《ISME Communications》：A Novel Method to Simultaneously Estimate Bacterial Respiration and Growth from Oxygen Dynamics
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本研究针对细菌生长与呼吸传统测量方法存在的时间尺度不匹配问题，开发了一种通过溶解氧时间序列同步量化细菌生长速率和呼吸速率的新模型。该方法成功应用于15种环境分离菌株，验证了其与光学密度法、流式细胞术的高度一致性（R2>0.9），并在假单胞菌温度响应实验中揭示了碳利用效率随温度变化的峰值规律。该技术为高通量表型分析及微生物生态学研究提供了非侵入性解决方案。
在微生物生态学研究领域，细菌的生长和呼吸是驱动能量转化和碳循环的核心代谢过程。传统上，科研人员需要分别通过测量终点生物量（如光学密度法）和监测氧气/二氧化碳消耗（如微量呼吸仪）来量化这两个参数。然而，由于生长测量通常需要数小时至数天，而呼吸测量仅需数分钟至数小时，这种时间尺度的不匹配导致数据整合困难，难以揭示环境因素与代谢机制间的因果关系。
为解决这一难题，发表于《ISME Communications》的研究提出了一种创新方法：通过单次溶解氧时间序列同步估计细菌呼吸和生长速率。该研究构建了一个耦合指数生长与生物量特异性呼吸的动力学模型，可直接从氧气消耗轨迹中同步推断出生长速率（μ）和呼吸速率（R）。研究人员将这一高通量方法应用于15种自然环境中分离的细菌类群，结果显示其生长速率估计值与光学密度法、流式细胞术所得结果高度吻合（R2 > 0.9），且无类群特异性偏差。进一步以假单胞菌（Pseudomonas sp.）为模型，量化了温度对呼吸、生长及碳利用效率（Carbon Use Efficiency, CUE）的影响，发现生长和呼吸速率均呈现典型的单峰温度响应曲线，在中等温度（30–35 °C）达到峰值；而CUE随温度升高先增后降，在生长最适温度附近达到最高。该方法通过单次实验即可实现呼吸与生长的同步量化，为高通量表型分析、环境胁迫响应研究及关联细胞生理与生态系统功能的微生物生态学提供了有力工具。
关键技术方法包括：基于溶解氧动力学曲线的数据采集系统、耦合指数生长与呼吸的数学建模（含参数优化算法）、15种环境分离菌株的验证实验（以光学密度和流式细胞术为基准），以及假单胞菌温度梯度培养下的碳利用效率（CUE）计算模型。
研究结果
- 1.
模型验证与通用性评估
通过对比传统生物量测量方法，证实本方法在多种细菌类群中均能准确估计生长速率（R2 > 0.9），且无分类学偏差。
- 2.
温度对代谢特性的影响
在假单胞菌实验中，生长和呼吸速率在30–35 °C时最高，碳利用效率（CUE）在此温度区间达峰值，高温下显著下降，揭示了温度对代谢策略的调控规律。
结论与讨论
本研究建立的氧动力学模型首次实现了细菌呼吸与生长的同步、非侵入式量化，有效解决了传统方法中的尺度错位问题。该方法不仅为微生物代谢表型的高通量筛选提供了新工具，更通过温度响应实验阐明了碳利用效率（CUE）与热适应性的关联，为从细胞生理到生态系统尺度的碳循环研究搭建了桥梁。未来可广泛应用于环境扰动、微生物适应性进化及工程菌株性能评估等领域。
