通过在线压力和背散射速率映射代谢阶段

微生物代谢可表述为能量保守过程（分解代谢）和生物量形成反应（合成代谢）。合成代谢传统上通过培养液浊度进行测量，而分解代谢通常通过底物消耗或产物形成来评估。对生物量和产物的常规测量具有侵入性，会扰动培养过程及顶空气体组成，从而可能掩盖重要的分析参数及其相互作用。本文在小规模密闭批式培养瓶中结合在线压力与背向散射测量，以获得不受扰动的分解代谢和合成代谢速率实时数据，从而能够对整个批次培养周期中的代谢阶段进行映射。该方法在酵母培养和嗜热合成气发酵中识别出明确区分的代谢阶段。在富营养条件下的酵母培养中，表征了五个代谢阶段，涵盖生长相关和非生长相关的气体生成。在混合微生物群落合成气发酵中，对分解代谢和合成代谢速率的估算能够区分早期生物量增加但净压力变化极小的阶段，以及随后两个气体驱动阶段；在后者中，首先出现的是一个生长速率较高、与一氧化碳营养型代谢相关的阶段，随后是一个生长略低但气体消耗增加、对应于嗜氢产乙酸作用的阶段。该研究表明，采用一种结合在线压力和背向散射测量的简便、低成本实验装置，即可用于可视化微生物代谢的相平面映射。其另一项优势在于能够检测混合微生物群落中的序贯代谢级联，而这在通气鼓泡生物反应器研究中无法实现。仅利用一次简单的批式培养，即便在生长缓慢或无生长的情况下，也能获得生长和维持代谢数据，从而得到适用于表型表征和动态代谢建模的参数。

微生物代谢可表述为一个保能过程（分解代谢）和一个形成生物量的反应（合成代谢）。合成代谢传统上通过培养液的浊度来测量，而分解代谢通常通过所消耗的底物或所形成的产物来评估。对生物量和产物的常规测量具有侵入性，会扰动培养过程及顶空气体组成，从而可能掩盖重要的分析参数及其相互作用。通过在小规模封闭式分批培养瓶中结合在线压力与背向散射测量，可获得无扰动的分解代谢和合成代谢速率实时数据，从而实现对整个分批培养周期内代谢阶段的映射。该方法在酵母培养和嗜热合成气发酵中识别出离散的代谢阶段。在营养丰富的酵母培养中，表征出了五个代谢阶段，涵盖生长相关和非生长相关的气体生成过程。在混合群落合成气发酵中，对分解代谢和合成代谢速率的估算将早期生物量增加而净压力变化极小的阶段，与后续两个由气体驱动的阶段区分开来。其中，初始阶段具有较高的生长速率，并与一氧化碳营养型代谢相关；随后阶段则表现为生长略低但气体消耗增加，对应于氢营养型产乙酸作用。该研究表明，采用一种简单、经济的实验装置，并结合在线压力和背向散射测量，即可用于可视化微生物代谢的相平面映射。另一项优势在于，该方法能够检测混合微生物群落中的序贯代谢级联，而这在气体鼓泡式生物反应器研究中是无法实现的。利用单一且简单的分批培养体系，即使在生长较低或不存在生长的情况下，也能获得生长与维持数据，从而得到适用于表型表征和动态代谢建模的参数。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.08.729528v1?rss=1

🏷️ 在线压力监测 背向散射 代谢阶段映射 批式培养 合成气发酵 微生物代谢