酸鹽依賴性 Fe(Ⅱ)氧化的自養(yǎng)反硝化作用 326
二、案例二：甲烷氧化古菌的甲烷厭氧氧化耦合鐵（Ⅲ）還原 330
參考文獻(xiàn) 333
第十章 微生物電化學(xué)與硫循環(huán) 340
第一節(jié) 硫循環(huán) 340
一、硫的存在形態(tài) 340
二、硫循環(huán)的基本過(guò)程 340
三、硫循環(huán)微生物 341
第二節(jié) 硫的微生物電化學(xué)氧化 343
一、硫化物氧化耦合氧還原 343
二、硫化物氧化耦合硝酸鹽還原 347
三、硫化物氧化耦合鐵還原 348
四、硫化物氧化與電極還原 350
第三節(jié) 硫的微生物電化學(xué)還原 351
一、硫酸鹽還原耦合甲烷氧化 351
二、硫酸鹽還原耦合鐵氧化 352
三、單質(zhì)硫還原耦合乙醇氧化 354
第四節(jié) 案例分析 354
一、案例一：種間電子互營(yíng)作用下的硫酸鹽還原-甲烷厭氧氧化 354
二、案例二：海洋沉積物中硫化物氧化與硝酸鹽還原的耦合 356
三、案例三：硫化物氧化耦合電極還原 357
參考文獻(xiàn) 360
第十一章 微生物電化學(xué)與重金屬轉(zhuǎn)化 364
第一節(jié) 重金屬的遷移與轉(zhuǎn)化 364
一、重金屬的遷移 364
二、重金屬的轉(zhuǎn)化 365
第二節(jié) 鉻 366
一、微生物鐵還原驅(qū)動(dòng)的鉻轉(zhuǎn)化 366
二、電極/光電子驅(qū)動(dòng)的鉻轉(zhuǎn)化 368
第三節(jié) 鎘 370
一、鐵還原驅(qū)動(dòng)的鎘轉(zhuǎn)化 370
二、電極還原驅(qū)動(dòng)的鎘轉(zhuǎn)化 372
第四節(jié) 鉛 373
一、鐵還原驅(qū)動(dòng)的鉛轉(zhuǎn)化 373
二、電極還原驅(qū)動(dòng)的鉛轉(zhuǎn)化 373
第五節(jié) 鈾 374
一、鐵還原驅(qū)動(dòng)的鈾轉(zhuǎn)化 375
二、電極/光電子驅(qū)動(dòng)的鈾轉(zhuǎn)化 376
第六節(jié) 砷 378
一、鐵還原驅(qū)動(dòng)的砷轉(zhuǎn)化 378
二、電極/光電子驅(qū)動(dòng)的砷轉(zhuǎn)化 381
第七節(jié) 其他重金屬 382
一、鐵還原驅(qū)動(dòng)的其他重金屬轉(zhuǎn)化 382
二、電極還原驅(qū)動(dòng)的其他重金屬轉(zhuǎn)化 382
第八節(jié) 案例分析 384
一、案例一：腐殖質(zhì)和生物炭電子媒介體促進(jìn)淹水稻田土壤中的砷還原和釋放 384
二、案例二：微生物燃料電池驅(qū)動(dòng)的土壤重金屬轉(zhuǎn)化及其研究 388
三、案例三：光電子協(xié)同微生物電化學(xué)系統(tǒng)促進(jìn)鉻轉(zhuǎn)化研究 390
參考文獻(xiàn) 392
第十二章 微生物電化學(xué)與有機(jī)污染物降解 399
第一節(jié) 微生物電化學(xué)有機(jī)污染物降解類型 400
一、微生物鐵/錳呼吸介導(dǎo)的有機(jī)污染物降解 401
二、微生物腐殖質(zhì)呼吸介導(dǎo)的有機(jī)污染物降解 402
三、微生物電極呼吸介導(dǎo)的有機(jī)污染物降解 403
第二節(jié) 微生物電化學(xué)降解有機(jī)污染物的系統(tǒng)構(gòu)建及影響因素 404
一、微生物電化學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建 405
二、影響有機(jī)污染物生物電化學(xué)降解的環(huán)境因素 410
三、有機(jī)污染物降解的強(qiáng)化措施 413
第三節(jié) 微生物電化學(xué)有機(jī)污染物處理技術(shù)研究進(jìn)展 415
一、生物陽(yáng)極有機(jī)污染物降解 415
二、生物陰極有機(jī)污染物降解 416
三、生物陽(yáng)極-陰極聯(lián)合降解有機(jī)污染物 418
第四節(jié) 案例分析 419
一、案例一：原油污染土壤微生物電化學(xué)修復(fù) 419
二、案例二：1,4-二氧雜環(huán)己烷的微生物電化學(xué)降解：設(shè)計(jì)、過(guò)程及可持續(xù)性研究 424
參考文獻(xiàn) 428
索引 437