直流電場對微生物的影響

摘 要：迄今為止，對微生物細胞施加直流電解刺激技術已經在生物脫氮和酵母發酵體系中得到初步應用。大量研究表明，不同強度的電場對微生物有著不同程度的影響，適宜的電場強度能夠有效刺激細菌細胞的生長，相反則會有可能抑制細菌細胞的活性，甚至會達到殺菌的效果。不同種類的細菌適應電場強度的能力也不盡相同，因此針對細菌菌株施加其相應的電流強度能夠有針對性的解決各類問題。

關鍵詞：直流電；微生物；生長代謝

微生物大量存在人類的生產生活中，許多適合工業生產的微生物已經被應用于生物發酵、污水處理和土壤修復等不同領域的生產研究中。近年來電刺激的方法在微生物發酵，污水處理[1]等方面已有了諸多的研究，通過這些研究結果，我們也注意到了電場對微生物的雙重性作用[2]。直流電刺激能夠改變細胞的增長，提高細胞增長速度[3]，向微生物細胞施加微弱[4]的直流電場能夠影響細胞的生長代謝，改變細胞膜的通透性。

1 電場對細菌的促進作用

目前已有大量研究利用外加直流電場探索電流作用對細菌生長狀態，代謝活動的影響。有實驗表明，通過調控電壓的方法能夠有效的延長細菌細胞的對數生長期[5]，控制適宜強度的直流電流可以提高細菌的胞內蛋白含量并且增強細胞ATP酶活性，一定程度上提高了細胞的代謝能力[6]，適當的電動技術不僅能夠增加細菌增長的數量，同事還能夠減少能量的消耗[7]。

清華大學的研究小組以在土壤中分離得到的土著細菌為實驗對象，研究了在直流電場下其生長和代謝的過程，發現在10mA的電流強度下，能夠促進細菌細胞的生長，同時將細胞的脫氫酶比活力提高了1.98倍[8]。

鄒立鐘等[9]在研究微生物燃料電池中產電微生物的電誘導馴作用時發現1.0V的直流電壓是適合產電微生物生長的最佳電壓，當對這種產電微生物進行電誘導馴化后，它的產電能力也有所增加，最高的產電值達到1.82V，超過了電源的額定電壓。這表明了在最佳的直流電場中能夠大大的提高產電菌的產電能力。

基于電場產生的各種電動遷移效應，電刺激在土壤修復技術中得到了廣泛的應用，有數據顯示，在電動生物修復技術中施加的電場強度一般小于40A/m2[10]。基于電場對細胞的積極作用，電刺激方法也經常用于進行細胞融合。當細胞置于適宜強度的直流電場中，細胞膜的通透性會有所改變，提高細菌細胞膜的通透性有利于將各種外源性物質引入活體細胞中。這種電融合細胞的融合頻率相比化學試劑法能夠提高3～5倍[4]。

2 電場對微生物的殺滅作用

對微生物施加超出其承受能力范圍的電場強度，這會抑制微生物的生長代謝，甚至在一定程度上能夠殺死細菌細胞。當有針對性的選擇電場強度時，我們亦可以達到殺菌的效果，因此高壓電場在食物保存方面也起到了重要的作用[7]。

有研究表明，當向硫酸鹽還原菌施加30分鐘的0.7V的電位，殺菌率可以達到100%[11]。Alshawabkeh等發現當電場強度大于1.5V/cm時，厭氧菌活性會降低，出現“休克”現象，撤銷電場后，細菌又能恢復活性；當調控電場強度在1.14V/cm時，好氧菌在前24h的活性有所提高，超過24h后則細菌的活性受到了抑制。

3 電場生物效應的應用

目前有大量的研究采用電極生物膜技術來處理實際污水，通過在電極上施加一定強度的電壓，使微生物固定在電極上，很大程度上提高了廢水處理的效率。這種技術被大量應用在生物脫氮的過程中，有數據表明[12]，將微生物固定在電極上能夠得到高達98%的脫氮率，相比施加10mA的電流強度，在40mA的電流強度下，系統內氮氣的產量增加了4倍。這種技術同樣也被應用于處理重金屬離子。

電場的生物效應亦被應用于微生物發酵中，通電發酵是指在微生物發酵系統中施加與微生物相適應的直流電場，以達到提高微生物的生長代謝或提高系統工作效率的目的。有研究顯示，在谷氨酸發酵的過程中，在發酵系統中通入1.5V的直流電能夠提高10%的谷氨酸產率[4]。這種技術在提高產物效率的同時也能夠去除細菌發酵液中的中間代謝產物，從而使發酵過程向著有利的方向發展能夠進一步的提高產物效率。

4 結束語

不同強度的直流電場對微生物有著不同程度的影響，利用電場對微生物細胞的作用，電刺激的方法可以廣泛應用到生物發酵，作物增產，細胞融合以及高壓電場滅菌等領域，可以在一定程度上幫助人類解決生產生活中的問題，大大提高生產效率。

參考文獻

[1]Page，M. M. Page，C. L.J.Environ Eng. 2002，128（3）：208.

[2]田等卿，等.高壓靜電場對細菌生長和代謝的影響[J].工業水理，1991，11（l）：17-19.

[3]李曉玲.現代靜電技術[Z].1988，4：460.

[4]周生學.直流電刺激對細菌生長動態過程的作用研究[Z].2009.

[5]Matsumoto N，Nakasono S，Ohmura N，et al.[J].Biotechnol. Bioeng.1999，64（6）：716-721.

[6]曹宏斌，李鑫鋼，孫津生，等.直流電對硝化細菌活性的影響[J].環境科學學報，2001，21（4）：420-425.

[7]孫靜，孔繁東，祖國仁，等.高壓脈沖電場對酵母菌和大腸桿菌存活率的影響[J].食品科學，2004，25（2）：87-90.

[8]佘鵬，宋波，邢新會，等.細菌Enterobacterdissolvens的直流電解刺激過程[J].過程工程學報，2006，6（1）：71-76.

[9]鄒立鐘.微生物燃料電池中產電微生物的電誘導馴化[D].中國礦業大學，2015.

[10]周海花.利用PCR-DGGE分析直流電場對土壤微生物群落的影響研究[D].東華大學，2008.

[11]李松海，劉建華，武海燕，等.一種控制腐蝕微生物的新方法——電化學殺菌[J].腐蝕與保護，2004，25（6）：256-262.

[12]邱凌峰，陳遠銘.電極生物膜法應用于微污染水預處理反硝化環節的試驗研究[J].福州大學學報（自然科學學報），2000，28（2）：116-120.

作者簡介：付璞玉（1992-），女，吉林四平人，碩士，研究方向：從事水污染控制理論與技術研究。