微生物作为环境生态系统物质循环与能量流动的核心驱动者，其群落结构与功能的动态变化直接反映生态系统的健康状态。传统培养体系因无法精准调控气体微环境，难以还原微生物在自然生境中的生存状态，限制了环境微生物生态研究的深度。

一、研究背景与意义

环境微生物群落的生态功能贯穿于碳、氮、硫等关键元素的生物地球化学循环过程，其对环境因子的响应机制是解析生态系统稳定性与抗干扰能力的核心科学问题。自然生境中，气体组分（如氧气分压、二氧化碳浓度）作为关键环境因子，直接调控微生物的代谢途径、种群互作及群落构建过程——厌氧沉积物中严格厌氧的产甲烷菌依赖低氧环境维持产甲烷活性，森林土壤中的固氮微生物受CO₂浓度调控影响氮素转化效率，高海拔湖泊中的微生物群落则适应了低氧分压的特殊环境。

传统微生物培养方法多依赖单一气体环境，存在气体调控精度低、稳定性差、无法实现多因子协同模拟等缺陷。简易厌氧罐难以维持长期厌氧状态，普通CO₂培养箱无法实现低氧与高CO₂的协同调控，导致实验室培养的微生物群落与自然生境存在显著差异，即“培养偏差”问题，严重制约了微生物生态机制研究的准确性。因此，开发并应用能够精准复刻自然生境气体条件的培养设备，成为突破环境微生物研究瓶颈的关键。

二、三气培养箱在微生物生态研究中的应用现状

三气培养箱通过整合气体混合、精准传感与闭环调控技术，可实现氧气、二氧化碳、氮气等多种气体组分的动态平衡控制，为模拟不同生境的微生物生存环境提供了可能。目前，国内外三气培养箱已初步应用于医学微生物厌氧培养、植物病原菌研究等领域，但在环境微生物生态模拟中，其应用仍集中于单一生境的简单模拟，缺乏对复杂环境因子的系统验证，且针对环境微生物群落结构与功能的适配性研究较少。

博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱作为国内自主研发的高端培养设备，采用了多通道气体质量流量控制器与红外传感技术，具备高精度气体调控与长期稳态维持能力。本文旨在系统评估该设备在不同典型环境生境微生物模拟中的应用效能，明确其在微生物富集培养、群落结构维持及功能代谢分析中的优势，为其在环境科学与生态研究中的推广应用提供理论与实验依据。

三、材料与方法

（一）实验设备与试剂

1、核心设备：博清生物三气培养箱。

2、对照设备：传统厌氧培养罐、普通CO₂培养箱。

3、试剂与耗材：DNA提取试剂盒、高通量测序文库构建试剂盒、功能基因定量PCR试剂盒、厌氧指示剂、高纯气体。

4、样品来源：厌氧沉积物样品、富CO₂土壤样品、低氧水体样品。

（二）实验设计

1、生境气体环境参数设定：基于前期野外监测数据，设定3种典型生境的模拟参数：

厌氧沉积物模拟组：O₂≤0.1%，CO₂ 5%，N₂平衡，温度25℃，湿度85% RH；

富CO₂土壤模拟组：O₂ 18%，CO₂ 15%，N₂平衡，温度28℃，湿度70% RH；

低氧高海拔水体模拟组：O₂ 12%，CO₂ 0.5%，N₂平衡，温度15℃，湿度90% RH。

2、培养体系构建：将样品分别接种于对应生境的模拟培养基中，每组长3个重复，分别置于博清生物三气培养箱、传统对照设备中进行培养，培养周期为28天。

3、气体环境稳定性监测：每日通过设备自带传感器与外部校准仪监测培养箱内O₂、CO₂浓度及温湿度，记录波动范围。

（三）检测指标与方法

1、微生物群落结构分析：培养结束后，采用高通量测序技术分析16S rRNA 基因（细菌/古菌）多样性，计算群落丰富度指数、多样性指数及优势种群相对丰度。

2、功能基因定量分析：采用实时荧光定量PCR技术检测关键功能基因的相对表达量。

3、代谢产物分析：采用气相色谱-质谱联用技术检测厌氧培养体系中产甲烷量，采用比色法测定土壤模拟体系中铵态氮、硝态氮含量。

四、结果与分析

（一）博清生物三气培养箱的气体环境调控效能

实验期间，博清生物三气培养箱在三种模拟生境中均表现出优异的气体调控稳定性。在厌氧沉积物模拟组中，O₂浓度始终维持在0.05%-0.1%之间，CO₂浓度波动范围≤±0.2%；富CO₂土壤模拟组中，CO₂浓度稳定在14.8%-15.2%，O₂浓度偏差≤±0.3%；低氧高海拔水体模拟组中，O₂浓度精准控制在11.8%-12.2%。相比之下，传统厌氧培养罐在培养7天后O₂浓度升至1.5%以上，普通CO₂培养箱的CO₂浓度波动范围达±1.2%。温湿度调控方面，博清生物三气培养箱的温度波动≤±0.1℃，湿度波动≤±2%，显著优于对照设备。

（二）微生物群落结构的模拟效果

高通量测序结果显示，与传统培养设备相比，博清生物三气培养箱培养的微生物群落与原位样品更为接近。在厌氧沉积物中，博清培养箱组的产甲烷古菌相对丰度达12.3%，较传统厌氧罐组（7.2%）提升42.3%，且群落Shannon指数（3.82）更接近原位样品（3.95）；在富CO₂土壤中，博清培养箱组的固氮菌丰度为8.7%，显著高于普通CO₂培养箱组（5.9%）。这表明博清生物三气培养箱通过精准维持气体微环境，有效减少了“培养偏差”，更利于保留自然群落的结构特征。

（三）微生物功能代谢的模拟效果

功能基因表达与代谢产物分析结果表明，博清生物三气培养箱显著提升了微生物功能的模拟真实性。在厌氧沉积物模拟中，博清培养箱组的mcrA基因相对表达量是传统厌氧罐组的1.8倍，产甲烷量达28.6μmol/(g・d)，较对照组提高56.2%；在富CO₂土壤模拟中，15% CO₂浓度下博清培养箱组的nifH基因表达量较普通CO₂培养箱组提高37.6%，对应的土壤铵态氮含量（18.7mg/kg）显著高于对照组（12.3mg/kg）；在低氧水体模拟中，博清培养箱组的反硝化菌nirS基因表达量是普通有氧培养箱组的2.3倍，硝态氮去除率提升41.5%。这些结果证实，博清生物三气培养箱通过精准调控气体环境，为微生物功能代谢提供了适宜条件，更能还原其自然生态功能。

五、讨论

（一）博清生物三气培养箱的技术优势与核心价值

本研究证实，博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱在环境微生物生态模拟中展现出三大核心优势：其一，高精度多因子协同调控能力，通过多通道气体质量流量控制器与红外传感技术的结合，实现了O₂、CO₂浓度的精准调控与实时监测，解决了传统设备气体波动大、参数单一的问题；其二，长期稳态维持能力，设备的闭环调控系统可在长达28天的培养周期内维持气体、温湿度参数的稳定，满足微生物群落演替与功能代谢研究的长期需求；其三，广泛的生境适配性，通过灵活调整参数，可模拟从厌氧到微氧、从低CO₂到高CO₂的多种自然生境，覆盖了湿地、森林、高海拔等典型环境类型。

这些技术优势直接解决了环境微生物研究中“培养环境与自然生境脱节”的关键瓶颈。传统培养设备因无法维持真实气体微环境，导致富集的微生物多为“机会主义者”，而非生境中的功能核心类群，从而造成对生态功能的误判。博清生物三气培养箱通过还原自然气体条件，使实验室培养体系更接近微生物的原生生态位，为解析微生物群落构建机制、功能代谢网络提供了可靠的实验基础。

（二）研究局限性与未来展望

本研究虽系统验证了博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱在静态气体环境模拟中的效能，但自然生境的气体环境往往伴随动态变化（如昼夜CO₂波动、雨季厌氧-好氧交替）。未来可结合程序控制功能，探究该设备在动态气体环境模拟中的应用，进一步提升微生物生态模拟的真实性。此外，环境微生物的生长还受营养、压力等多因子影响，后续可开展气体与其他环境因子的协同调控研究，构建更全面的生境模拟体系。

博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱凭借其高精度的气体调控能力、稳定的参数维持性能及广泛的生境适配性，在环境微生物生态模拟研究中表现出显著优势。该设备能够精准复刻厌氧沉积物、富CO₂土壤、低氧高海拔水体等典型生境的气体微环境，有效减少“培养偏差”，实现微生物群落结构与功能代谢的原位模拟。研究结果表明，博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱可作为环境科学与生态研究中微生物生态模拟的核心工具，为解析微生物介导的元素循环过程、评估生态系统健康状态、开发环境修复微生物资源等研究提供重要技术支撑，具有广阔的应用前景。