能源微生物學(xué)

前言

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今國(guó)際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和外交關(guān)注的焦點(diǎn)，影響著人類生活的方方面面。當(dāng)前，世界能源的供應(yīng)主要依賴于化石能源?；茉醋鳛橐环N不可再生資源，其廣泛使用所帶來的一系列生態(tài)環(huán)境污染問題，也正日益嚴(yán)重地困擾著整個(gè)人類社會(huì)的和諧發(fā)展。所以，尋找高效、清潔的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，對(duì)于緩解能源供給壓力、提高能源轉(zhuǎn)換效率、減輕生態(tài)環(huán)境污染具有十分積極的意義。     出于能源安全和環(huán)境保護(hù)等國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略層面的需要，我國(guó)政府已充分認(rèn)識(shí)到開發(fā)使用“綠色能源”的重要性，大力發(fā)展生物質(zhì)液體燃料、生物燃?xì)夂臀⑸锶剂想姵氐壬锬茉吹拈_發(fā)計(jì)劃已被列入計(jì)劃日程。利用現(xiàn)代生物技術(shù)進(jìn)行生物質(zhì)、化石資源的高效清潔利用是最終形成人類社會(huì)發(fā)展和自然界循環(huán)和諧統(tǒng)一的最重要的可持續(xù)發(fā)展途徑。微生物及其產(chǎn)生的酶類，在能源轉(zhuǎn)化過程中起著關(guān)鍵性的作用。它們可以利用自然界中豐富的農(nóng)林廢棄物、生活垃圾等資源，轉(zhuǎn)化為燃料乙醇、丁醇、生物柴油、沼氣和氫氣等清潔能源。對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境、發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)等具有重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。     近年來，隨著系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)和代謝工程等學(xué)科突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們可以根據(jù)自己的需要，利用微生物或其產(chǎn)生的酶類來設(shè)計(jì)、開發(fā)相關(guān)的能源產(chǎn)品。在世界范圍內(nèi)，每年都有大量的文章、專利報(bào)道能源生化轉(zhuǎn)化技術(shù)的最新進(jìn)展。鑒于微生物在能源轉(zhuǎn)化過程中的重要性，我們組織了一批長(zhǎng)期從事在一線研究的專家、學(xué)者組成編撰團(tuán)隊(duì)，試圖從能源轉(zhuǎn)化的微生物學(xué)角度，分析能源轉(zhuǎn)化過程中所涉及的微生物種類和酶類，闡述能源轉(zhuǎn)化的機(jī)理和生化歷程，并結(jié)合菌種選育、應(yīng)用示范等，系統(tǒng)介紹能源微生物轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)理論、工藝流程和應(yīng)用實(shí)踐等。     本書第一章緒論部分概括介紹了能源微生物轉(zhuǎn)化的全貌，由亓偉和莊新姝撰寫；第二章微生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，詳細(xì)介紹了原核微生物、真核微生物、微生物生長(zhǎng)和代謝以及遺傳育種方面的微生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，由袁振宏撰寫；第三章生物質(zhì)預(yù)處理及水解微生物，詳細(xì)介紹了淀粉、木質(zhì)素、纖維素和半纖維素水解（降解）微生物及其酶類，由許敬亮、張宇、梁翠誼撰寫；第四章乙醇發(fā)酵微生物，詳細(xì)介紹了六碳糖、五碳糖、合成氣發(fā)酵微生物及乙醇發(fā)酵生產(chǎn)工藝與應(yīng)用，由徐惠娟、朱順妮撰寫；第五章丁醇發(fā)酵微生物，詳細(xì)介紹了丁醇發(fā)酵研究歷史、生化歷程及工藝應(yīng)用等，由陳新德和許敬亮撰寫；第六章油脂轉(zhuǎn)化及產(chǎn)油微生物，詳細(xì)介紹了產(chǎn)脂肪酶微生物、產(chǎn)油微藻和產(chǎn)油真菌，由呂鵬梅、王忠銘、羅文和尚常花撰寫；第七章沼氣發(fā)酵微生物，詳細(xì)介紹了沼氣厭氧發(fā)酵原理、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷微生物等，由孫永明和李連華撰寫；第八章產(chǎn)氫微生物，詳細(xì)介紹了氫化酶、固氮酶、光合產(chǎn)氫、暗發(fā)酵產(chǎn)氫及一氧化碳營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)氫微生物等，由李東撰寫；第九章產(chǎn)電微生物，概括介紹了微生物燃料電池的研究概況、群落分析和產(chǎn)電微生物應(yīng)用等，由孔曉英撰寫；第十章化石能源轉(zhuǎn)化微生物，概括介紹了石油開采和煤炭轉(zhuǎn)化微生物，由許敬亮和郭穎負(fù)責(zé)撰寫。     作者試圖努力使本書為從事和關(guān)心能源轉(zhuǎn)化工作的人們提供一些有益的幫助，包括從事科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和企業(yè)界的人士等，甚至希望本領(lǐng)域高等院校教師和學(xué)生也能夠從中受益。但是，本領(lǐng)域科技發(fā)展日新月異，對(duì)最新科技進(jìn)展介紹，難免有疏漏之處。同時(shí)，由于作者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。也希望此書的出版能夠起到“拋磚引玉”的作用，促進(jìn)我國(guó)能源生化轉(zhuǎn)化事業(yè)更好、更快地發(fā)展。     在本書即將出版之際，原中國(guó)微生物學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士趙國(guó)屏研究員和南京工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士歐陽平凱教授欣然為本書作序，我們?cè)诖松畋砀兄x！首都師范大學(xué)的楊秀山教授和田沈教授對(duì)本書的審稿、校對(duì)做了大量工作，劉云、何敏超等也參與了本書的統(tǒng)稿校對(duì)工作。王聞、張猛、張明婷、潘微和熊蓮等同學(xué)也參與了本書部分編撰工作。同時(shí)，向所有對(duì)本書給予支持、關(guān)心和幫助過的領(lǐng)導(dǎo)、長(zhǎng)者、朋友和同事們表達(dá)我們最衷心的感謝。 編者 2012年3月

內(nèi)容概要

　　本書從能源轉(zhuǎn)化的微生物學(xué)角度，分析能源轉(zhuǎn)化過程中所涉及的微生物種類和酶類，闡述能源轉(zhuǎn)化的機(jī)理和生化歷程，并結(jié)合菌種選育、應(yīng)用示范等，系統(tǒng)地介紹了生物質(zhì)預(yù)處理及水解微生物、乙醇發(fā)酵微生物、丁醇發(fā)酵微生物、油脂轉(zhuǎn)化及產(chǎn)油微生物、沼氣發(fā)酵微生物、產(chǎn)氫微生物、產(chǎn)電微生物及化石能源轉(zhuǎn)化微生物等方面的基礎(chǔ)理論、工藝流程和應(yīng)用實(shí)踐等。全書集成了可再生能源及化石能源微生物轉(zhuǎn)化的最新理論、工藝、方法和進(jìn)展。
本書可作為生物化工、能源環(huán)保等領(lǐng)域科研人員、生產(chǎn)技術(shù)人員的參考書，也可作為高等院校生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物化工、能源工程、環(huán)境工程和資源利用等專業(yè)教師、研究生和本科生的教學(xué)用書。

書籍目錄

第一章  緒論
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  能源與微生物
    一、能源及其轉(zhuǎn)化方法
    二、能源微生物
  第二節(jié)  能源微生物的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
    一、能源微生物在傳統(tǒng)化石能源開采中的應(yīng)用
    二、能源微生物在醇類燃料轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用
    三、能源微生物在油類燃料轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用
    四、能源微生物在生物燃?xì)廪D(zhuǎn)化中的應(yīng)用
    五、能源微生物在燃料電池中的應(yīng)用
  參考文獻(xiàn)
第二章  微生物學(xué)基礎(chǔ)
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  原核微生物
    一、細(xì)菌
    二、古細(xì)菌
    三、放線菌
  第二節(jié)  真核微生物概述
    一、真菌
    二、黏菌
    三、藻類
    四、原生動(dòng)物
  第三節(jié)  病毒
    一、病毒學(xué)基礎(chǔ)
    二、噬菌體
  第四節(jié)  微生物的生長(zhǎng)與代謝
    一、微生物營(yíng)養(yǎng)
    二、微生物生長(zhǎng)繁殖
    三、微生物培養(yǎng)
    四、微生物代謝
  第五節(jié)  微生物遺傳變異和育種
    一、遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)及遺傳信息傳遞
    二、微生物育種
    三、菌種保藏
  參考文獻(xiàn)
第三章  生物質(zhì)預(yù)處理及水解微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  淀粉分解微生物及淀粉酶類
    一、淀粉分解微生物
    二、淀粉酶分類
    三、淀粉分解微生物選育
    四、淀粉酶應(yīng)用
  第二節(jié)  木質(zhì)素降解微生物及木質(zhì)素酶類
    一、木質(zhì)素及其降解微生物
    二、木質(zhì)素降解酶及其作用機(jī)制
    三、木質(zhì)素降解微生物的選育
    四、木質(zhì)素降解酶應(yīng)用
  第三節(jié)  纖維素分解微生物及纖維素酶類
    一、纖維素分解微生物
    二、纖維素酶系及其水解機(jī)制
    三、纖維素酶的分子育種
    四、纖維素酶應(yīng)用
  第四節(jié)  半纖維素分解微生物及半纖維素酶類
    一、半纖維素的組成和結(jié)構(gòu)
    二、半纖維素分解微生物
    三、半纖維素酶
    四、半纖維素酶的分子育種
    五、半纖維素酶應(yīng)用
  參考文獻(xiàn)
第四章  乙醇發(fā)酵微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  六碳糖發(fā)酵微生物
    一、六碳糖發(fā)酵微生物種類
    二、六碳糖乙醇發(fā)酵機(jī)理
    三、六碳糖乙醇發(fā)酵菌種的選育
  第二節(jié)  五碳糖發(fā)酵微生物
    一、五碳糖發(fā)酵微生物
    二、五碳糖乙醇發(fā)酵機(jī)理
    三、五碳糖乙醇發(fā)酵菌種的選育
  第三節(jié)  合成氣發(fā)酵微生物
    一、利用合成氣產(chǎn)乙醇的微生物
    二、合成氣乙醇發(fā)酵機(jī)理
  第四節(jié)  乙醇發(fā)酵生產(chǎn)工藝與應(yīng)用
    一、糖質(zhì)原料乙醇發(fā)酵工藝
    二、纖維質(zhì)原料乙醇發(fā)酵工藝
    三、合成氣乙醇發(fā)酵工藝及反應(yīng)器
  參考文獻(xiàn)
第五章  丁醇發(fā)酵微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  丁醇發(fā)酵工業(yè)概況
    一、丁醇的性質(zhì)和用途
    二、丁醇的生產(chǎn)方法
    三、發(fā)酵法生產(chǎn)丁醇發(fā)展史
    四、我國(guó)丁醇發(fā)酵工業(yè)概況
  第二節(jié)  丁醇發(fā)酵微生物
    一、丁醇發(fā)酵微生物種類
    二、丙酮?丁醇發(fā)酵機(jī)理
  第三節(jié)  丙酮?丁醇發(fā)酵過程
    一、發(fā)酵過程變化
    二、丙酮?丁醇發(fā)酵過程主要影響因素
    三、丁醇對(duì)細(xì)胞的毒性
    四、丁醇比例的影響因素
    五、丁醇發(fā)酵微生物選育
  第四節(jié)  丙酮?丁醇發(fā)酵生產(chǎn)工藝與應(yīng)用
    一、分批發(fā)酵
    二、連續(xù)發(fā)酵
    三、流加發(fā)酵
    四、生物長(zhǎng)鏈醇的合成
  參考文獻(xiàn)
第六章  油脂轉(zhuǎn)化及產(chǎn)油微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  產(chǎn)脂肪酶微生物
    一、產(chǎn)脂肪酶微生物分類
    二、脂肪酶催化油脂轉(zhuǎn)化過程
    三、  脂肪酶固定化
    四、產(chǎn)脂肪酶菌種選育
    五、產(chǎn)脂肪酶菌株發(fā)酵
  第二節(jié)  產(chǎn)油微藻
    一、產(chǎn)油微藻的分類
    二、微藻合成油脂的機(jī)理
    三、產(chǎn)油微藻的選育
    四、微藻油脂生產(chǎn)工藝
  第三節(jié)  產(chǎn)油真菌
    一、產(chǎn)油真菌種類
    二、  產(chǎn)油真菌合成油脂機(jī)理
    三、產(chǎn)油真菌油脂合成代謝調(diào)控
    四、影響產(chǎn)油真菌油脂合成因素
    五、產(chǎn)油真菌選育
  參考文獻(xiàn)
第七章  沼氣發(fā)酵微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  沼氣微生物厭氧發(fā)酵原理
    一、沼氣發(fā)酵的兩階段理論
    二、沼氣發(fā)酵的三階段理論
    三、沼氣發(fā)酵的四階段理論
  第二節(jié)  產(chǎn)酸發(fā)酵微生物
    一、產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌
    二、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌
    三、同型產(chǎn)乙酸菌
    四、產(chǎn)酸發(fā)酵細(xì)菌種群生態(tài)學(xué)
  第三節(jié)  產(chǎn)甲烷微生物分類
    一、甲烷桿菌目
    二、甲烷球菌目
    三、甲烷微菌目
    四、甲烷八疊球菌目
    五、甲烷火菌目
  第四節(jié)  產(chǎn)甲烷菌甲烷形成途徑
    一、由H和CO形成甲烷
    二、甲酸產(chǎn)甲烷途徑
    三、甲醇和甲胺產(chǎn)甲烷途徑
    四、乙酸產(chǎn)甲烷途徑
    五、產(chǎn)甲烷菌基因組研究
  第五節(jié)  沼氣發(fā)酵微生態(tài)學(xué)及其應(yīng)用
    一、沼氣發(fā)酵微生態(tài)學(xué)
    二、沼氣發(fā)酵應(yīng)用
  參考文獻(xiàn)
第八章  產(chǎn)氫微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  氫化酶和固氮酶
    一、氫化酶
    二、固氮酶
  第二節(jié)  光合產(chǎn)氫微生物
    一、光能營(yíng)養(yǎng)微生物與光合作用
    二、真核藻類產(chǎn)氫
    三、藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)氫
    四、光合細(xì)菌產(chǎn)氫
  第三節(jié)  暗發(fā)酵產(chǎn)氫微生物
    一、暗發(fā)酵產(chǎn)氫微生物
    二、暗發(fā)酵產(chǎn)氫機(jī)制
    三、混合菌種暗發(fā)酵制氫
  第四節(jié)  一氧化碳營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)氫菌
    一、一氧化碳營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)氫菌
    二、一氧化碳營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)氫菌的生物合成
    三、一氧化碳營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)氫菌水氣轉(zhuǎn)化產(chǎn)
    氫機(jī)理
  第五節(jié)  生物制氫應(yīng)用前景
  參考文獻(xiàn)
第九章  產(chǎn)電微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  微生物燃料電池基礎(chǔ)
    一、微生物燃料電池研究發(fā)展歷程
    二、MFC結(jié)構(gòu)和工作原理
    三、產(chǎn)電微生物電子傳遞機(jī)理
  第二節(jié)  產(chǎn)電微生物
    一、產(chǎn)電微生物分類
    二、產(chǎn)電微生物性質(zhì)及電化學(xué)活性
  第三節(jié)  產(chǎn)電微生物的分離與選育
    一、產(chǎn)電微生物富集培養(yǎng)基
    二、產(chǎn)電微生物的分離
    三、菌懸液電化學(xué)活性考察
  第四節(jié)  MFC中陽極菌群的群落分析
    一、乙酸鈉為底物產(chǎn)電微生物的群落分析
    二、葡萄糖為底物MFC中陽極的微生物群落分析
    三、人工廢水MFC中微生物的群落分析
    四、以河水為底物的MFC陽極微生物的群落分析
    五、以厭氧出水為底物的MFC陽極微生物群落分析
    六、產(chǎn)電微生物在MFC中的產(chǎn)電能力
  第五節(jié)  產(chǎn)電微生物應(yīng)用
    一、污水處理
    二、產(chǎn)生電能
    三、生物傳感器
    四、生物修復(fù)
    五、MFC制氫
    六、水質(zhì)淡化
    七、小結(jié)
  參考文獻(xiàn)
  第十章  化石能源轉(zhuǎn)化微生物
  本章導(dǎo)讀
  第一節(jié)  石油開采微生物
    一、微生物采油技術(shù)發(fā)展歷程
    二、石油開采微生物分類
    三、微生物開采石油的機(jī)理
    四、微生物開采石油方法和技術(shù)
    五、現(xiàn)代技術(shù)在微生物采油中的應(yīng)用
  第二節(jié)  煤炭轉(zhuǎn)化微生物
    一、煤的形成與微生物轉(zhuǎn)化
    二、煤炭微生物轉(zhuǎn)化分類
    三、煤炭微生物轉(zhuǎn)化機(jī)理
    四、煤炭轉(zhuǎn)化微生物選育
    五、煤炭微生物轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   第一節(jié) 能源與微生物 一、能源及其轉(zhuǎn)化方法 大自然賦予人們的多種多樣的能源，有的已被開發(fā)和利用，如煤炭、石油、天然氣、水力等常規(guī)能源，以及生物質(zhì)能、核能、潮汐能、太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能等新能源。根據(jù)各種能源的特點(diǎn)和合理利用的要求，可以從不同的角度對(duì)能源進(jìn)行分類，如表1—1所示。 從能源獲得方式的角度，可把能源分為自然界現(xiàn)存的一次能源和由一次能源加工轉(zhuǎn)換而成的二次能源。一次能源指的是以現(xiàn)存的形式存在于自然界中的能源，如煤、石油、天然氣、生物質(zhì)能、地?zé)帷⒑四?、風(fēng)能等；二次能源指的是由一次能源直接或間接轉(zhuǎn)換成的其他種類和形式的人工能源，如電能、氫能、汽油、煤氣、乙醇等。 從能源是否能循環(huán)再生的角度，可將能源分為可再生能源和不可再生能源?？稍偕茉匆话闶侵覆粫?huì)隨人類的開發(fā)利用而日益減少的能源，通常包括生物質(zhì)能、水力、潮汐、太陽輻射、風(fēng)力、地下熱水、沼氣等；不可再生能源指的是隨人類的開發(fā)利用會(huì)逐漸減少甚至枯竭的能源，最為典型的就是煤炭、石油和天然氣。 從污染程度的角度，可以將能源分為清潔能源和非清潔能源，人們也將清潔能源稱為綠色能源。"綠色能源"有兩層含義：一是利用現(xiàn)代技術(shù)開發(fā)干凈、無污染的新能源，如生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?；二是化害為利，將發(fā)展能源同改善環(huán)境相結(jié)合，充分利用城市垃圾、農(nóng)林廢棄物等廢棄物中所蘊(yùn)藏的能源。煤炭、石油等在被利用時(shí)能給環(huán)境帶來污染的能源屬于非清潔能源。 能源的分類有很多種，對(duì)于任何一種具體的能源，都可以因?yàn)榉诸惤嵌炔煌鎸俑鞣N類別。如生物質(zhì)能，既是新能源，又是可再生能源；既是清潔能源，又是一次能源，并且其轉(zhuǎn)化而成的乙醇又被稱為二次能源。 隨著社會(huì)的發(fā)展，一次能源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要，同時(shí)一次能源的使用對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害，因此需要采取一定的方法將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源才能使用。化石燃料雖然在人類文明和社會(huì)進(jìn)步發(fā)展中發(fā)揮了不可磨滅的作用，但是其不可再生性也為人類的大肆使用敲響了警鐘。另外，化石燃料的大肆濫用，也給環(huán)境造成了極大的壓力。風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等可再生能源在未來替代化石能源已成為必然趨勢(shì)。 生物質(zhì)能源是可再生能源中唯一的碳能源，可通過各種轉(zhuǎn)化途徑生產(chǎn)出人類需要的各類能源產(chǎn)品，包括氣、固、液三種形態(tài)的燃料，也可以生產(chǎn)電力，直接在現(xiàn)行的能源利用終端上替代石油和煤炭等化石燃料。同時(shí)，作為含碳資源，可以通過生物煉制過程生產(chǎn)出各類高附加值的化學(xué)品，替代礦物資源。而且，開發(fā)生物質(zhì)能源有利于溫室氣體減排、治理環(huán)境污染，也有利于生態(tài)恢復(fù)、促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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《能源微生物學(xué)》可作為生物化工、能源環(huán)保等領(lǐng)域科研人員、生產(chǎn)技術(shù)人員的參考書，也可作為高等院校生物科學(xué)、生物技術(shù)、生物化工、能源工程、環(huán)境工程和資源利用等專業(yè)教師、研究生和本科生的教學(xué)用書。

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