摘 要：迄今为止，对微生物细胞施加直流电解刺激技术已经在生物脱氮和酵母发酵体系中得到初步应用。大量研究表明，不同强度的电场对微生物有着不同程度的影响，适宜的电场强度能够有效刺激细菌细胞的生长，相反则会有可能抑制细菌细胞的活性，甚至会达到杀菌的效果。不同种类的细菌适应电场强度的能力也不尽相同，因此针对细菌菌株施加其相应的电流强度能够有针对性的解决各类问题。
关键词：直流电；微生物；生长代谢
微生物大量存在人类的生产生活中，许多适合工业生产的微生物已经被应用于生物发酵、污水处理和土壤修复等不同领域的生产研究中。近年来电刺激的方法在微生物发酵，污水处理[1]等方面已有了诸多的研究，通过这些研究结果，我们也注意到了电场对微生物的双重性作用[2]。直流电刺激能够改变细胞的增长，提高细胞增长速度[3]，向微生物细胞施加微弱[4]的直流电场能够影响细胞的生长代谢，改变细胞膜的通透性。
1 电场对细菌的促进作用
目前已有大量研究利用外加直流电场探索电流作用对细菌生长状态，代谢活动的影响。有实验表明，通过调控电压的方法能够有效的延長细菌细胞的对数生长期[5]，控制适宜强度的直流电流可以提高细菌的胞内蛋白含量并且增强细胞ATP酶活性，一定程度上提高了细胞的代谢能力[6]，适当的电动技术不仅能够增加细菌增长的数量，同事还能够减少能量的消耗[7]。
清华大学的研究小组以在土壤中分离得到的土著细菌为实验对象，研究了在直流电场下其生长和代谢的过程，发现在10mA的电流强度下，能够促进细菌细胞的生长，同时将细胞的脱氢酶比活力提高了1.98倍[8]。
邹立钟等[9]在研究微生物燃料电池中产电微生物的电诱导驯作用时发现1.0V的直流电压是适合产电微生物生长的最佳电压，当对这种产电微生物进行电诱导驯化后，它的产电能力也有所增加，最高的产电值达到1.82V，超过了电源的额定电压。这表明了在最佳的直流电场中能够大大的提高产电菌的产电能力。
基于电场产生的各种电动迁移效应，电刺激在土壤修复技术中得到了广泛的应用，有数据显示，在电动生物修复技术中施加的电场强度一般小于40A/m2[10]。基于电场对细胞的积极作用，电刺激方法也经常用于进行细胞融合。当细胞置于适宜强度的直流电场中，细胞膜的通透性会有所改变，提高细菌细胞膜的通透性有利于将各种外源性物质引入活体细胞中。这种电融合细胞的融合频率相比化学试剂法能够提高3～5倍[4]。
2 电场对微生物的杀灭作用
对微生物施加超出其承受能力范围的电场强度，这会抑制微生物的生长代谢，甚至在一定程度上能够杀死细菌细胞。当有针对性的选择电场强度时，我们亦可以达到杀菌的效果，因此高压电场在食物保存方面也起到了重要的作用[7]。
有研究表明，当向硫酸盐还原菌施加30分钟的0.7V的电位，杀菌率可以达到100%[11]。Alshawabkeh等发现当电场强度大于1.5V/cm时，厌氧菌活性会降低，出现“休克”现象，撤销电场后，细菌又能恢复活性；当调控电场强度在1.14V/cm时，好氧菌在前24h的活性有所提高，超过24h后则细菌的活性受到了抑制。
3 电场生物效应的应用
目前有大量的研究采用电极生物膜技术来处理实际污水，通过在电极上施加一定强度的电压，使微生物固定在电极上，很大程度上提高了废水处理的效率。这种技术被大量应用在生物脱氮的过程中，有数据表明[12]，将微生物固定在电极上能够得到高达98%的脱氮率，相比施加10mA的电流强度，在40mA的电流强度下，系统内氮气的产量增加了4倍。这种技术同样也被应用于处理重金属离子。
电场的生物效应亦被应用于微生物发酵中，通电发酵是指在微生物发酵系统中施加与微生物相适应的直流电场，以达到提高微生物的生长代谢或提高系统工作效率的目的。有研究显示，在谷氨酸发酵的过程中，在发酵系统中通入1.5V的直流电能够提高10%的谷氨酸产率[4]。这种技术在提高产物效率的同时也能够去除细菌发酵液中的中间代谢产物，从而使发酵过程向着有利的方向发展能够进一步的提高产物效率。
4 结束语
不同强度的直流电场对微生物有着不同程度的影响，利用电场对微生物细胞的作用，电刺激的方法可以广泛应用到生物发酵，作物增产，细胞融合以及高压电场灭菌等领域，可以在一定程度上帮助人类解决生产生活中的问题，大大提高生产效率。
参考文献
[1]Page，M. M. Page，C. L.J.Environ Eng. 2002，128（3）：208.
[2]田等卿，等.高压静电场对细菌生长和代谢的影响[J].工业水理，1991，11（l）：17-19.
[3]李晓玲.现代静电技术[Z].1988，4：460.
[4]周生学.直流电刺激对细菌生长动态过程的作用研究[Z].2009.
[5]Matsumoto N，Nakasono S，Ohmura N，et al.[J].Biotechnol. Bioeng.1999，64（6）：716-721.
[6]曹宏斌，李鑫钢，孙津生，等.直流电对硝化细菌活性的影响[J].环境科学学报，2001，21（4）：420-425.
[7]孙静，孔繁东，祖国仁，等.高压脉冲电场对酵母菌和大肠杆菌存活率的影响[J].食品科学，2004，25（2）：87-90.
[8]佘鹏，宋波，邢新会，等.细菌Enterobacterdissolvens的直流电解刺激过程[J].过程工程学报，2006，6（1）：71-76.
[9]邹立钟.微生物燃料电池中产电微生物的电诱导驯化[D].中国矿业大学，2015.
[10]周海花.利用PCR-DGGE分析直流电场对土壤微生物群落的影响研究[D].东华大学，2008.
[11]李松海，刘建华，武海燕，等.一种控制腐蚀微生物的新方法——电化学杀菌[J].腐蚀与保护，2004，25（6）：256-262.
[12]邱凌峰，陈远铭.电极生物膜法应用于微污染水预处理反硝化环节的试验研究[J].福州大学学报（自然科学学报），2000，28（2）：116-120.
作者简介：付璞玉（1992-），女，吉林四平人，硕士，研究方向：从事水污染控制理论与技术研究。
