[0001] 本发明涉及电活性微生物代谢及降解污染物的技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于电磁感应促进微生物代谢的方法及应用。

[0002] 传统的微生物自养或异养代谢过程需要电子供体(如有机物或无机还原物)的参与。然而，这些电子供体存在明显的缺点和限制，比如有机碳源可能会增加二次污染风险，同时也会增加成本，无机电子供体如氢气、还原硫化合物等，存在氢气的水溶性低，费用高，以及还原性硫化物会被氧化成硫酸盐，造成水体硬度升高等。近年来，光生电子作为一种潜在的微生物代谢电子供体受到广泛研究。通过构建微生物‑光敏材料杂化体系，利用光能驱动光敏材料产生光生电子，从而为微生物的代谢活动提供必需的电子源。例如，专利号为CN111204882A的发明通过构建脱氮硫杆菌‑有机质类化合物杂化体系，提出了一种利用有机质类化合物驱动水体脱氮的方法；专利号为CN117585793A的发明则通过构建纳米半导体TiO2‑脱氮硫杆菌杂化体系，设计了一种集成式微生物光电化学反应器，用于处理缺碳废水中的硝酸盐；然而，现有的光生电子驱动体系面临着一些挑战：为了维持光生电子的持续产出，需要添加牺牲试剂来捕获产生的空穴，这不仅增加了工艺成本，还可能引发活性氧的生成，对微生物造成损伤甚至导致细胞死亡。因此，寻求一种既能高效驱动微生物代谢又能避免上述化学过程局限性、无需添加电子供体试剂的培养方法显得尤为重要。

[0027] 通过具体的实施案例对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场可购买的原料、试剂。

[0028] 实施例1G.s‑GNS杂化体系的建立对甲基橙的降解

[0029] 一种基于电磁感应促进微生物代谢的方法，包括以下步骤：

[0030] S1.将硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens，简写为G.s菌)以20％的体积比接种至常规的G.s菌用培养基中，30℃恒温培养，当G.s初始菌液的OD600nm值为0.3时，将G.s初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到G.s菌液，本步骤中常规的G.s菌用培养基的配方见表1，[0031] 表1常规的G.s菌用培养基配方表

[0032] 蒸馏水 1L富马酸(用NaOH将pH调整为6.86) 4.64g
NB盐 5mL
NB矿 1mL
DV矿 0.75mL
CaCl2·2H2O 0.04g
MgSO4·7H2O 0.1g
NaHCO3 1.8g
Na2CO3 0.426g
1mM NaSeO4 1mL
20mM乙酸钠 3g
；

[0033] S2.将G.s菌液加入到厌氧的去除电子供体的G.s菌用培养基中，并加入纳米石墨片(简写为GNS)、甲基橙，得到培养体系，培养体系中含有0.1g/L纳米石墨片(GNS)、12mg/L甲基橙，本步骤中去除电子供体的G.s菌用培养基的配方见表2，

[0034] 表2去除电子供体的G.s菌用培养基

[0035]蒸馏水 1L
NB盐 5mL
NB矿 1mL
DV矿 0.75mL
CaCl2·2H2O 0.04g
MgSO4·7H2O 0.1g
NaHCO3 1.8g
Na2CO3 0.426g
1mM NaSeO4 1mL
；

[0036] S3.在30℃恒温条件下，利用磁场强度为30mT、转速为90rpm的旋转的静磁场对培养体系进行动态磁场处理，建立G.s‑GNS杂化体系，驱动G.s菌生长代谢及对甲基橙进行降解转化。

[0037] 在培养第7天，得G.s‑GNS杂化体系，并对该G.s‑GNS杂化体系进行SEM表征检测。检测结果如图1所示，得到运动的静磁场下G.s‑GNS杂化体系的SEM表征图，证明了在变化的磁场条件下G.s‑GNS杂化体系的建立。

[0038] 对照例1

[0039] 参照实施例1中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组1。在培养第8天，分别测定对照组1及实施例1的培养体系中甲基橙的含量，结果见图2。

[0040] 如图2所示，实施例1中的G.s‑GNS杂化体系在运动的静磁场下具有降解甲基橙的性能，而对照组1的G.s‑GNS杂化体系在无磁场下不具有降解甲基橙的性能。与无磁场的对照组1相比，实施例1的G.s‑GNS杂化体系在培养第8天可降解培养体系中77％的甲基橙。因此，实施例1制备的G.s‑GNS杂化体系在运动的静磁场下对甲基橙具有很强的降解能力。

[0041] 实施例2D.d‑GNS杂化体系的建立对SO42‑的降解

[0042] S1.将脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans，简写为D.d菌)以20％的体积比接种至常规的D.d菌用培养基中，30℃恒温培养，当D.d初始菌液的OD600 nm值为0.2时，将D.d初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到D.d菌液，本步骤中常规的D.d菌用培养基的配方见表3，[0043] 表3常规的D.d菌用培养基配方表

[0044]蒸馏水 1L
KH2PO4 0.5g
NH4Cl 1g
Na2SO4 4.5g
NaCl 9g
CaCl2·2H2O 0.04g
MgSO4·7H2O 0.06g
乳酸钠 6g
柠檬酸钠 0.3g
酪蛋白氨基酸 2g
蛋白胨 2g
硫代乙醇酸 0.1g
pH 7.5
微量元素 1mL
维生素溶液 2mL

[0045]

[0046]

[0047] S2.将D.d菌液加入到厌氧的去除电子供体的D.d菌用培养基中，并加入纳米石墨2‑
片(简写为GNS)、SO4 ，得到培养体系，培养体系中含有0.03g/L纳米石墨片(GNS)、10mg/L 
2‑
SO4 ，本步骤中去除电子供体的D.d菌用培养基的配方见表4，其中的微量元素及维生素溶液与步骤S1中相同，

[0048] 表4去除电子供体的D.d菌用培养基

[0049]蒸馏水 1L
KH2PO4 0.5g
NH4Cl 1g
NaCl 9g
CaCl2·2H2O 0.04g
pH 7.5
微量元素 1mL
维生素溶液 2mL
；

[0050] S3.在30℃恒温条件下，利用磁场强度为20mT、转速为60rpm的旋转的静磁场对培2‑
养体系进行动态磁场处理，建立D.d‑GNS杂化体系，驱动D.d菌生长代谢及对SO4 进行降解转化。

[0051] 对照例2

[0052] 参照实施例2中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组2。在培养第2天，分别测定对照组2及实施例2的培养2‑
体系中SO4 的含量，结果见图3。

[0053] 如图3所示，实施例2中的D.d‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下具有降解SO42‑的性2‑
能，而对照组2的D.d‑GNS杂化体系在无磁场下不具有降解SO4 的性能。与无磁场的对照组2
2‑
相比，实施例2的D.d‑GNS杂化体系在培养第2天可降解培养体系中51％的SO4 。因此，实施
2‑
例2制备的D.d‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下对SO4 具有很强的降解能力。

[0054] 实施例3R.p‑GNS杂化体系的建立对CO2的转化利用

[0055] S1.将沼泽红假单胞菌(Rhodopseudomonas palustris，简写为R.p菌)以20％的体积比接种至常规的R.p菌用培养基中，30℃恒温培养，当R.p初始菌液的OD600nm值为0.2时，将R.p初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到R.p菌液，本步骤中常规的R.p菌用培养基的配方见表5，[0056] 表5常规的R.p菌用培养基配方表

[0057] 蒸馏水 1LKH2PO4 1g
CaCl2 0.1g
NaHCO3 3g
乙酸钠 1g
MgCl2 0.5g
NH4Cl 1g
NaCl 1g
微量元素 1mL
维生素溶液 1mL
琥珀酸钠 1g
酵母提取物 0.5g
蛋白胨 0.5g
pH 6.8

[0058]

[0059]

[0060] S2.将R.p菌液加入到厌氧的去除电子供体的R.p菌用培养基中，并加入纳米石墨片(简写为GNS)、通入CO2与N2的混合气体，其中CO2与N2的体积比为1:4，得到培养体系，培养体系中含有0.05g/L纳米石墨片(GNS)、CO2，本步骤中去除电子供体的R.p菌用培养基的配方见表6，其中的微量元素及维生素溶液与步骤S1中相同，

[0061] 表6去除电子供体的R.p菌用培养基配方表

[0062] 蒸馏水 1LKH2PO4 1g
CaCl2 0.1g
NaHCO3 3g
MgCl2 0.5g
NH4Cl 1g
NaCl 1g
微量元素 1mL
维生素溶液 1mL
pH 6.8
；

[0063] S3.在30℃恒温条件下，利用磁场强度为15mT、转速为30rpm的旋转的静磁场对培养体系进行动态磁场处理，建立R.p‑GNS杂化体系，驱动R.p菌生长代谢及对CO2进行还原转化。

[0064] 对照例3

[0065] 参照实施例3中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组3。在培养第5天，分别测定对照组3及实施例3的培养体系中的生物量，结果见图4。

[0066] 如图4所示，实施例3中的R.p‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下具有固碳性能，可以将CO2转化为能量，进而用于自身生长代谢。而对照组3的R.p‑GNS杂化体系在无磁场下不具有固碳性能。与无磁场的对照组3相比，实施例3中的R.p‑GNS杂化体系在培养第5天使培养体系所含有的生物量增加了36％。因此，实施例3制备的R.p‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下具有很强的固碳能力。

[0067] 实施例4T.d‑GNS杂化体系的建立对NO3‑的降解

[0068] S1.将脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans，简写为T.d菌)以20％的体积比接种至常规的T.d菌用培养基中，30℃恒温培养，当T.d初始菌液的OD600nm值为0.2时，将T.d初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到T.d菌液，本步骤中常规的T.d菌用培养基的配方见表7，[0069] 表7常规的T.d菌用培养基配方表

[0070]蒸馏水 1L
KH2PO4 2g
KNO3 2g
NH4Cl 1g
MgSO4·7H2O 0.8g
微量元素SL‑4 2mL
Na2S2O3·5H2O 5g
NaHCO3 1g
FeSO4·7H2O 2mg
H2SO4(0.1N) 1mL

[0071]

[0072]

[0073] S2.将T.d菌液加入到厌氧的去除电子供体的T.d菌用培养基中，并加入纳米石墨‑片(简写为GNS)、NO3 ，得到培养体系，培养体系中含有0.1g/L纳米石墨片(GNS)、10mg/L ‑
NO3，本步骤中去除电子供体的T.d菌用培养基的配方见表8，其中微量元素SL‑4、微量元素SL‑6与步骤S1中相同，

[0074] 表8去除电子供体的T.d菌用培养基配方表

[0075]蒸馏水 1L
KH2PO4 2g
MgSO4·7H2O 0.8g
微量元素SL‑4 2mL
NaHCO3 1g
FeSO4·7H2O 2mg
H2SO4(0.1N) 1mL
；

[0076] S3.在30℃恒温、黑暗条件下，利用磁场强度为30mT、转速为60rpm的旋转的静磁场‑对培养体系进行动态磁场处理，建立T.d‑GNS杂化体系，驱动T.d菌生长代谢及对NO3进行降解转化。

[0077] 对照例4

[0078] 参照实施例4中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、黑暗、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组4。在培养第8天，分别测定对照组4及实施例4的‑培养体系中NO3的含量，结果见图5。

[0079] 如图5所示，实施例4中的T.d‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下具有降解NO3‑的性‑能，而对照组4的T.d‑GNS杂化体系在无磁场下不具有降解NO3 的性能。与无磁场的对照组4‑
相比，实施例4的T.d‑GNS杂化体系在培养第8天可降解培养体系中95％的NO3 。因此，实施例‑
4制备的T.d‑GNS杂化体系在旋转的静磁场下对NO3具有很强的降解能力。

[0080] 实施例5

[0081] 参照实施例4中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、光照、磁场强度为30mT、转速为60rpm的旋转的静磁场条件下，对培养体系进行培养，得到实施例5。参照实施例4中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、光照、无磁场条件下，对培养‑体系进行培养，得到对照组5。在培养第8天，分别测定对照组5及实施例5的培养体系中NO3的含量，结果见图6。

[0082] 如图6所示，实施例5中的T.d‑GNS杂化体系在光照、旋转的静磁场条件下具有降解‑ ‑NO3 的性能，而对照组5的T.d‑GNS杂化体系在光照、无磁场条件下不具有降解NO3 的性能。
与光照、无磁场的对照组5相比，实施例5的T.d‑GNS杂化体系在培养第8天可降解培养体系‑ ‑
中95％的NO3 。与实施例4中旋转的静磁场、黑暗条件下的T.d‑GNS对NO3的降解能力相同。
‑
因此，T.d‑GNS杂化体系对NO3的降解能力只受磁场影响，不受光照或黑暗条件影响。

[0083] 实施例6T.d‑BP杂化体系的建立对NO3‑的降解

[0084] S1.将脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans，简写为T.d菌)以20％的体积比接种至实施例4中的常规的T.d菌用培养基中，30℃恒温培养，当T.d初始菌液的OD600nm值为0.15时，将T.d初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到T.d菌液；

[0085] S2.将T.d菌液加入到实施例4中的厌氧的去除电子供体的T.d菌用培养基中，并加‑ ‑入黑磷(简写为BP)、NO3，得到培养体系，培养体系中含有0.03g/L黑磷(BP)、8mg/L NO3；

[0086] S3.在30℃恒温，利用磁场强度为5mT、转速为30rpm的旋转的静磁场对培养体系进‑行动态磁场处理，建立T.d‑BP杂化体系，驱动T.d菌生长代谢及对NO3进行降解转化。

[0087] 对照例6

[0088] 参照实施例6中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组6。在培养第14天，分别测定对照组6及实施例6的培养‑体系中NO3的含量，结果见图7。

[0089] 如图7所示，实施例6中的T.d‑BP杂化体系在旋转的静磁场下具有降解NO3‑的性能，‑而对照组6的T.d‑BP杂化体系在无磁场下不具有降解NO3的性能。与无磁场的对照组6相比，‑
实施例6的T.d‑BP杂化体系在培养第14天可降解培养体系中87％的NO3。因此，实施例6制备‑
的T.d‑BP杂化体系在旋转的静磁场下对NO3具有很强的降解能力。

[0090] 实施例7T.d‑MT杂化体系的建立对NO3‑的降解

[0091] S1.将脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans，简写为T.d菌)以20％的体积比接种至实施例4中的常规的T.d菌用培养基中，30℃恒温培养，当T.d初始菌液的OD600nm值为0.15时，将T.d初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到T.d菌液；

[0092] S2.将T.d菌液加入到实施例4中的厌氧的去除电子供体的T.d菌用培养基中，并加‑入蒙脱石(简写为MT)、NO3 ，得到培养体系，培养体系中含有0.1g/L蒙脱石(MT)、10mg/L ‑
NO3；

[0093] S3.在30℃恒温，利用磁场强度为30mT、转速为60rpm的旋转的静磁场对培养体系‑进行动态磁场处理，建立T.d‑MT杂化体系，驱动T.d菌生长代谢及对NO3进行降解转化。

[0094] 对照例7

[0095] 参照实施例7中方法的步骤S1和S2得到培养体系，然后在30℃恒温、无磁场条件下，对培养体系进行培养，得到对照组7。在培养第10天，分别测定对照组7及实施例7的培养‑体系中NO3的含量，结果见图8。

[0096] 如图8所示，实施例7中的T.d‑MT杂化体系在旋转的静磁场下具有降解NO3‑的性能，‑而对照组7的T.d‑MT杂化体系在无磁场下不具有降解NO3的性能。与无磁场的对照组7相比，‑
实施例7的T.d‑MT杂化体系在培养第10天可降解培养体系中57％的NO3。因此，实施例7制备‑
的T.d‑MT杂化体系在旋转的静磁场下对NO3具有很强的降解能力。

[0097] 实施例8T.d‑GNS杂化体系在不同磁场条件下还原NO3‑能力比较

[0098] S1.将脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans，简写为T.d菌)以20％的体积比接种至实施例4中的常规的T.d菌用培养基中，30℃恒温培养，当T.d初始菌液的OD600nm值为0.1时，将T.d初始菌液以6500rpm离心7min去除上清液，并用0.9％生理盐水洗涤3次，重悬浮于1mL 0.9％生理盐水中，得到T.d菌液；

[0099] S2.将T.d菌液加入到实施例4中的厌氧的去除电子供体的T.d菌用培养基中，并加‑入纳米石墨片(简写为GNS)、NO3，得到培养体系，培养体系中含有0.1g/L纳米石墨片(GNS)、‑
10mg/L NO3；

[0100] S3.在30℃恒温，利用不同磁场条件对培养体系进行动态磁场处理，建立T.d‑GNS‑杂化体系，驱动T.d菌生长代谢及对NO3进行降解转化，其中处理1～3的磁场条件均为频率为1Hz的脉冲磁场，其磁场强度分别：3mT、5mT、10mT；处理4～6的磁场条件均为频率为50Hz的突变磁场，其磁场强度分别为3mT、5mT、8mT；其中对照为无磁场处理。

[0101] 在培养第8天，分别测定处理1～6及对照的培养体系中NO3‑的含量，结果见表9。

[0102] 表9T.d‑GNS杂化体系在不同磁场条件下还原NO3‑的效率表

[0103]

[0104] 由表9可知，在不同的磁场强度、磁场变化条件下，T.d‑GNS杂化体系均可对NO3‑的‑进行降解，只是降解效率不同。在对照的无磁场条件下，T.d‑GNS杂化体系对NO3的降解效率为0。与对照相比，在磁场强度为10mT、频率为1Hz的脉冲磁场条件下，T.d‑GNS杂化体系对‑
NO3的降解效率最高为51％。

[0105] 以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。