能源微生物學（簡體書）

《能源微生物學》從能源轉化的微生物學角度，分析能源轉化過程中所涉及的微生物種類和?類，闡述能源轉化的機理和生化歷程，并結合菌種選育、應用示范等，系統地介紹了生物質預處理及水解微生物、乙醇發酵微生物、丁醇發酵微生物、油脂轉化及產油微生物、沼氣發酵微生物、產氫微生物、產電微生物及化石能源轉化微生物等方面的基礎理論、工藝流程和應用實踐等。《能源微生物學》集成了可再生能源及化石能源微生物轉化的最新理論、工藝、方法和進展。
《能源微生物學》可作為生物化工、能源環保等領域科研人員、生產技術人員的參考書，也可作為高等院校生物科學、生物技術、生物化工、能源工程、環境工程和資源利用等專業教師、研究生和本科生的教學用書。

能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，也是當今國際政治、經濟、軍事和外交關注的焦點，影響著人類生活的方方面面。當前，世界能源的供應主要依賴于化石能源。化石能源作為一種不可再生資源，其廣泛使用所帶來的一系列生態環境污染問題，也正日益嚴重地困擾著整個人類社會的和諧發展。所以，尋找高效、清潔的能源轉化技術，對于緩解能源供給壓力、提高能源轉換效率、減輕生態環境污染具有十分積極的意義。
出于能源安全和環境保護等國家發展戰略層面的需要，我國政府已充分認識到開發使用“綠色能源”的重要性，大力發展生物質液體燃料、生物燃氣和微生物燃料電池等生物能源的開發計劃已被列入計劃日程。利用現代生物技術進行生物質、化石資源的高效清潔利用是最終形成人類社會發展和自然界循環和諧統一的最重要的可持續發展途徑。微生物及其產生的?類，在能源轉化過程中起著關鍵性的作用。它們可以利用自然界中豐富的農林廢棄物、生活垃圾等資源，轉化為燃料乙醇、丁醇、生物柴油、沼氣和氫氣等清潔能源。對于改善生態環境、發展社會經濟等具有重要的戰略意義和現實意義。
近年來，隨著系統生物學、合成生物學和代謝工程等學科突飛猛進的發展，人們可以根據自己的需要，利用微生物或其產生的?類來設計、開發相關的能源產品。在世界范圍內，每年都有大量的文章、專利報道能源生化轉化技術的最新進展。鑒于微生物在能源轉化過程中的重要性，我們組織了一批長期從事在一線研究的專家、學者組成編撰團隊，試圖從能源轉化的微生物學角度，分析能源轉化過程中所涉及的微生物種類和?類，闡述能源轉化的機理和生化歷程，并結合菌種選育、應用示范等，系統介紹能源微生物轉化的基礎理論、工藝流程和應用實踐等。
本書第一章緒論部分概括介紹了能源微生物轉化的全貌，由亓偉和莊新姝撰寫；第二章微生物學基礎知識，詳細介紹了原核微生物、真核微生物、微生物生長和代謝以及遺傳育種方面的微生物學基礎知識，由袁振宏撰寫；第三章生物質預處理及水解微生物，詳細介紹了淀粉、木質素、纖維素和半纖維素水解（降解）微生物及其?類，由許敬亮、張宇、梁翠誼撰寫；第四章乙醇發酵微生物，詳細介紹了六碳糖、五碳糖、合成氣發酵微生物及乙醇發酵生產工藝與應用，由徐惠娟、朱順妮撰寫；第五章丁醇發酵微生物，詳細介紹了丁醇發酵研究歷史、生化歷程及工藝應用等，由陳新德和許敬亮撰寫；第六章油脂轉化及產油微生物，詳細介紹了產脂肪?微生物、產油微藻和產油真菌，由呂鵬梅、王忠銘、羅文和尚常花撰寫；第七章沼氣發酵微生物，詳細介紹了沼氣厭氧發酵原理、產酸和產甲烷微生物等，由孫永明和李連華撰寫；第八章產氫微生物，詳細介紹了氫化?、固氮?、光合產氫、暗發酵產氫及一氧化碳營養產氫微生物等，由李東撰寫；第九章產電微生物，概括介紹了微生物燃料電池的研究概況、群落分析和產電微生物應用等，由孔曉英撰寫；第十章化石能源轉化微生物，概括介紹了石油開采和煤炭轉化微生物，由許敬亮和郭穎負責撰寫。
作者試圖努力使本書為從事和關心能源轉化工作的人們提供一些有益的幫助，包括從事科學研究、技術開發和企業界的人士等，甚至希望本領域高等院校教師和學生也能夠從中受益。但是，本領域科技發展日新月異，對最新科技進展介紹，難免有疏漏之處。同時，由于作者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。也希望此書的出版能夠起到“拋磚引玉”的作用，促進我國能源生化轉化事業更好、更快地發展。
在本書即將出版之際，原中國微生物學會理事長、中國科學院院士趙國屏研究員和南京工業大學校長、中國工程院院士歐陽平凱教授欣然為本書作序，我們在此深表感謝！首都師范大學的楊秀山教授和田沈教授對本書的審稿、校對做了大量工作，劉云、何敏超等也參與了本書的統稿校對工作。王聞、張猛、張明婷、潘微和熊蓮等同學也參與了本書部分編撰工作。同時，向所有對本書給予支持、關心和幫助過的領導、長者、朋友和同事們表達我們最衷心的感謝。
編者
2012年3月

第一章緒論1
本章導讀1
第一節能源與微生物1
一、能源及其轉化方法1
二、能源微生物3
第二節能源微生物的應用現狀及發展前景7
一、能源微生物在傳統化石能源開采中的應用7
二、能源微生物在醇類燃料轉化中的應用7
三、能源微生物在油類燃料轉化中的應用8
四、能源微生物在生物燃氣轉化中的應用9
五、能源微生物在燃料電池中的應用10
參考文獻10
第二章微生物學基礎11
本章導讀11
第一節原核微生物11
一、細菌11
二、古細菌17
三、放線菌18
第二節真核微生物概述20
一、真菌21
二、黏菌26
三、藻類26
四、原生動物28
第三節病毒28
一、病毒學基礎28
二、噬菌體30
第四節微生物的生長與代謝32
一、微生物營養32
二、微生物生長繁殖33
三、微生物培養37
四、微生物代謝38
第五節微生物遺傳變異和育種52
一、遺傳物質基礎及遺傳信息傳遞52
二、微生物育種55
三、菌種保藏66
參考文獻68
第三章生物質預處理及水解微生物69
本章導讀69
第一節淀粉分解微生物及淀粉?類69
一、淀粉分解微生物69
二、淀粉?分類70
三、淀粉分解微生物選育76
四、淀粉?應用76
第二節木質素降解微生物及木質素?類78
一、木質素及其降解微生物78
二、木質素降解?及其作用機制81
三、木質素降解微生物的選育84
四、木質素降解?應用85
第三節纖維素分解微生物及纖維素?類85
一、纖維素分解微生物86
二、纖維素?系及其水解機制89
三、纖維素?的分子育種94
四、纖維素?應用95
第四節半纖維素分解微生物及半纖維素?類96
一、半纖維素的組成和結構96
二、半纖維素分解微生物98
三、半纖維素?99
四、半纖維素?的分子育種101
五、半纖維素?應用 102
參考文獻103
第四章乙醇發酵微生物106
本章導讀106
第一節六碳糖發酵微生物106
一、六碳糖發酵微生物種類107
二、六碳糖乙醇發酵機理108
三、六碳糖乙醇發酵菌種的選育115
第二節五碳糖發酵微生物118
一、五碳糖發酵微生物118
二、五碳糖乙醇發酵機理120
三、五碳糖乙醇發酵菌種的選育125
第三節合成氣發酵微生物133
一、利用合成氣產乙醇的微生物133
二、合成氣乙醇發酵機理136
第四節乙醇發酵生產工藝與應用138
一、糖質原料乙醇發酵工藝138
二、纖維質原料乙醇發酵工藝142
三、合成氣乙醇發酵工藝及反應器143
參考文獻144
第五章丁醇發酵微生物148
本章導讀148
第一節丁醇發酵工業概況148
一、丁醇的性質和用途148
二、丁醇的生產方法150
三、發酵法生產丁醇發展史151
四、我國丁醇發酵工業概況151
第二節丁醇發酵微生物153
一、丁醇發酵微生物種類153
二、丙酮丁醇發酵機理156
第三節丙酮丁醇發酵過程160
一、發酵過程變化161
二、丙酮丁醇發酵過程主要影響因素164
三、丁醇對細胞的毒性166
四、丁醇比例的影響因素166
五、丁醇發酵微生物選育167
第四節丙酮丁醇發酵生產工藝與應用169
一、分批發酵169
二、連續發酵173
三、流加發酵176
四、生物長鏈醇的合成177
參考文獻178
第六章油脂轉化及產油微生物182
本章導讀182
第一節產脂肪?微生物182
一、產脂肪?微生物分類182
二、脂肪?催化油脂轉化過程184
三、 脂肪?固定化185
四、產脂肪?菌種選育190
五、產脂肪?菌株發酵193
第二節產油微藻193
一、產油微藻的分類193
二、微藻合成油脂的機理194
三、產油微藻的選育195
四、微藻油脂生產工藝200
第三節產油真菌206
一、產油真菌種類206
二、 產油真菌合成油脂機理207
三、產油真菌油脂合成代謝調控208
四、影響產油真菌油脂合成因素210
五、產油真菌選育211
參考文獻212
第七章沼氣發酵微生物216
本章導讀216
第一節沼氣微生物厭氧發酵原理216
一、沼氣發酵的兩階段理論216
二、沼氣發酵的三階段理論216
三、沼氣發酵的四階段理論217
第二節產酸發酵微生物217
一、產酸發酵細菌217
二、產氫產乙酸菌218
三、同型產乙酸菌220
四、產酸發酵細菌種群生態學220
第三節產甲烷微生物分類221
一、甲烷桿菌目221
二、甲烷球菌目225
三、甲烷微菌目228
四、甲烷八疊球菌目231
五、甲烷火菌目234
第四節產甲烷菌甲烷形成途徑234
一、由H2和CO2形成甲烷234
二、甲酸產甲烷途徑239
三、甲醇和甲胺產甲烷途徑239
四、乙酸產甲烷途徑241
五、產甲烷菌基因組研究244
第五節沼氣發酵微生態學及其應用244
一、沼氣發酵微生態學244
二、沼氣發酵應用245
參考文獻248
第八章產氫微生物250
本章導讀250
第一節氫化?和固氮?250
一、氫化?250
二、固氮?260
第二節光合產氫微生物265
一、光能營養微生物與光合作用265
二、真核藻類產氫278
三、藍細菌產氫282
四、光合細菌產氫285
第三節暗發酵產氫微生物288
一、暗發酵產氫微生物288
二、暗發酵產氫機制290
三、混合菌種暗發酵制氫293
第四節一氧化碳營養產氫菌295
一、一氧化碳營養產氫菌295
二、一氧化碳營養產氫菌的生物合成296
三、一氧化碳營養產氫菌水氣轉化產
氫機理298
第五節生物制氫應用前景299
參考文獻301
第九章產電微生物303
本章導讀303
第一節微生物燃料電池基礎303
一、微生物燃料電池研究發展歷程303
二、MFC結構和工作原理304
三、產電微生物電子傳遞機理305
第二節產電微生物306
一、產電微生物分類306
二、產電微生物性質及電化學活性307
第三節產電微生物的分離與選育316
一、產電微生物富集培養基316
二、產電微生物的分離317
三、菌懸液電化學活性考察318
第四節MFC中陽極菌群的群落分析318
一、乙酸鈉為底物產電微生物的群落分析318
二、葡萄糖為底物MFC中陽極的微生物群落分析320
三、人工廢水MFC中微生物的群落分析320
四、以河水為底物的MFC陽極微生物的群落分析321
五、以厭氧出水為底物的MFC陽極微生物群落分析322
六、產電微生物在MFC中的產電能力324
第五節產電微生物應用325
一、污水處理325
二、產生電能326
三、生物傳感器326
四、生物修復327
五、MFC制氫327
六、水質淡化327
七、小結328
參考文獻328
第十章化石能源轉化微生物331
本章導讀331
第一節石油開采微生物331
一、微生物采油技術發展歷程331
二、石油開采微生物分類332
三、微生物開采石油的機理334
四、微生物開采石油方法和技術337
五、現代技術在微生物采油中的應用338
第二節煤炭轉化微生物339
一、煤的形成與微生物轉化339
二、煤炭微生物轉化分類341
三、煤炭微生物轉化機理342
四、煤炭轉化微生物選育343
五、煤炭微生物轉化技術應用344
參考文獻345