微生物作為環境生態系統物質循環與能量流動的核心驅動者，其群落結構與功能的動態變化直接反映生態系統的健康狀態。傳統培養體系因無法精準調控氣體微環境，難以還原微生物在自然生境中的生存狀態，限制了環境微生物生態研究的深度。

一、研究背景與意義

環境微生物群落的生態功能貫穿于碳、氮、硫等關鍵元素的生物地球化學循環過程，其對環境因子的響應機制是解析生態系統穩定性與抗干擾能力的核心科學問題。自然生境中，氣體組分（如氧氣分壓、二氧化碳濃度）作為關鍵環境因子，直接調控微生物的代謝途徑、種群互作及群落構建過程——厭氧沉積物中嚴格厭氧的產甲烷菌依賴低氧環境維持產甲烷活性，森林土壤中的固氮微生物受CO?濃度調控影響氮素轉化效率，高海拔湖泊中的微生物群落則適應了低氧分壓的特殊環境。

傳統微生物培養方法多依賴單一氣體環境，存在氣體調控精度低、穩定性差、無法實現多因子協同模擬等缺陷。簡易厭氧罐難以維持長期厭氧狀態，普通CO?培養箱無法實現低氧與高CO?的協同調控，導致實驗室培養的微生物群落與自然生境存在顯著差異，即“培養偏差”問題，嚴重制約了微生物生態機制研究的準確性。因此，開發并應用能夠精準復刻自然生境氣體條件的培養設備，成為突破環境微生物研究瓶頸的關鍵。

二、三氣培養箱在微生物生態研究中的應用現狀

三氣培養箱通過整合氣體混合、精準傳感與閉環調控技術，可實現氧氣、二氧化碳、氮氣等多種氣體組分的動態平衡控制，為模擬不同生境的微生物生存環境提供了可能。目前，國內外三氣培養箱已初步應用于醫學微生物厭氧培養、植物病原菌研究等領域，但在環境微生物生態模擬中，其應用仍集中于單一生境的簡單模擬，缺乏對復雜環境因子的系統驗證，且針對環境微生物群落結構與功能的適配性研究較少。

博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱作為國內自主研發的高端培養設備，采用了多通道氣體質量流量控制器與紅外傳感技術，具備高精度氣體調控與長期穩態維持能力。本文旨在系統評估該設備在不同典型環境生境微生物模擬中的應用效能，明確其在微生物富集培養、群落結構維持及功能代謝分析中的優勢，為其在環境科學與生態研究中的推廣應用提供理論與實驗依據。

三、材料與方法

（一）實驗設備與試劑

1、核心設備：博清生物三氣培養箱。

2、對照設備：傳統厭氧培養罐、普通CO?培養箱。

3、試劑與耗材：DNA提取試劑盒、高通量測序文庫構建試劑盒、功能基因定量PCR試劑盒、厭氧指示劑、高純氣體。

4、樣品來源：厭氧沉積物樣品、富CO?土壤樣品、低氧水體樣品。

（二）實驗設計

1、生境氣體環境參數設定：基于前期野外監測數據，設定3種典型生境的模擬參數：

厭氧沉積物模擬組：O?≤0.1%，CO? 5%，N?平衡，溫度25℃，濕度85% RH；

富CO?土壤模擬組：O? 18%，CO? 15%，N?平衡，溫度28℃，濕度70% RH；

低氧高海拔水體模擬組：O? 12%，CO? 0.5%，N?平衡，溫度15℃，濕度90% RH。

2、培養體系構建：將樣品分別接種于對應生境的模擬培養基中，每組長3個重復，分別置于博清生物三氣培養箱、傳統對照設備中進行培養，培養周期為28天。

3、氣體環境穩定性監測：每日通過設備自帶傳感器與外部校準儀監測培養箱內O?、CO?濃度及溫濕度，記錄波動范圍。

（三）檢測指標與方法

1、微生物群落結構分析：培養結束后，采用高通量測序技術分析16S rRNA 基因（細菌/古菌）多樣性，計算群落豐富度指數、多樣性指數及優勢種群相對豐度。

2、功能基因定量分析：采用實時熒光定量PCR技術檢測關鍵功能基因的相對表達量。

3、代謝產物分析：采用氣相色譜-質譜聯用技術檢測厭氧培養體系中產甲烷量，采用比色法測定土壤模擬體系中銨態氮、硝態氮含量。

四、結果與分析

（一）博清生物三氣培養箱的氣體環境調控效能

實驗期間，博清生物三氣培養箱在三種模擬生境中均表現出優異的氣體調控穩定性。在厭氧沉積物模擬組中，O?濃度始終維持在0.05%-0.1%之間，CO?濃度波動范圍≤±0.2%；富CO?土壤模擬組中，CO?濃度穩定在14.8%-15.2%，O?濃度偏差≤±0.3%；低氧高海拔水體模擬組中，O?濃度精準控制在11.8%-12.2%。相比之下，傳統厭氧培養罐在培養7天后O?濃度升至1.5%以上，普通CO?培養箱的CO?濃度波動范圍達±1.2%。溫濕度調控方面，博清生物三氣培養箱的溫度波動≤±0.1℃，濕度波動≤±2%，顯著優于對照設備。

（二）微生物群落結構的模擬效果

高通量測序結果顯示，與傳統培養設備相比，博清生物三氣培養箱培養的微生物群落與原位樣品更為接近。在厭氧沉積物中，博清培養箱組的產甲烷古菌相對豐度達12.3%，較傳統厭氧罐組（7.2%）提升42.3%，且群落Shannon指數（3.82）更接近原位樣品（3.95）；在富CO?土壤中，博清培養箱組的固氮菌豐度為8.7%，顯著高于普通CO?培養箱組（5.9%）。這表明博清生物三氣培養箱通過精準維持氣體微環境，有效減少了“培養偏差”，更利于保留自然群落的結構特征。

（三）微生物功能代謝的模擬效果

功能基因表達與代謝產物分析結果表明，博清生物三氣培養箱顯著提升了微生物功能的模擬真實性。在厭氧沉積物模擬中，博清培養箱組的mcrA基因相對表達量是傳統厭氧罐組的1.8倍，產甲烷量達28.6μmol/(g?d)，較對照組提高56.2%；在富CO?土壤模擬中，15% CO?濃度下博清培養箱組的nifH基因表達量較普通CO?培養箱組提高37.6%，對應的土壤銨態氮含量（18.7mg/kg）顯著高于對照組（12.3mg/kg）；在低氧水體模擬中，博清培養箱組的反硝化菌nirS基因表達量是普通有氧培養箱組的2.3倍，硝態氮去除率提升41.5%。這些結果證實，博清生物三氣培養箱通過精準調控氣體環境，為微生物功能代謝提供了適宜條件，更能還原其自然生態功能。

五、討論

（一）博清生物三氣培養箱的技術優勢與核心價值

本研究證實，博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱在環境微生物生態模擬中展現出三大核心優勢：其一，高精度多因子協同調控能力，通過多通道氣體質量流量控制器與紅外傳感技術的結合，實現了O?、CO?濃度的精準調控與實時監測，解決了傳統設備氣體波動大、參數單一的問題；其二，長期穩態維持能力，設備的閉環調控系統可在長達28天的培養周期內維持氣體、溫濕度參數的穩定，滿足微生物群落演替與功能代謝研究的長期需求；其三，廣泛的生境適配性，通過靈活調整參數，可模擬從厭氧到微氧、從低CO?到高CO?的多種自然生境，覆蓋了濕地、森林、高海拔等典型環境類型。

這些技術優勢直接解決了環境微生物研究中“培養環境與自然生境脫節”的關鍵瓶頸。傳統培養設備因無法維持真實氣體微環境，導致富集的微生物多為“機會主義者”，而非生境中的功能核心類群，從而造成對生態功能的誤判。博清生物三氣培養箱通過還原自然氣體條件，使實驗室培養體系更接近微生物的原生生態位，為解析微生物群落構建機制、功能代謝網絡提供了可靠的實驗基礎。

（二）研究局限性與未來展望

本研究雖系統驗證了博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱在靜態氣體環境模擬中的效能，但自然生境的氣體環境往往伴隨動態變化（如晝夜CO?波動、雨季厭氧-好氧交替）。未來可結合程序控制功能，探究該設備在動態氣體環境模擬中的應用，進一步提升微生物生態模擬的真實性。此外，環境微生物的生長還受營養、壓力等多因子影響，后續可開展氣體與其他環境因子的協同調控研究，構建更全面的生境模擬體系。

博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱憑借其高精度的氣體調控能力、穩定的參數維持性能及廣泛的生境適配性，在環境微生物生態模擬研究中表現出顯著優勢。該設備能夠精準復刻厭氧沉積物、富CO?土壤、低氧高海拔水體等典型生境的氣體微環境，有效減少“培養偏差”，實現微生物群落結構與功能代謝的原位模擬。研究結果表明，博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱可作為環境科學與生態研究中微生物生態模擬的核心工具，為解析微生物介導的元素循環過程、評估生態系統健康狀態、開發環境修復微生物資源等研究提供重要技術支撐，具有廣闊的應用前景。