基于压力呼吸检测系统的微生物生长实时监测新方法及其在好氧环境中的应用验证

为解决传统微生物生长监测方法（如干重法DCW和光密度法OD）耗时耗力且无法实时获取数据的问题，研究人员创新性地将原用于厌氧环境的压力呼吸检测系统应用于好氧条件，通过捕获CO2引起的压力变化（以KOH为吸收剂）实现微生物生长的实时监测。研究以罗尔斯通菌（Ralstonia eutropha）为模型，证实压力降低速率与DCW呈强相关性（R2=0.99），检测限达14.67 mbar（对应DCW 0.0428 g/L），并在多种碳源和菌株（如大肠杆菌E. coil、假单胞菌Pseudomonas等）中验证了该方法的普适性。该技术为工业发酵和生物过程监控提供了高效、低成本的自动化解决方案。

　　

微生物生长监测是生物技术领域的核心需求，从环境修复到生物能源生产，微生物代谢活性的精准量化直接影响工艺优化效率。然而，传统方法面临严峻挑战：干重法（DCW）需经历离心、冻干等繁琐步骤，光密度法（OD）则依赖间歇取样和手动稀释，两者均无法实现连续监测，且人为误差风险高。更棘手的是，现有CO₂传感器（如非分散红外NDIR）虽能实时反馈，但高昂成本和复杂的电解质设计制约其广泛应用。在此背景下，韩国国家研究基金会支持的研究团队独辟蹊径，将原本专用于厌氧环境的压力呼吸检测系统改造为好氧微生物生长监测利器，相关成果发表于《Analytical Biochemistry》。

研究团队采用压力传感器结合KOH吸收CO₂的技术方案，通过密闭系统中气体压力的降低速率反推微生物代谢活性。以产PHB（聚羟基丁酸酯）的工业菌株Ralstonia eutropha H16为模型，同步对比DCW、OD与压力数据；通过梯度稀释实验确定检测限；并扩展验证不同碳源（葡萄糖、脂肪酸等）和菌属（Pseudomonas、Bacillus等）的适用性。

微生物培养与压力系统联用
在30°C下培养Ralstonia eutropha H16，使用定制压力检测装置（含KOH阱）每10分钟记录压力变化。系统灵敏度通过理论计算与实验标定双重验证。

DCW与压力降低的线性关系
72小时培养数据显示，压力降低速率与DCW增长呈近乎完美的线性相关（R²=0.99），每1 mbar压力降对应细胞干重增加0.02 g/L。指数生长期（24-48小时）压力变化速率最快，与DCW增长拐点高度同步。

检测限与多菌株验证
理论检测下限为14.67 mbar（相当于0.0428 g/L DCW），定量限为48.9 mbar。在E. coil、Pseudomonas等菌株中，压力变化曲线均能准确反映不同碳源利用率差异，证明方法普适性。

该研究突破性地将压力呼吸检测从厌氧拓展至好氧环境，其意义不仅在于提供比DCW/OD更高效的监测手段——通过每10分钟自动采集数据，实现真正的"过程分析技术"（PAT），更开创了低成本实时监控的新范式。尤其对于PHB等生物聚合物生产，该方法能精准捕捉菌体密度拐点，优化收获时机。未来通过集成无线传输模块，还可实现远程发酵监控，为智能生物制造奠定基础。值得注意的是，系统在微好氧条件下的优异表现，暗示其在肠道微生物等低氧环境研究中的潜在价值。尽管目前对丝状真菌等产气复杂菌种的适用性仍需验证，但这项"老技术新用"的典范，无疑为微生物生理学研究提供了全新工具包。