本书由国家科学技术学术著作出版基金与福建农林大学研究生教材出版基金资助出版。本书共12章，编写过程中力求内容具有前沿性、系统性和科学性，反映国内外最新的研究动态，全面总结环境微生物电化学的基本原理与应用现状。全书主要内容包括电化学理论基础、电活性微生物的理论基础、环境中的电活性物质、电活性微生物表征技术、微生物电化学系统、微生物电化学与碳循环、微生物电化学与氮循环、微生物电化学与铁循环、微生物电化学与硫循环、微生物电化学与重金属转化、微生物电化学与有机污染物降解等。
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第一章 绪论 1
第一节 环境微生物电化学概论 1
一、环境微生物电化学的起源 1
二、环境微生物电化学的理论基础 5
第二节 环境微生物电化学的研究范畴 11
一、研究对象 11
二、研究内容 13
三、研究手段 13
四、应用前景 14
第三节 环境微生物电化学的研究现状 17
一、基础理论研究现状 17
二、应用研究现状 22
三、未来发展趋势及展望 26
参考文献 27
第二章 电化学理论基础 33
第一节 基本定义和研究内容 35
一、电化学的基本定义 35
二、电化学的研究内容 35
第二节 电化学的基本元素 36
一、电解质溶液 36
二、电化学体系 41
第三节 电极/溶液界面的结构与性质 42
一、理想极化电极 42
二、电毛细现象 43
第四节 电化学热力学基础 45
一、可逆性 45
二、平衡电极电位 46
三、不可逆电极及其电位 47
第五节 电极过程动力学 48
一、分解电压与极化 48
二、电极/溶液界面间的传质过程 53
三、电化学步骤的动力学 55
第六节 双电层与电动力学效应 58
一、双电层模型 58
二、GCS分散层模型的推导 61
三、双电层电容 63
第七节 电子转移理论模型 64
一、电子转移理论模型的提出 64
二、Marcus微观模型 64
参考文献 68
第三章 电活性微生物的理论基础 70
第一节 电活性微生物 70
一、电活性微生物的分类 70
二、电子传递的概念 72
三、电子传递与微生物产能代谢 73
四、电活性微生物的产能代谢特性 79
第二节 产电微生物 80
一、典型产电微生物 80
二、输出胞外电子机制 82
第三节 电营养微生物 87
一、典型电营养微生物 87
二、电营养微生物吸收胞外电子机制 89
第四节 电活性微生物的多样性及生态位 91
一、电活性微生物的多样性 92
二、电活性微生物的生态位 97
参考文献 101
第四章 环境中的电活性物质 109
第一节 环境中的天然电活性物质 109
一、氧化还原活性矿物 109
二、天然有机大分子物质 115
三、天然有机小分子物质 119
第二节 环境中的人工电活性物质 122
一、生物炭 122
二、碳纳米材料 126
三、石墨烯及其复合物 129
四、其他合成材料 130
参考文献 132
第五章 电活性微生物表征技术 139
第一节 经典电化学表征技术 139
一、伏安法 139
二、电化学交流阻抗法 144
三、塔费尔曲线 147
第二节 光谱及光谱电化学联用技术 149
一、光谱技术 149
二、光谱电化学联用技术 152
第三节 新型表征技术及应用 160
一、电子转移能力测定 160
二、微生物胞外呼吸活性表征 161
三、基于光纤探针的光谱电化学新方法 163
四、基于叉指电极的原位光谱电化学新方法 166
第四节 案例分析 168
一、案例一：信号分子影响 EAB电活性的电化学研究 168
二、案例二：基于过氧化氢酶活性和丝网印刷电极的细胞色素c检测方法研究 171
参考文献 175
第六章 微生物电化学系统 178
第一节 微生物电化学系统原理 178
一、概念与原理 178
二、基本特性和性能参数 180
三、反应器材料及构造 181
第二节 电极微生物研究进展 187
一、阳极电活性微生物 187
二、阴极电活性微生物 191
第三节 环境微生物电化学系统类型 198
一、微生物燃料电池 198
二、微生物脱盐电池 203
三、微生物电解池 204
四、微生物太阳能电池 205
五、微生物电合成系统 206
六、系统放大 208
七、系统耦合集成 210
第四节 微生物电化学系统的应用 213
一、电能生产 213
二、污水处理 215
三、增值化学品合成 216
四、污染原位修复 218
参考文献 221
第七章 微生物电化学与碳循环 230
第一节 碳循环 230
第二节 有机碳矿化过程 231
一、铁矿物介导的有机碳矿化 231
二、锰矿物介导的有机碳矿化 233
三、腐殖质介导的有机碳矿化 234
第三节 有机碳厌氧消化产甲烷过程 235
一、电极介导的有机碳厌氧消化产甲烷 235
二、导电物质介导的有机碳厌氧消化产甲烷 237
三、电子穿梭体介导的有机碳厌氧消化产甲烷 239
第四节 甲烷氧化过程 240
一、甲烷好氧氧化 241
二、甲烷厌氧氧化 243
第五节 CO2还原固定过程 246
一、电能驱动CO2还原固定 246
二、光电能驱动CO2还原固定 248
第六节 案例分析 251
一、案例一：赤泥促进污泥厌氧消化产甲烷的性能研究 251
二、案例二：甲烷厌氧氧化微生物的富集及产电性能研究 253
三、案例三：非光合细菌利用自光敏化将太阳能转化为乙酸 256
参考文献 260
第八章 微生物电化学与氮循环 266
第一节 氮的生物地球化学循环 266
一、氮循环的基本过程 266
二、氮循环的关键反应 266
第二节 微生物电化学驱动的反硝化过程 272
一、铁依赖性反硝化 273
二、反硝化型甲烷厌氧氧化 276
三、腐殖质介导硝酸盐还原 280
四、光电营养反硝化 282
第三节 微生物电化学驱动的氨氧化过程 284
一、铁氨氧化 284
二、硫酸型氨氧化 287
三、电氨氧化 289
第四节 微生物电化学驱动的氮固定过程 290
一、光电营养固氮 290
二、电化学微生物固氮 292
第五节 案例分析 293
一、案例一：光电营养反硝化过程去除寡营养水体硝酸盐 293
二、案例二：DAMO-anammox过程去除水体氮 296
三、案例三：电极驱动的土壤硝酸盐还原过程 298
参考文献 301
第九章 微生物电化学与铁循环 305
第一节 环境中的铁循环 305
一、铁的生物地球化学与矿物学 305
二、铁的生物地球化学循环 307
三、微生物介导的铁氧化还原循环 308
第二节 微生物铁还原 310
一、微生物铁还原起源 310
二、铁还原关键微生物 310
三、铁还原机制研究进展 315
第三节 微生物铁氧化 319
一、微生物铁氧化起源 319
二、铁氧化关键微生物 320
三、铁氧化机制研究进展 324
第四节 案例分析 326
一、案例一：连续上行生物滤清器中硝酸盐依赖性 Fe(Ⅱ)氧化的自养反硝化作用 326
二、案例二：甲烷氧化古菌的甲烷厌氧氧化耦合铁（Ⅲ）还原 330
参考文献 333
第十章 微生物电化学与硫循环 340
第一节 硫循环 340
一、硫的存在形态 340
二、硫循环的基本过程 340
三、硫循环微生物 341
第二节 硫的微生物电化学氧化 343
一、硫化物氧化耦合氧还原 343
二、硫化物氧化耦合硝酸盐还原 347
三、硫化物氧化耦合铁还原 348
四、硫化物氧化与电极还原 350
第三节 硫的微生物电化学还原 351
一、硫酸盐还原耦合甲烷氧化 351
二、硫酸盐还原耦合铁氧化 352
三、单质硫还原耦合乙醇氧化 354
第四节 案例分析 354
一、案例一：种间电子互营作用下的硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化 354
二、案例二：海洋沉积物中硫化物氧化与硝酸盐还原的耦合 356
三、案例三：硫化物氧化耦合电极还原 357
参考文献 360
第十一章 微生物电化学与重金属转化 364
第一节 重金属的迁移与转化 364
一、重金属的迁移 364
二、重金属的转化 365
第二节 铬 366
一、微生物铁还原驱动的铬转化 366
二、电极/光电子驱动的铬转化 368
第三节 镉 370
一、铁还原驱动的镉转化 370
二、电极还原驱动的镉转化 372
第四节 铅 373
一、铁还原驱动的铅转化 373
二、电极还原驱动的铅转化 373
第五节 铀 374
一、铁还原驱动的铀转化 375
二、电极/光电子驱动的铀转化 376
第六节 砷 378
一、铁还原驱动的砷转化 378
二、电极/光电子驱动的砷转化 381
第七节 其他重金属 382
一、铁还原驱动的其他重金属转化 382
二、电极还原驱动的其他重金属转化 382
第八节 案例分析 384
一、案例一：腐殖质和生物炭电子媒介体促进淹水稻田土壤中的砷还原和释放 384
二、案例二：微生物燃料电池驱动的土壤重金属转化及其研究 388
三、案例三：光电子协同微生物电化学系统促进铬转化研究 390
参考文献 392
第十二章 微生物电化学与有机污染物降解 399
第一节 微生物电化学有机污染物降解类型 400
一、微生物铁/锰呼吸介导的有机污染物降解 401
二、微生物腐殖质呼吸介导的有机污染物降解 402
三、微生物电极呼吸介导的有机污染物降解 403
第二节 微生物电化学降解有机污染物的系统构建及影响因素 404
一、微生物电化学系统构建 405
二、影响有机污染物生物电化学降解的环境因素 410
三、有机污染物降解的强化措施 413
第三节 微生物电化学有机污染物处理技术研究进展 415
一、生物阳极有机污染物降解 415
二、生物阴极有机污染物降解 416
三、生物阳极-阴极联合降解有机污染物 418
第四节 案例分析 419
一、案例一：原油污染土壤微生物电化学修复 419
二、案例二：1,4-二氧杂环己烷的微生物电化学降解：设计、过程及可持续性研究 424
参考文献 428
索引 437
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