矿物与微生物间电子转移机制及效应

本书深入地探讨了矿物与微生物之间电子转移机制及其环境效应，系统地介绍了微生物与矿物间电子传递的基本概念、研究方法和最新进展，涵盖了从胞外电子传递的发现到种间电子传递的复杂机制。通过电化学、光谱学、基因编辑等多种研究方法，详细解析了电子传递的动力学与热力学过程，并探讨了电子穿梭体、微生物介导的亚铁氧化过程在环境中的重要作用，展望了矿物与微生物电子传递在元素循环、温室气体排放控制等领域的应用前景。

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 微生物—矿物电子传递 2
1.1.1 胞外电子传递的发现与意义 2
1.1.2 胞外电子传递机制研究的发展历程 3
1.2 矿物—微生物电子传递 6
1.2.1 NRFO微生物驱动的生物和化学Fe(Ⅱ)氧化过程及其相对贡献 7
1.2.2 NRFO过程中生物Fe(Ⅱ)氧化的电子传递途径和关键酶 8
1.2.3 NRFO微生物与环境因素的相互作用关系 9
1.3 种间电子传递 9
1.3.1 微生物种间氢转移 10
1.3.2 微生物种间直接电子传递 10
1.4 研究方法 11
1.5 矿物与微生物间电子转移的环境效应与应用 12
1.5.1 元素循环 12
1.5.2 污染物转化 13
1.5.3 温室气体排放 14
参考文献 14
第2章 微生物与矿物间电子传递机制的研究方法 20
2.1 电化学研究方法 21
2.1.1 三电极电化学方法 21
2.1.2 双室微生物燃料电池研究方法 22
2.1.3 典型应用案例 23
2.2 光谱学研究方法 28
2.2.1 漫透射紫外可见光谱法 28
2.2.2 三维荧光光谱 32
2.2.3 拉曼光谱技术 34
2.3 电化学联用方法 34
2.3.1 电化学-（漫透射）紫外可见光谱联用 35
2.3.2 电化学-荧光显微镜联用 37
2.3.3 电化学-红外联用 40
2.3.4 电化学-石英晶体微天平联用 41
2.3.5 电化学-表面等离子共振法 43
2.3.6 电化学-结构色光谱联用 44
2.4 基因编辑方法 46
2.4.1 基因编辑在本研究领域应用的概述 46
2.4.2 地杆菌的基因编辑方法 47
2.4.3 希瓦氏菌的基因编辑方法 48
2.5 其他方法 51
2.5.1 种间电子传递计算 51
2.5.2 飞行时间二次离子质谱技术 53
2.5.3 生物膜附着力的测试 57
2.5.4 冷冻电子显微镜技术 58
参考文献 60
第3章 微生物—矿物电子传递动力学与热力学 64
3.1 基本概念 64
3.1.1 胞外呼吸微生物 64
3.1.2 细胞色素c 68
3.1.3 纳米导线 69
3.1.4 电子穿梭体 72
3.2 胞外电子传递动力学 73
3.2.1 胞外电子传递动力学理论 73
3.2.2 基于细胞色素c的氧化还原动力学测试 77
3.2.3 细胞色素c与有毒金属反应的动力学解析 78
3.2.4 动力学模型的重要应用：解析各过程的贡献 80
3.3 胞外电子传递热力学 83
3.3.1 胞外电子传递的热力学平衡理论 83
3.3.2 胞外电子传递热力学与矿物转化的关联 87
3.4 展望 90
参考文献 91
第4章 微生物与矿物的电子穿梭机制与环境效应 96
4.1 电子穿梭体来源、类型及其特性 96
4.1.1 电子穿梭体概述 96
4.1.2 自然界存在的电子穿梭体 98
4.1.3 微生物分泌的电子穿梭体 101
4.1.4 人工合成的电子穿梭体 105
4.2 电子穿梭体介导胞外电子传递的作用机制 108
4.2.1 电子穿梭体直接与外膜细胞色素c反应 108
4.2.2 电子穿梭体渗入细胞膜与周质蛋白反应 110
4.2.3 电子穿梭体作为辅因子与细胞色素c结合反应 114
4.3 电子穿梭反应的热力学与动力学 115
4.3.1 电子穿梭反应的热力学 115
4.3.2 胞外电子传递过程中的能量变化 116
4.3.3 电子穿梭的反应动力学 118
4.3.4 影响电子穿梭过程热力学与动力学的主要环境因子 123
4.4 电子穿梭体对生物膜生长代谢的调控作用 127
4.4.1 电子穿梭体增强胞外呼吸，加速生物膜生长 127
4.4.2 电子穿梭体促进生物膜的形成 130
4.5 电子穿梭体介导电子传递的环境效应 130
4.5.1 电子穿梭体促进铁循环转化 130
4.5.2 电子穿梭体促进碳氮循环转化 131
4.5.3 电子穿梭体促进重金属还原转化 132
4.5.4 利用电子穿梭调控土壤物质循环展望 133
参考文献 135
第5章 矿物—微生物的电子传递过程与机制 140
5.1 微生物介导的亚铁氧化及意义 140
5.1.1 酸性有氧环境中的亚铁氧化 141
5.1.2 中性厌氧环境中的亚铁氧化 142
5.1.3 微需氧型铁氧化菌 143
5.1.4 硝酸盐还原型铁氧化菌 146
5.1.5 光合型铁氧化菌 148
5.2 微生物介导硝酸盐还原耦合亚铁氧化过程与机制 150
5.2.1 NRFO：生物与非生物过程 150
5.2.2 NRFO微生物的代谢 150
5.2.3 微生物驱动的硝酸盐还原过程与化学反硝化 155
5.2.4 生物酶驱动的NRFO过程 158
5.2.5 NRFO过程中的Fe(Ⅱ)氧化动力学 159
5.2.6 矿物学特征 162
5.2.7 细胞结壳效应 165
5.3 微生物亚铁氧化蛋白的电子传递机制 167
5.3.1 亚铁氧化蛋白的结构与功能 167
5.3.2 细胞色素c参与的亚铁氧化电子传递过程 168
5.3.3 亚铁氧化蛋白与游离态亚铁的直接电子传递特征 170
5.3.4 亚铁氧化蛋白与游离态亚铁的直接电子传递机制 172
5.3.5 亚铁氧化蛋白与配体态亚铁的直接电子传递特征 176
5.3.6 亚铁氧化蛋白与配体态亚铁的直接电子传递机制 180
5.3.7 亚铁氧化蛋白与亚铁的间接电子传递特征 182
5.3.8 亚铁氧化蛋白与亚铁的间接电子传递机制 185
5.4 亚铁与氧化铁间电子转移机制 189
5.4.1 亚铁催化氧化铁晶相重组过程 189
5.4.2 亚铁催化氧化铁重结晶过程的关键影响因素 191
5.4.3 亚铁催化氧化铁重结晶过程中的氧化效应 193
5.5 矿物—微生物电子传递的环境效应 194
5.5.1 微生物介导NRFO过程对重金属的固定效应 194
5.5.2 微生物介导NRFO过程对含氮污染物的转化作用 196
5.5.3 微生物介导NRFO过程对环境的响应 197
5.6 矿物—微生物电子传递研究的启示与展望 200
参考文献 202
第6章 微生物种间电子传递机制及效应 210
6.1 微生物种间电子传递机制 211
6.1.1 电活性微生物的电活性及多样性 211
6.1.2 微生物种间直接电子传递机制多样性 213
6.1.3 甲烷产生过程中的种间直接电子传递机制 217
6.1.4 甲烷氧化过程中的种间直接电子传递机制 222
6.1.5 氢气产生过程中的微生物种间直接电子传递机制 225
6.2 碳材料介导的微生物种间直接电子传递机制 230
6.2.1 活性炭介导的种间直接电子传递 230
6.2.2 生物炭介导的种间直接电子传递 231
6.2.3 其他碳材料介导的种间直接电子传递 231
6.2.4 碳材料对种间直接电子传递的强化机制 232
6.3 矿物介导的微生物种间直接电子传递机制 234
6.3.1 水铁矿介导的微生物胞外电子传递 234
6.3.2 磁铁矿介导的种间直接电子传递 235
6.3.3 其他矿物介导的种间直接电子传递 237
6.3.4 矿物促进种间直接电子传递的机制 238
6.4 微生物种间间接电子传递机制 241
6.4.1 种间氢传递 242
6.4.2 氧化还原类物质介导的MIET 243
6.5 微生物胞外电子传递过程的环境效应 246
6.5.1 甲烷产生和利用 246
6.5.2 助力新时代“绿氢”产业 248
6.5.3 湿地及稻田甲烷减排 250
参考文献 252