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周顺桂等 著，周顺桂 编

店铺： 英敏图书专卖店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030500533

商品编码：11566377330

包装：圆脊精装

开本：16

出版时间：2016-10-21

页数：308

字数：450

商品参数

微生物胞外呼吸：原理与应用
	曾用价	168.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年10月
	开本	16
	作者	周顺桂 等
	装帧	圆脊精装
	页数	308
	字数	450
	ISBN编码	9787030500533

内容介绍
本书以微生物胞外呼吸为中心，系统阐述了土壤微生物胞外呼吸的基础理论、研究技术及其应用；并结合前人的研究成果，展望了微生物胞外呼吸的未来研究方向和应用潜能。尽管本书可能还不足以满足专业研究的全部需要，但却是一本快速掌握微生物胞外呼吸原理及应用的基础并开展研究的重要著作，相信会对我国学者开展此类研究提供重要的参考信息。

目录
目录
前言
术语表
弟一章 微生物胞外呼吸概论1
弟一节 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
弟一节 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OchrobactrumanthropiYZ-1（Zuoetal,2008）38
二、案例2：Thermincolaferriaceticaspnov，一株具有异化Fe(Ⅲ)还原能力的厌氧、嗜热、兼性化能自养菌（Zavarzinaetal,2007）42
三、案例3：Thauerahumireducensspnov，一株分离自微生物燃料电池的腐殖质还原菌（Yangetal,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
弟一节 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-typecytochromes,Cytc）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Methanogens76
三、Geobactersulfurreducens至Thiobacillusdenitrificans78
四、厌氧甲烷氧化古菌至硫还原细菌79
参考文献80
第四章 铁呼吸86
弟一节 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（Shimizuetal,2013）109
四、小结112
参考文献112
第五章 腐殖质呼吸119
弟一节 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（FinneranandLovley,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（ZhangandKatayama,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
弟一节 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（Yuanetal,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（Lyetal,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（Micelietal,2012）165
四、小结167
参考文献168
第七章 微生物燃料电池技术170
弟一节 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MFC179
二、单室MFC180
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
弟一节 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-MFC209
二、蓝藻-MFC211
三、光合细菌MFC213
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（LiuandLogan,2005）214
二、案例二：一种新的脱盐微生物脱盐电池（Caoetal,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
弟一节 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（Yuanetal,2010）233
二、极化电极作为电子供体进行生物还原脱氯（Aulentaetal,2009）236
三、利用地杆菌原位修复铀污染地下水（Andersonetal,2003）237
参考文献239
第十章 生物电化学器件243
弟一节 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
弟一节 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
后记283
索引285

在线试读
弟一章 微生物胞外呼吸概论
弟一节 微生物胞外呼吸的发现
微生物胞外呼吸（extracellular respiration）是近年来发现的新型微生物能量代谢形式，是指厌氧条件下，微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体使其还原，并产生能量维持微生物自身生长的过程。在胞外电子传递（extracellular electron transport）被发现之前，科学家普遍认为电子传递只是在细胞内进行，对真核生物而言，电子传递链存在于线粒体膜上，原核生物没有线粒体，其电子传递链存在于细胞质膜上。直到科学家发现革兰氏阴性菌Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter metallireducens（Lovley and Phillips, 1988；Myers and Nealson, 1988）能利用胞外的铁氧化物或锰氧化物作为末端电子受体， 产生能量和维持细胞生长（dissimilatory metal reduction，异化金属还原），才使人们意识到细菌能够将电子传递给胞外的固体基质（如铁、锰的氧化物）。此后，不仅在革兰氏阴性菌，也在革兰氏阳性菌和古菌中发现异化金属还原活性（Lovley, 2006；Weber et al., 2006）。铁呼吸［Fe(Ⅲ) respiration］是zui早被确认的微生物胞外呼吸，又被称为异化铁还原，是指微生物以胞外不溶性铁氧化物为末端电子受体，通过氧化电子供体偶联Fe(Ⅲ)还原，并产生生命活动所需能量的过程。尽管在20 世纪初，Fe(Ⅲ)还原就已被认知，但长期以来，铁呼吸被误认为只是化学反应，微生物作用被忽视，直到1987 年弟一个具有Fe(Ⅲ)还原活性的金属还原地杆菌（Geobacter metallireducens）被分离出来后，这个微生物群才被详细研究。随着研究的深入发展，越来越多的胞外呼吸基质被发现，包括不可溶的金属矿物（铁锰呼吸）、电极（产电呼吸）、可溶的腐殖质及其他有机组分（腐殖质呼吸）。
微生物胞外呼吸的发现具有重要的科学意义及应用价值：它的发现拓宽了人们对微生物呼吸多样性的认识，可为微生物呼吸方式的进化和微生物多样性的研究提供科学依据；胞外呼吸在污染物原位修复、污水处理与生物质能的回收（如微生物产电技术）等方面表现出重要的应用前景。随着生物化学和遗传学方面的研究进一步深入，我们对微生物胞外呼吸的机制将会有更深入更全面的认识。
第二节 微生物的产能代谢
任何生物体的生命活动都必须有能量驱动，产能代谢为生命活动提供能量保障，生物产能代谢的基础是氧化还原反应（图1-1）。物质失去电子称为氧化，含有氢的物质在失去电子的同时伴随着脱氢或加氧；物质获得电子称为还原，在获得电子的同时可能伴随着加氢或脱氧。氧化和还原是两个相反而且偶联的反应，二者不能分开独立完成，即一物质的氧化必然伴随着另一物质的还原，称为氧化还原反应。实际上，生物体内发生的许多反应都是氧化还原反应，在氧化还原反应中，凡是失去电子的物质称为电子供体，得到电子的物质称为电子受体。各种基质给出电子而被氧化和接受电子而被还原的趋势是不同的，这种趋势称为基质的还原势（reduction potential）。生物体进行的氧化还原反应中，电子从zui初供体转移到zui终受体，一般都需要经由中间载体（电子传递体），全反应过程的净能量变化决定于zui初供体和zui终受体之间的还原势之差。
图1-1 生物产能代谢的基础——氧化还原反应
Fig. 1-1 Redox reaction is the basis of biological metabolism and energy production
生物体产能代谢主要途径包括呼吸（respiration）和发酵（fermentation）。代谢（metabolism）即发生在生物体细胞内的所有生物化学反应的总称，包括分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）。在分解代谢过程中较大和较复杂的分子被分解成较小、较简单的分子，并伴随能量的产生和释放。分解代谢一般可分为三个阶段：弟一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将弟一阶段的产物进一步降解为较简单的乙酰CoA、丙酮酸及能进入三羧酸循环的中间产物，在第二阶段产生一些ATP、NADH 及FADH2；第三阶段通过三羧酸循环将第二阶段的产物完全降解成CO2，并产生ATP、NADH 及FADH2。NADH及FADH2 等电子载体通过细胞膜上的电子传递链即呼吸链被氧化并产生大量ATP 的过程即为呼吸（respiration）。在分解代谢过程中，底物如只是部分氧化而未完全氧化，并且不需其他外源电子受体，而是通过底物水平磷酸化产生少量能量的过程称为发酵（fermentation）。底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation, SLP）是指代谢中间产物上的高能磷酸基团直接转移到ADP 分子上形成ATP 的作用，是发酵途径中自由能获取的主要方式。呼吸与发酵作用的根本区别在于：呼吸作用中，电子载体不是将电子直接传递给被部分降解的中间产物，而是与呼吸链的电子传递系统偶联，是电子沿呼吸链传递并到达电子传递系统末端交给zui终电子受体，在电子传递过程中逐步释放出能量并合成ATP。
一、呼吸
产能代谢中底物降解释放出的电子，通过呼吸链即电子传递链zui终传递给外源电子受体O2 或氧化型化合物，从而生成H2O 或还原性产物并释放能量的过程称为呼吸或呼吸作用。呼吸又可根据在呼吸链末端接受电子的是氧还是氧以外的氧化型物质，将其分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。以分子氧作为zui终电子受体的称为有氧呼吸（aerobic respiration），而以氧以外的外源氧化型化合物作为zui终电子受体的称为无氧呼吸（anaerobic respiration）。
对生物体来说，呼吸作用具有非常重要的生理意义，这主要表现在以下两个方面：①呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分贮存在ATP 中。当ATP 在酶的作用下分解时，就把贮存的能量释放出来用于各项生命活动，如细胞分裂、矿质元素的吸收等。②呼吸过程能为体内其他化合物的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物，可以作为合成体内一些重要化合物的原料，如葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。
（一）有氧呼吸
有氧呼吸也称好氧呼吸，是zui为普遍的生物氧化产能方式。微生物能量代谢中的有氧呼吸可根据呼吸基质即能源物质的性质分为两种类型：一是主要以有机能源物质为呼吸基质的化能异养型微生物中存在的有氧呼吸；二是以无机能源物质为呼吸基质的化能自养型微生物中存在的有氧呼吸。这两种类型的呼吸作用的共同特点是它们的zui终电子受体均为氧。
1. 以有机物为呼吸基质的有氧呼吸
葡萄糖是异养微生物zui易利用的能源和碳源。葡萄糖经过分解代谢的第二阶段后形成的丙酮酸在有氧条件下先转变为乙酰CoA（acetyl-coenzyme A），随即进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA 循环），被彻底氧化成CO2 和水，同时释放出大量能量（图1-2）。
图1-2 原核微生物碳代谢概况（以葡萄糖为例）
Fig. 1-2 Carbon metabolism of prokaryote (glucose as example)
2. 以无机物为呼吸基质的有氧呼吸
好氧或兼性的化能无机自养型微生物能从无机化合物的氧化过程中获取能量。它们能以无机物如NH4+、NO2–、H2S、S0、H2 和Fe2+等为呼吸基质，把它们作为电子供体，氧为zui终电子受体，电子供体被氧化后释放的电子经过呼吸链和氧化磷酸化合成ATP，为还原同化CO2 提供能量。因此化能自养菌一般是好氧菌。这类好氧型的化能无机自养型微生物分别属于氢细菌、硫化细菌、硝化细菌和铁细菌等。这些细菌广泛分布于土壤和水域，对自然界的生物地球化学循环起着重要的作用。化能自养微生物对底物的要求具有严格的专一性，即用作能源的无机物及其代谢途径缺乏统一性。如硝化细菌不能氧化无机硫化物，同样，硫化细菌也不能氧化亚硝酸盐。
（1）氨的氧化
NH3 与亚硝酸（NO2–）是可以用作能源的zui普通的无机氮化合物，能被硝化细菌所氧化。硝化细菌可分为两个亚群：亚硝化细菌和硝化细菌。氨氧化为硝酸的过程可分为两个阶段，先由亚硝化细菌将氨氧化为亚硝酸，再由硝化细菌将亚硝酸氧化为硝酸，即由氨氧化为硝酸是通过这两类细菌依次进行的。硝化细菌都是一些专性好氧的革兰氏阳性菌，以分子氧为zui终电子受体，且大多数是专性无机营养型。它们的细胞都具有复杂的膜内褶结构，这有利于增加细胞的代谢能力。硝化细菌无芽胞，多数为二分裂殖，生长缓慢，平均代时在10 h 以上，分布非常广泛。
（2）硫的氧化
硫杆菌能够利用一种或多种还原态或部分还原态的硫化合物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸盐、多硫酸盐和亚硫酸盐）作为能源。H2S shou先被氧化成元素硫，随之被硫氧化酶和细胞色素系统氧化成亚硫酸盐，放出的电子在传递过程中可以偶联产生4个ATP。亚硫酸盐的氧化可分为两条途径，一是直接氧化成SO42–的途径，由亚硫酸盐-细胞色素c 还原酶和末端细胞色素系统催化，产生一个ATP；二是经磷酸腺苷硫酸的氧化途径，每氧化一分子SO4
2–产生5个ATP。
（3）铁的氧化
从亚铁到高价态铁的氧化，对于少数细菌来说也是一种产能反应，但从这种氧化中只有少量的能量可以被利用。在低pH 环境中，亚铁氧化菌能利用亚铁氧化时放出的能量生长。在该菌的呼吸链中发现了一种含铜蛋白质，它与几种细胞色素c 和一种细胞色素a1 氧化酶构成电子传递链。在电子传递到氧的过程中细胞质内有质子消耗，从而驱动用ATP 的合成。
（4）氢的氧化
氢细菌都是一些呈革兰氏阴性的兼性化能自养菌。它们能利用分子氢氧化产生的能量同化CO2，也能利用其他有机物生长。氢细菌的细胞膜上有泛醌、维生素 K2 及细胞色素等呼吸链组分。在该菌中，电子直接从氢传递给电子传递系统，电子在呼吸链传递过程中产生了ATP。在多数氢细菌中有两种与氢的氧化有关的酶。一种是位于壁膜间隙或结合在细胞质膜上的不需NAD+的颗粒状氧化酶，它能够催化以下反应：
H2→2H+ + 2e–
该酶在氧化氢并通过电子传递系统传递电子的过程中，可驱动质子的跨膜运输，形成跨膜质子梯度，为ATP 的合成提供动力。另一种是可溶性氢化酶，它能催化氢的氧化，而使NAD+还原，所生成的NADH 主要用于CO2 的还原。
与异养微生物比较，化能自养微生物的能量代谢有3 个主要特点：
1）无机底物的氧化直接与呼吸链偶联，即无机底物有脱氢酶或氧化还原酶催化脱氢或脱电子后，随即进入呼吸链传递；
2）呼吸链更具多样性，不同的化能自养型微生物呼吸链组成成分与长短不一；
3）产能效率一般低于化能异养型微生物，各种无机底物的氧化与呼吸链偶联的具体位点，取决于被氧化底物的氧化还原电位，其氧化后释放的电子进入呼吸链的位置也不一样。
（二）无氧呼吸
无氧呼吸亦称厌氧呼吸。某些厌氧和兼性厌氧微生物在无氧条件下能进行无氧呼吸。在无氧呼吸中，作为zui终电子受体的物质不是分子氧，而是NH4+、NO2–、SO42–、S2O32–、CO2 等外源含氧无机化合物，一些氧化态金属和少数有机分子也能作为zui终电子受体（表1-1）。与发酵不同，无氧呼吸需要细胞色素等电子传递体，并在能量分级释放过程中伴随有氧化磷酸化作用而生成ATP，也能产生较多能量。但由于部分能量在没有充分释放之前就随电子传递给了zui终电子受体，故产生的能量比有氧呼吸少。在无氧呼吸中，作为能源和碳源的呼吸基质一般是有机物（如葡萄糖、乙酸等），通过无氧呼吸也可被彻底氧化成CO2，并伴随ATP 的生成。
表1-1 参与呼吸过程的电子受体
Tab. 1-1 The electron acceptor in respiration
有些细菌能用硝酸盐作为电子传递链终端的电子受体，并产生ATP，这个过程通常称为硝酸盐异化还原。硝酸盐还原酶取代细胞色素氧化酶将硝酸盐还原成亚硝酸盐。
但是，硝酸盐还原成亚硝酸盐并不是产生ATP 的有效方式，且形成的亚硝酸盐也是致癌物质。因此硝酸盐通常进一步还原成氮气，即反硝化作用。
假单胞菌属、副球菌属和芽胞杆菌属中的一些种可进行反硝化作用，它们选择性地

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