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周順桂等 著，周順桂 編

店鋪： 英敏圖書專賣店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030500533

商品編碼：11566377330

包裝：圓脊精裝

開本：16

齣版時間：2016-10-21

頁數：308

字數：450

商品參數

微生物胞外呼吸：原理與應用
	曾用價	168.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2016年10月
	開本	16
	作者	周順桂 等
	裝幀	圓脊精裝
	頁數	308
	字數	450
	ISBN編碼	9787030500533

內容介紹
本書以微生物胞外呼吸為中心，係統闡述瞭土壤微生物胞外呼吸的基礎理論、研究技術及其應用；並結閤前人的研究成果，展望瞭微生物胞外呼吸的未來研究方嚮和應用潛能。盡管本書可能還不足以滿足專業研究的全部需要，但卻是一本快速掌握微生物胞外呼吸原理及應用的基礎並開展研究的重要著作，相信會對我國學者開展此類研究提供重要的參考信息。

目錄
目錄
前言
術語錶
弟一章 微生物胞外呼吸概論1
弟一節 微生物胞外呼吸的發現1
第二節 微生物的産能代謝1
一、呼吸3
二、發酵7
第三節 微生物胞外呼吸7
一、鐵/錳呼吸9
二、腐殖質呼吸9
三、産電呼吸10
四、胞外呼吸的應用10
參考文獻12
第二章 胞外呼吸菌的分離純化及遺傳改造14
弟一節 胞外呼吸菌的分離純化14
一、樣品采集14
二、Fe(Ⅲ)/腐殖質還原菌的分離篩選14
三、産電菌的分離篩選21
第二節 純菌的胞外呼吸屬性驗證22
一、腐殖質還原22
二、Fe(Ⅲ)還原22
三、電極還原22
第三節 生理生化特性的鑒定23
一、生理指標鑒定23
二、生化特性的鑒定26
三、分子生物學特性的鑒定27
第四節 胞外呼吸菌種保藏28
一、厭氧菌甘油保藏28
二、厭氧菌冷凍乾燥保藏28
第五節 胞外呼吸菌的遺傳改造29
一、對胞外呼吸菌自身的遺傳改造29
二、胞外呼吸菌基因的外源錶達31
三、設計“超級細菌”的構想35
四、胞外呼吸菌遺傳改造麵臨的挑戰38
第六節 研究案例38
一、案例1：利用U形微生物燃料電池分離胞外産電菌OchrobactrumanthropiYZ-1（Zuoetal,2008）38
二、案例2：Thermincolaferriaceticaspnov，一株具有異化Fe(Ⅲ)還原能力的厭氧、嗜熱、兼性化能自養菌（Zavarzinaetal,2007）42
三、案例3：Thauerahumireducensspnov，一株分離自微生物燃料電池的腐殖質還原菌（Yangetal,2013）45
四、小結47
參考文獻47
第三章 微生物胞外呼吸的電子傳遞機製52
弟一節 電子從細胞內膜傳遞到細胞外膜：胞內電子傳遞鏈52
第二節 電子從細胞外膜傳遞到電子受體：從胞內到胞外53
一、細胞色素c（c-typecytochromes,Cytc）55
二、納米導綫（nanowire）58
三、電子穿梭體（中介體）64
第三節 微生物直接種間電子傳遞：從細胞至細胞73
一、Geobacter屬至Geobacter屬74
二、Geobacter屬至Methanogens76
三、Geobactersulfurreducens至Thiobacillusdenitrificans78
四、厭氧甲烷氧化古菌至硫還原細菌79
參考文獻80
第四章 鐵呼吸86
弟一節 環境中的鐵元素86
一、土壤中的鐵氧化物86
二、鐵在生物代謝中的重要性88
第二節 土壤中的鐵循環88
一、微生物Fe(Ⅱ)氧化89
二、Fe(Ⅲ)還原92
第三節 鐵呼吸94
一、鐵呼吸原理94
二、鐵還原菌98
第四節 鐵呼吸的環境效應102
一、有機汙染物降解103
二、無機汙染物防治104
三、生物成礦105
第五節 研究案例105
一、案例1：有機氯的生物還原脫氯（李曉敏等，2009）105
二、案例2：鐵還原菌驅動的偶氮染料脫色降解（武春媛等，2013）107
三、案例3：水鐵礦-腐殖酸共沉澱物的異化還原與形態轉化（Shimizuetal,2013）109
四、小結112
參考文獻112
第五章 腐殖質呼吸119
弟一節 環境中的腐殖質119
一、腐殖質的定義及形成119
二、腐殖質的組成及基本性質120
三、腐殖質的吸附特性121
四、腐殖質的電化學性質123
五、腐殖質的環境修復屬性124
第二節 腐殖質呼吸的原理及影響因素125
一、腐殖質呼吸的電子接受位點125
二、腐殖質電子轉移容量錶徵126
三、腐殖質呼吸的影響因素127
四、增強腐殖質電子轉移能力的措施129
第三節 腐殖質呼吸與鐵呼吸的異同及關係129
一、電子受體的特點129
二、腐殖質呼吸菌與鐵呼吸菌130
三、腐殖質呼吸與鐵呼吸130
第四節 腐殖質呼吸的生態學意義131
一、作為電子受體加速有機碳厭氧礦化及難降解汙染物的降解131
二、作為電子穿梭體介導金屬脫毒及有機汙染物厭氧降解131
三、作為電子供體促進高氧化態電子受體的還原及減少溫室氣體的排放133
第五節 研究案例134
一、案例1：有機汙染物甲基叔丁基醚（MTBE）的生物降解（FinneranandLovley,2001）134
二、案例2：固態鬍敏素介導五氯苯酚（PCP）的生物還原脫氯（ZhangandKatayama,2012）135
三、案例3：腐殖質介導2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）的還原脫氯（王弋博等，2011）137
四、小結138
參考文獻139
第六章 産電呼吸143
弟一節 産電細菌與電極相互作用143
第二節 電活性生物膜144
第三節 EAB研究方法145
一、EAB培養成膜145
二、EAB三維結構錶徵146
三、EAB電化學錶徵147
第四節 研究案例160
一、案例一：電化學方法研究EAB活性對pH的響應機製（Yuanetal,2011）160
二、案例二：錶麵增強拉曼光譜錶徵EAB界麵電子轉移動力學過程（Lyetal,2013）163
三、案例三：接種物影響EAB形成和性能的微生物機製研究（Micelietal,2012）165
四、小結167
參考文獻168
第七章 微生物燃料電池技術170
弟一節 微生物燃料電池原理170
一、陽極底物生物氧化171
二、陽極還原176
三、外電路電子傳輸176
四、質子遷移176
五、陰極反應177
第二節 微生物燃料電池（MFC）構型179
一、雙室MFC179
二、單室MFC180
第三節 微生物燃料電池（MFC）材料182
一、隔膜182
二、陽極材料182
三、陰極催化劑184
第四節 MFC放大及應用中試186
一、MFC的放大186
二、MFC技術應用的瓶頸問題188
三、應用案例189
參考文獻192
第八章 MXC技術196
弟一節 微生物電解池産氫技術196
一、基本原理196
二、MEC産氫係統設計與運行197
第二節 微生物電閤成係統200
一、基本原理200
二、微生物200
三、電能來源201
四、電子傳遞方式202
第三節 微生物脫鹽燃料電池203
一、基本原理203
二、研究進展204
第四節 生物電芬頓係統207
一、生物電芬頓係統工作原理207
二、生物電芬頓係統的發展狀況208
第五節 微生物太陽能電池209
一、植物-MFC209
二、藍藻-MFC211
三、光閤細菌MFC213
第六節 應用案例214
一、案例一：以乙酸鈉為底物的電化學輔助微生物産氫（LiuandLogan,2005）214
二、案例二：一種新的脫鹽微生物脫鹽電池（Caoetal,2009）215
三、案例三：陽極COD去除耦閤陰極染料脫色的新型生物電芬頓係統研究216
參考文獻218
第九章 原位生物修復技術222
弟一節 原位生物修復技術簡介222
一、定義222
二、微生物代謝222
三、有機物轉化223
四、汙染物反應機製224
第二節 基於胞外呼吸的生物修復原理224
一、汙染物作為電子供體225
二、汙染物作為電子受體226
三、電子中介體強化修復過程228
第三節 應用領域229
一、石油烴類汙染土壤的原位修復229
二、重金屬原位修復230
三、微生物脫氯232
第四節 應用案例233
一、插入式微生物燃料電池原位修復河道底泥（Yuanetal,2010）233
二、極化電極作為電子供體進行生物還原脫氯（Aulentaetal,2009）236
三、利用地杆菌原位修復鈾汙染地下水（Andersonetal,2003）237
參考文獻239
第十章 生物電化學器件243
弟一節 BOD傳感器243
一、基本原理243
二、具體實現形式244
第二節 毒性傳感器246
一、基本原理247
二、具體實現形式248
第三節 生物計算器件249
一、基本原理250
二、具體實現形式250
第四節 電容器件252
一、基本原理253
二、具體實現形式253
第五節 植入式醫用電池254
一、基本原理255
二、具體實現形式256
第六節 應用案例256
一、汙水BOD檢測256
二、鎘離子毒性檢測258
參考文獻260
第十一章 天然生物地球電池效應：形成機製與生態學意義262
弟一節 天然生物地球電池效應263
一、“人工”生物地球電池263
二、天然生物地球電池263
第二節 天然生物地球電池形成機製266
第三節 天然生物地球電池研究方法267
一、自然電位267
二、復電阻270
三、微電極271
四、超聲波273
第四節 天然生物地球電池效應模型274
第五節 天然生物地球電池效應生態學意義276
一、有機碳礦化277
二、溫室氣體排放277
三、元素地球化學循環277
四、汙染土壤生物自淨278
第六節 展望279
參考文獻279
後記283
索引285

在綫試讀
弟一章 微生物胞外呼吸概論
弟一節 微生物胞外呼吸的發現
微生物胞外呼吸（extracellular respiration）是近年來發現的新型微生物能量代謝形式，是指厭氧條件下，微生物在胞內徹底氧化有機物釋放電子，産生的電子經胞內呼吸鏈傳遞到胞外電子受體使其還原，並産生能量維持微生物自身生長的過程。在胞外電子傳遞（extracellular electron transport）被發現之前，科學傢普遍認為電子傳遞隻是在細胞內進行，對真核生物而言，電子傳遞鏈存在於綫粒體膜上，原核生物沒有綫粒體，其電子傳遞鏈存在於細胞質膜上。直到科學傢發現革蘭氏陰性菌Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter metallireducens（Lovley and Phillips, 1988；Myers and Nealson, 1988）能利用胞外的鐵氧化物或錳氧化物作為末端電子受體， 産生能量和維持細胞生長（dissimilatory metal reduction，異化金屬還原），纔使人們意識到細菌能夠將電子傳遞給胞外的固體基質（如鐵、錳的氧化物）。此後，不僅在革蘭氏陰性菌，也在革蘭氏陽性菌和古菌中發現異化金屬還原活性（Lovley, 2006；Weber et al., 2006）。鐵呼吸［Fe(Ⅲ) respiration］是zui早被確認的微生物胞外呼吸，又被稱為異化鐵還原，是指微生物以胞外不溶性鐵氧化物為末端電子受體，通過氧化電子供體偶聯Fe(Ⅲ)還原，並産生生命活動所需能量的過程。盡管在20 世紀初，Fe(Ⅲ)還原就已被認知，但長期以來，鐵呼吸被誤認為隻是化學反應，微生物作用被忽視，直到1987 年弟一個具有Fe(Ⅲ)還原活性的金屬還原地杆菌（Geobacter metallireducens）被分離齣來後，這個微生物群纔被詳細研究。隨著研究的深入發展，越來越多的胞外呼吸基質被發現，包括不可溶的金屬礦物（鐵錳呼吸）、電極（産電呼吸）、可溶的腐殖質及其他有機組分（腐殖質呼吸）。
微生物胞外呼吸的發現具有重要的科學意義及應用價值：它的發現拓寬瞭人們對微生物呼吸多樣性的認識，可為微生物呼吸方式的進化和微生物多樣性的研究提供科學依據；胞外呼吸在汙染物原位修復、汙水處理與生物質能的迴收（如微生物産電技術）等方麵錶現齣重要的應用前景。隨著生物化學和遺傳學方麵的研究進一步深入，我們對微生物胞外呼吸的機製將會有更深入更全麵的認識。
第二節 微生物的産能代謝
任何生物體的生命活動都必須有能量驅動，産能代謝為生命活動提供能量保障，生物産能代謝的基礎是氧化還原反應（圖1-1）。物質失去電子稱為氧化，含有氫的物質在失去電子的同時伴隨著脫氫或加氧；物質獲得電子稱為還原，在獲得電子的同時可能伴隨著加氫或脫氧。氧化和還原是兩個相反而且偶聯的反應，二者不能分開獨立完成，即一物質的氧化必然伴隨著另一物質的還原，稱為氧化還原反應。實際上，生物體內發生的許多反應都是氧化還原反應，在氧化還原反應中，凡是失去電子的物質稱為電子供體，得到電子的物質稱為電子受體。各種基質給齣電子而被氧化和接受電子而被還原的趨勢是不同的，這種趨勢稱為基質的還原勢（reduction potential）。生物體進行的氧化還原反應中，電子從zui初供體轉移到zui終受體，一般都需要經由中間載體（電子傳遞體），全反應過程的淨能量變化決定於zui初供體和zui終受體之間的還原勢之差。
圖1-1 生物産能代謝的基礎——氧化還原反應
Fig. 1-1 Redox reaction is the basis of biological metabolism and energy production
生物體産能代謝主要途徑包括呼吸（respiration）和發酵（fermentation）。代謝（metabolism）即發生在生物體細胞內的所有生物化學反應的總稱，包括分解代謝（catabolism）和閤成代謝（anabolism）。在分解代謝過程中較大和較復雜的分子被分解成較小、較簡單的分子，並伴隨能量的産生和釋放。分解代謝一般可分為三個階段：弟一階段是將蛋白質、多糖及脂類等大分子營養物質降解成氨基酸、單糖及脂肪酸等小分子物質；第二階段是將弟一階段的産物進一步降解為較簡單的乙酰CoA、丙酮酸及能進入三羧酸循環的中間産物，在第二階段産生一些ATP、NADH 及FADH2；第三階段通過三羧酸循環將第二階段的産物完全降解成CO2，並産生ATP、NADH 及FADH2。NADH及FADH2 等電子載體通過細胞膜上的電子傳遞鏈即呼吸鏈被氧化並産生大量ATP 的過程即為呼吸（respiration）。在分解代謝過程中，底物如隻是部分氧化而未完全氧化，並且不需其他外源電子受體，而是通過底物水平磷酸化産生少量能量的過程稱為發酵（fermentation）。底物水平磷酸化（substrate level phosphorylation, SLP）是指代謝中間産物上的高能磷酸基團直接轉移到ADP 分子上形成ATP 的作用，是發酵途徑中自由能獲取的主要方式。呼吸與發酵作用的根本區彆在於：呼吸作用中，電子載體不是將電子直接傳遞給被部分降解的中間産物，而是與呼吸鏈的電子傳遞係統偶聯，是電子沿呼吸鏈傳遞並到達電子傳遞係統末端交給zui終電子受體，在電子傳遞過程中逐步釋放齣能量並閤成ATP。
一、呼吸
産能代謝中底物降解釋放齣的電子，通過呼吸鏈即電子傳遞鏈zui終傳遞給外源電子受體O2 或氧化型化閤物，從而生成H2O 或還原性産物並釋放能量的過程稱為呼吸或呼吸作用。呼吸又可根據在呼吸鏈末端接受電子的是氧還是氧以外的氧化型物質，將其分為有氧呼吸和無氧呼吸兩種類型。以分子氧作為zui終電子受體的稱為有氧呼吸（aerobic respiration），而以氧以外的外源氧化型化閤物作為zui終電子受體的稱為無氧呼吸（anaerobic respiration）。
對生物體來說，呼吸作用具有非常重要的生理意義，這主要錶現在以下兩個方麵：①呼吸作用能為生物體的生命活動提供能量。呼吸作用釋放齣來的能量，一部分轉變為熱能而散失，另一部分貯存在ATP 中。當ATP 在酶的作用下分解時，就把貯存的能量釋放齣來用於各項生命活動，如細胞分裂、礦質元素的吸收等。②呼吸過程能為體內其他化閤物的閤成提供原料。在呼吸過程中所産生的一些中間産物，可以作為閤成體內一些重要化閤物的原料，如葡萄糖分解時的中間産物丙酮酸是閤成氨基酸的原料。
（一）有氧呼吸
有氧呼吸也稱好氧呼吸，是zui為普遍的生物氧化産能方式。微生物能量代謝中的有氧呼吸可根據呼吸基質即能源物質的性質分為兩種類型：一是主要以有機能源物質為呼吸基質的化能異養型微生物中存在的有氧呼吸；二是以無機能源物質為呼吸基質的化能自養型微生物中存在的有氧呼吸。這兩種類型的呼吸作用的共同特點是它們的zui終電子受體均為氧。
1. 以有機物為呼吸基質的有氧呼吸
葡萄糖是異養微生物zui易利用的能源和碳源。葡萄糖經過分解代謝的第二階段後形成的丙酮酸在有氧條件下先轉變為乙酰CoA（acetyl-coenzyme A），隨即進入三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA 循環），被徹底氧化成CO2 和水，同時釋放齣大量能量（圖1-2）。
圖1-2 原核微生物碳代謝概況（以葡萄糖為例）
Fig. 1-2 Carbon metabolism of prokaryote (glucose as example)
2. 以無機物為呼吸基質的有氧呼吸
好氧或兼性的化能無機自養型微生物能從無機化閤物的氧化過程中獲取能量。它們能以無機物如NH4+、NO2–、H2S、S0、H2 和Fe2+等為呼吸基質，把它們作為電子供體，氧為zui終電子受體，電子供體被氧化後釋放的電子經過呼吸鏈和氧化磷酸化閤成ATP，為還原同化CO2 提供能量。因此化能自養菌一般是好氧菌。這類好氧型的化能無機自養型微生物分彆屬於氫細菌、硫化細菌、硝化細菌和鐵細菌等。這些細菌廣泛分布於土壤和水域，對自然界的生物地球化學循環起著重要的作用。化能自養微生物對底物的要求具有嚴格的專一性，即用作能源的無機物及其代謝途徑缺乏統一性。如硝化細菌不能氧化無機硫化物，同樣，硫化細菌也不能氧化亞硝酸鹽。
（1）氨的氧化
NH3 與亞硝酸（NO2–）是可以用作能源的zui普通的無機氮化閤物，能被硝化細菌所氧化。硝化細菌可分為兩個亞群：亞硝化細菌和硝化細菌。氨氧化為硝酸的過程可分為兩個階段，先由亞硝化細菌將氨氧化為亞硝酸，再由硝化細菌將亞硝酸氧化為硝酸，即由氨氧化為硝酸是通過這兩類細菌依次進行的。硝化細菌都是一些專性好氧的革蘭氏陽性菌，以分子氧為zui終電子受體，且大多數是專性無機營養型。它們的細胞都具有復雜的膜內褶結構，這有利於增加細胞的代謝能力。硝化細菌無芽胞，多數為二分裂殖，生長緩慢，平均代時在10 h 以上，分布非常廣泛。
（2）硫的氧化
硫杆菌能夠利用一種或多種還原態或部分還原態的硫化閤物（包括硫化物、元素硫、硫代硫酸鹽、多硫酸鹽和亞硫酸鹽）作為能源。H2S shou先被氧化成元素硫，隨之被硫氧化酶和細胞色素係統氧化成亞硫酸鹽，放齣的電子在傳遞過程中可以偶聯産生4個ATP。亞硫酸鹽的氧化可分為兩條途徑，一是直接氧化成SO42–的途徑，由亞硫酸鹽-細胞色素c 還原酶和末端細胞色素係統催化，産生一個ATP；二是經磷酸腺苷硫酸的氧化途徑，每氧化一分子SO4
2–産生5個ATP。
（3）鐵的氧化
從亞鐵到高價態鐵的氧化，對於少數細菌來說也是一種産能反應，但從這種氧化中隻有少量的能量可以被利用。在低pH 環境中，亞鐵氧化菌能利用亞鐵氧化時放齣的能量生長。在該菌的呼吸鏈中發現瞭一種含銅蛋白質，它與幾種細胞色素c 和一種細胞色素a1 氧化酶構成電子傳遞鏈。在電子傳遞到氧的過程中細胞質內有質子消耗，從而驅動用ATP 的閤成。
（4）氫的氧化
氫細菌都是一些呈革蘭氏陰性的兼性化能自養菌。它們能利用分子氫氧化産生的能量同化CO2，也能利用其他有機物生長。氫細菌的細胞膜上有泛醌、維生素 K2 及細胞色素等呼吸鏈組分。在該菌中，電子直接從氫傳遞給電子傳遞係統，電子在呼吸鏈傳遞過程中産生瞭ATP。在多數氫細菌中有兩種與氫的氧化有關的酶。一種是位於壁膜間隙或結閤在細胞質膜上的不需NAD+的顆粒狀氧化酶，它能夠催化以下反應：
H2→2H+ + 2e–
該酶在氧化氫並通過電子傳遞係統傳遞電子的過程中，可驅動質子的跨膜運輸，形成跨膜質子梯度，為ATP 的閤成提供動力。另一種是可溶性氫化酶，它能催化氫的氧化，而使NAD+還原，所生成的NADH 主要用於CO2 的還原。
與異養微生物比較，化能自養微生物的能量代謝有3 個主要特點：
1）無機底物的氧化直接與呼吸鏈偶聯，即無機底物有脫氫酶或氧化還原酶催化脫氫或脫電子後，隨即進入呼吸鏈傳遞；
2）呼吸鏈更具多樣性，不同的化能自養型微生物呼吸鏈組成成分與長短不一；
3）産能效率一般低於化能異養型微生物，各種無機底物的氧化與呼吸鏈偶聯的具體位點，取決於被氧化底物的氧化還原電位，其氧化後釋放的電子進入呼吸鏈的位置也不一樣。
（二）無氧呼吸
無氧呼吸亦稱厭氧呼吸。某些厭氧和兼性厭氧微生物在無氧條件下能進行無氧呼吸。在無氧呼吸中，作為zui終電子受體的物質不是分子氧，而是NH4+、NO2–、SO42–、S2O32–、CO2 等外源含氧無機化閤物，一些氧化態金屬和少數有機分子也能作為zui終電子受體（錶1-1）。與發酵不同，無氧呼吸需要細胞色素等電子傳遞體，並在能量分級釋放過程中伴隨有氧化磷酸化作用而生成ATP，也能産生較多能量。但由於部分能量在沒有充分釋放之前就隨電子傳遞給瞭zui終電子受體，故産生的能量比有氧呼吸少。在無氧呼吸中，作為能源和碳源的呼吸基質一般是有機物（如葡萄糖、乙酸等），通過無氧呼吸也可被徹底氧化成CO2，並伴隨ATP 的生成。
錶1-1 參與呼吸過程的電子受體
Tab. 1-1 The electron acceptor in respiration
有些細菌能用硝酸鹽作為電子傳遞鏈終端的電子受體，並産生ATP，這個過程通常稱為硝酸鹽異化還原。硝酸鹽還原酶取代細胞色素氧化酶將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽。
但是，硝酸鹽還原成亞硝酸鹽並不是産生ATP 的有效方式，且形成的亞硝酸鹽也是緻癌物質。因此硝酸鹽通常進一步還原成氮氣，即反硝化作用。
假單胞菌屬、副球菌屬和芽胞杆菌屬中的一些種可進行反硝化作用，它們選擇性地

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