本書對環境生物電化學的幾個主要知識領域做了闡述，包括生物電化學概述、生物電化學系統陽極微生物、體現潛在應用領域和方向的生物氧化電子供體、微生物燃料電池陰極催化劑、生物電化學系統電荷轉移機制、生物電化學系統構型以及目前生物電化學系統在工程中的應用。

本書具有較強的技術性和針對性，可供從事微生物燃料電池、電化學、廢水有機物處理領域的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校化學工程、環境工程、能源工程及相關專業師生參閱。

第1章緒論001

1.1生物電化學廢水處理技術001

1.1.1生物電化學概述001

1.1.2微生物燃料電池的技術原理002

1.1.3微生物燃料電池的特點002

1.2生物電化學的發展歷程004

1.3微生物燃料電池的限制性因素004

1.4生物電化學的分類與應用前景005

1.4.1生物電化學的分類005

1.4.2微生物電化學應用前景006

1.5本章小結009

參考文獻009



第2章陽極微生物012

2.1產電微生物的概述013

2.1.1產電微生物的來源及意義013

2.1.2產電微生物的獲取方式014

2.1.3微生物的遺傳育種017

2.1.4產電微生物的生理生化特性019

2.2產電微生物的分類022

2.2.1細菌類022

2.2.2古菌037

2.2.3真核生物038

2.2.4產電微生物純種的改造041

2.2.5產電微生物群落分析043

2.2.6產氫微生物048

2.3本章小結050

參考文獻050



第3章電子供體059

3.1陽極電子產生060

3.1.1電子產生機制060

3.1.2電子傳遞機制060

3.1.3存在的問題與發展方向061

3.2生物電化學系統污染物降解的機理062

3.2.1更有效的微生物代謝模式062

3.2.2電極呼吸生物膜具有更高的代謝活性063

3.3電子供體分類063

3.3.1有機污染物電子供體064

3.3.2難降解有機物電子供體067

3.3.3有明顯生物毒性有機污染物電子供體075

3.3.4抗生素類有毒污染物電子供體078

3.4以有機污染物為電子供體時產能的主要影響因素084

3.4.1微生物種屬的影響084

3.4.2電池電極材料的影響087

3.4.3電極液089

3.4.4質子傳遞090

3.4.5陽極室的操作條件090

3.4.6氧還原090

3.4.7陽極和陰極的超電勢091

3.4.8內阻與外阻091

3.4.9MFC處理難降解有機廢水的COD去除效果092

3.5本章小結092

參考文獻094



第4章陰極催化劑097

4.1概述097

4.1.1生物電化學系統陰極反應098

4.1.2電化學催化與生物電化學催化099

4.1.3陰極催化劑的制備101

4.1.4陰極催化劑的發展前景101

4.2金屬陰極催化劑102

4.2.1貴金屬鉑（Pt）催化劑及其合金102

4.2.2過渡金屬合金及氧化物催化劑104

4.2.3金屬大環化合物106

4.2.4金屬-有機骨架（MOFs）催化劑111

4.3非金屬陰極催化劑116

4.3.1導電聚合物催化劑116

4.3.2碳納米管（CNTs）催化劑118

4.3.3改性石墨烯（MG）催化劑124

4.3.4生物催化劑128

4.4本章小結132

參考文獻132



第5章生物電化學系統電荷轉移機制141

5.1電子傳遞基本知識141

5.1.1原理141

5.1.2產電微生物144

5.2胞內電子傳遞148

5.2.1呼吸作用148

5.2.2發酵作用152

5.3胞外電子傳遞153

5.3.1電子傳遞途徑153

5.3.2影響因素161

5.4質子遷移163

5.5陰極接收電子164

5.6本章小結167

參考文獻168



第6章生物電化學系統構型174

6.1生物電化學系統構型原理176

6.1.1微生物燃料電池177

6.1.2微生物電解池181

6.2生物電化學系統基礎構型183

6.2.1單電極室結構184

6.2.2多電極室結構185

6.2.3其他結構186

6.3增強反應室構型187

6.3.1微生物脫鹽電池187

6.3.2微生物電解脫鹽電池189

6.3.3微生物產酸產堿脫鹽電池189

6.4微型傳感器構型190

6.4.1生化需氧量監測191

6.4.2乳酸檢測195

6.4.3毒性檢查195

6.4.4微生物數量檢測196

6.4.5微生物活性檢測197

6.4.6抗生素檢測197

6.4.7對酸的檢測197

6.5串聯和并聯MFC構型197

6.6水平分層構型200

6.7微型化MFC舉例201

6.8植物-沉積物微生物燃料電池（P-SMFC）構型202

6.9中室MFC構型206

6.10MFC-MEC構型208

6.11本章小結210

參考文獻211



第7章生物電化學系統的應用223

7.1廢水處理225

7.2生物電合成230

7.2.1甲烷230

7.2.2丁醇231

7.2.3甲酸231

7.2.4乙酸232

7.2.5丁酸232

7.2.6過氧化氫232

7.3生物制氫233

7.4生物傳感器236

7.4.1DNA傳感237

7.4.2免疫傳感238

7.4.3ECIS細胞動態分析儀239

7.4.4微電極陣列生物電信號記錄系統239

7.5生態修復239

7.5.1鹽堿地修復240

7.5.2抗生素降解240

7.5.3石油烴降解242

7.5.4氰化物處理242

7.5.5垃圾滲濾液處理243

7.5.6其他244

7.6耦合應用245

7.7固體廢物堆肥246

7.8處理食物殘渣248

7.9本章小結249

參考文獻249

李鳳祥，南開大學環境科學與工程學院，講師，李鳳祥，男，講師，博士。2009年畢業于南開大學環境科學與工程學院，取得環境科學與工程專業博士學位，是首批“國家建設高水平大學公派研究生項目”中美聯合培養博士，同年留校任教，并在環境污染過程與基準教育部重點實驗室主要從事環境生物電化學方面研究，科研工作涉及生物質能源化、廢水生態毒理及修復、流域水生態功能、水污染控制及廢水回用工程與資源化。

發表包括SCI、EI等論文40余篇；申請發明專利14項，已授權3項，實質審查11項；指導本科生生物電化學研究方向2015年南開大學“天津市大學生創新創業訓練計劃”，獲南開大學二等獎。

目前研究領域主要集中在環境生物電化學系統陰極催化劑材料研究；陽極功能菌菌劑；應用生物電化學技術處理新型污染物，如抗生物廢水處理過程中的抗性基因風險抑制等研究，在環境生物電化學的廢物能源化技術領域做出一定研究貢獻。