直流電場對微生物的影響

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

關(guān)鍵詞：直流電；微生物；生長代謝

微生物大量存在人類的生產(chǎn)生活中，許多適合工業(yè)生產(chǎn)的微生物已經(jīng)被應(yīng)用于生物發(fā)酵、污水處理和土壤修復(fù)等不同領(lǐng)域的生產(chǎn)研究中。近年來電刺激的方法在微生物發(fā)酵，污水處理[1]等方面已有了諸多的研究，通過這些研究結(jié)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(xì)胞的增長，提高細(xì)胞增長速度[3]，向微生物細(xì)胞施加微弱[4]的直流電場能夠影響細(xì)胞的生長代謝，改變細(xì)胞膜的通透性。

1 電場對細(xì)菌的促進(jìn)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(xì)菌生長狀態(tài)，代謝活動的影響。有實(shí)驗(yàn)表明，通過調(diào)控電壓的方法能夠有效的延長細(xì)菌細(xì)胞的對數(shù)生長期[5]，控制適宜強(qiáng)度的直流電流可以提高細(xì)菌的胞內(nèi)蛋白含量并且增強(qiáng)細(xì)胞ATP酶活性，一定程度上提高了細(xì)胞的代謝能力[6]，適當(dāng)?shù)碾妱蛹夹g(shù)不僅能夠增加細(xì)菌增長的數(shù)量，同事還能夠減少能量的消耗[7]。

清華大學(xué)的研究小組以在土壤中分離得到的土著細(xì)菌為實(shí)驗(yàn)對象，研究了在直流電場下其生長和代謝的過程，發(fā)現(xiàn)在10mA的電流強(qiáng)度下，能夠促進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞的生長，同時(shí)將細(xì)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(chǎn)電微生物的電誘導(dǎo)馴作用時(shí)發(fā)現(xiàn)1.0V的直流電壓是適合產(chǎn)電微生物生長的最佳電壓，當(dāng)對這種產(chǎn)電微生物進(jìn)行電誘導(dǎo)馴化后，它的產(chǎn)電能力也有所增加，最高的產(chǎn)電值達(dá)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(chǎn)電菌的產(chǎn)電能力。

基于電場產(chǎn)生的各種電動遷移效應(yīng)，電刺激在土壤修復(fù)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，有數(shù)據(jù)顯示，在電動生物修復(fù)技術(shù)中施加的電場強(qiáng)度一般小于40A/m2[10]?；陔妶鰧?xì)胞的積極作用，電刺激方法也經(jīng)常用于進(jìn)行細(xì)胞融合。當(dāng)細(xì)胞置于適宜強(qiáng)度的直流電場中，細(xì)胞膜的通透性會有所改變，提高細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性有利于將各種外源性物質(zhì)引入活體細(xì)胞中。這種電融合細(xì)胞的融合頻率相比化學(xué)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(qiáng)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(xì)菌細(xì)胞。當(dāng)有針對性的選擇電場強(qiáng)度時(shí)，我們亦可以達(dá)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(dāng)向硫酸鹽還原菌施加30分鐘的0.7V的電位，殺菌率可以達(dá)到100%[11]。Alshawabkeh等發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場強(qiáng)度大于1.5V/cm時(shí)，厭氧菌活性會降低，出現(xiàn)“休克”現(xiàn)象，撤銷電場后，細(xì)菌又能恢復(fù)活性；當(dāng)調(diào)控電場強(qiáng)度在1.14V/cm時(shí)，好氧菌在前24h的活性有所提高，超過24h后則細(xì)菌的活性受到了抑制。

3 電場生物效應(yīng)的應(yīng)用

目前有大量的研究采用電極生物膜技術(shù)來處理實(shí)際污水，通過在電極上施加一定強(qiáng)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(shù)被大量應(yīng)用在生物脫氮的過程中，有數(shù)據(jù)表明[12]，將微生物固定在電極上能夠得到高達(dá)98%的脫氮率，相比施加10mA的電流強(qiáng)度，在40mA的電流強(qiáng)度下，系統(tǒng)內(nèi)氮?dú)獾漠a(chǎn)量增加了4倍。這種技術(shù)同樣也被應(yīng)用于處理重金屬離子。

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

4 結(jié)束語

不同強(qiáng)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(xì)胞的作用，電刺激的方法可以廣泛應(yīng)用到生物發(fā)酵，作物增產(chǎn)，細(xì)胞融合以及高壓電場滅菌等領(lǐng)域，可以在一定程度上幫助人類解決生產(chǎn)生活中的問題，大大提高生產(chǎn)效率。

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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(shù)研究。