目錄
第一章 緒論 1
第一節(jié) 環(huán)境微生物電化學概論 1
一、環(huán)境微生物電化學的起源 1
二、環(huán)境微生物電化學的理論基礎(chǔ) 5
第二節(jié) 環(huán)境微生物電化學的研究范疇 11
一、研究對象 11
二、研究內(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、未來發(fā)展趨勢及展望 26
參考文獻 27
第二章 電化學理論基礎(chǔ) 33
第一節(jié) 基本定義和研究內(nèi)容 35
一、電化學的基本定義 35
二、電化學的研究內(nèi)容 35
第二節(jié) 電化學的基本元素 36
一、電解質(zhì)溶液 36
二、電化學體系 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、電毛細現(xiàn)象 43
第四節(jié) 電化學熱力學基礎(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) 電極過程動力學 48
一、分解電壓與極化 48
二、電極/溶液界面間的傳質(zhì)過程 53
三、電化學步驟的動力學 55
第六節(jié) 雙電層與電動力學效應(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 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、輸出胞外電子機制 82
第三節(jié) 電營養(yǎng)微生物 87
一、典型電營養(yǎng)微生物 87
二、電營養(yǎng)微生物吸收胞外電子機制 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 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、天然有機大分子物質(zhì) 115
三、天然有機小分子物質(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 132
第五章 電活性微生物表征技術(shù) 139
第一節(jié) 經(jīng)典電化學表征技術(shù) 139
一、伏安法 139
二、電化學交流阻抗法 144
三、塔費爾曲線 147
第二節(jié) 光譜及光譜電化學聯(lián)用技術(shù) 149
一、光譜技術(shù) 149
二、光譜電化學聯(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新方法 163
四、基于叉指電極的原位光譜電化學新方法 166
第四節(jié) 案例分析 168
一、案例一：信號分子影響 EAB電活性的電化學研究 168
二、案例二：基于過氧化氫酶活性和絲網(wǎng)印刷電極的細胞色素c檢測方法研究 171
參考文獻 175
第六章 微生物電化學系統(tǒng) 178
第一節(jié) 微生物電化學系統(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) 電極微生物研究進展 187
一、陽極電活性微生物 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、增值化學品合成 216
四、污染原位修復(fù) 218
參考文獻 221
第七章 微生物電化學與碳循環(huán) 230
第一節(jié) 碳循環(huán) 230
第二節(jié) 有機碳礦化過程 231
一、鐵礦物介導(dǎo)的有機碳礦化 231
二、錳礦物介導(dǎo)的有機碳礦化 233
三、腐殖質(zhì)介導(dǎo)的有機碳礦化 234
第三節(jié) 有機碳厭氧消化產(chǎn)甲烷過程 235
一、電極介導(dǎo)的有機碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 235
二、導(dǎo)電物質(zhì)介導(dǎo)的有機碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 237
三、電子穿梭體介導(dǎo)的有機碳厭氧消化產(chǎn)甲烷 239
第四節(jié) 甲烷氧化過程 240
一、甲烷好氧氧化 241
二、甲烷厭氧氧化 243
第五節(jié) CO2還原固定過程 246
一、電能驅(qū)動CO2還原固定 246
二、光電能驅(qū)動CO2還原固定 248
第六節(jié) 案例分析 251
一、案例一：赤泥促進污泥厭氧消化產(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：非光合細菌利用自光敏化將太陽能轉(zhuǎn)化為乙酸 256
參考文獻 260
第八章 微生物電化學與氮循環(huán) 266
第一節(jié) 氮的生物地球化學循環(huán) 266
一、氮循環(huán)的基本過程 266
二、氮循環(huán)的關(guān)鍵反應(yīng) 266
第二節(jié) 微生物電化學驅(qū)動的反硝化過程 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、光電營養(yǎng)反硝化 282
第三節(jié) 微生物電化學驅(qū)動的氨氧化過程 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) 微生物電化學驅(qū)動的氮固定過程 290
一、光電營養(yǎng)固氮 290
二、電化學微生物固氮 292
第五節(jié) 案例分析 293
一、案例一：光電營養(yǎng)反硝化過程去除寡營養(yǎng)水體硝酸鹽 293
二、案例二：DAMO-anammox過程去除水體氮 296
三、案例三：電極驅(qū)動的土壤硝酸鹽還原過程 298
參考文獻 301
第九章 微生物電化學與鐵循環(huán) 305
第一節(jié) 環(huán)境中的鐵循環(huán) 305
一、鐵的生物地球化學與礦物學 305
二、鐵的生物地球化學循環(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、鐵還原機制研究進展 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、鐵氧化機制研究進展 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 333
第十章 微生物電化學與硫循環(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)的基本過程 340
三、硫循環(huán)微生物 341
第二節(jié) 硫的微生物電化學氧化 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 360
第十一章 微生物電化學與重金屬轉(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)動的鉻轉(zhuǎn)化 366
二、電極/光電子驅(qū)動的鉻轉(zhuǎn)化 368
第三節(jié) 鎘 370
一、鐵還原驅(qū)動的鎘轉(zhuǎn)化 370
二、電極還原驅(qū)動的鎘轉(zhuǎn)化 372
第四節(jié) 鉛 373
一、鐵還原驅(qū)動的鉛轉(zhuǎn)化 373
二、電極還原驅(qū)動的鉛轉(zhuǎn)化 373
第五節(jié) 鈾 374
一、鐵還原驅(qū)動的鈾轉(zhuǎn)化 375
二、電極/光電子驅(qū)動的鈾轉(zhuǎn)化 376
第六節(jié) 砷 378
一、鐵還原驅(qū)動的砷轉(zhuǎn)化 378
二、電極/光電子驅(qū)動的砷轉(zhuǎn)化 381
第七節(jié) 其他重金屬 382
一、鐵還原驅(qū)動的其他重金屬轉(zhuǎn)化 382
二、電極還原驅(qū)動的其他重金屬轉(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)同微生物電化學系統(tǒng)促進鉻轉(zhuǎn)化研究 390
參考文獻 392
第十二章 微生物電化學與有機污染物降解 399
第一節(jié) 微生物電化學有機污染物降解類型 400
一、微生物鐵/錳呼吸介導(dǎo)的有機污染物降解 401
二、微生物腐殖質(zhì)呼吸介導(dǎo)的有機污染物降解 402
三、微生物電極呼吸介導(dǎo)的有機污染物降解 403
第二節(jié) 微生物電化學降解有機污染物的系統(tǒng)構(gòu)建及影響因素 404
一、微生物電化學系統(tǒng)構(gòu)建 405
二、影響有機污染物生物電化學降解的環(huán)境因素 410
三、有機污染物降解的強化措施 413
第三節(jié) 微生物電化學有機污染物處理技術(shù)研究進展 415
一、生物陽極有機污染物降解 415
二、生物陰極有機污染物降解 416
三、生物陽極-陰極聯(lián)合降解有機污染物 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修復(fù) 419
二、案例二：1,4-二氧雜環(huán)己烷的微生物電化學降解：設(shè)計、過程及可持續(xù)性研究 424
參考文獻 428
索引 437