生物量

上一篇推文，介绍了WIGGENS的CGQ生物量在线监测系统，在微生物（细胞）效能评价/菌种筛选的应用。 本期介绍生物量监测在微生物（细胞）培养条件优化中的应用。培养基为微生物（细胞）的生长提供环境条件以及碳源，氮源，生长因子等。培养基具有通用性，但每种培养物都有特殊性。在通用培养基的基础上针对培养物的特性做适当的调整或成分添加，对目的产物的高效产出，具有重要正作用。 下图是德国法兰克福歌德大学，使用CGQ生物量监测系统对Saccharomyces cerevisiae (一种酿酒酵母)在不同碳源组分中的生长曲线。 三种碳源Glc（葡萄糖）、Gal（半乳糖）、Mal（酰胺）不同浓度对酿酒酵母的生长有着明显的影响，对迟缓期和对数期的影响显著。碳源各组分浓度不同，对酿酒酵母进入平台期的时间甚至有超过6小时的差距影响。这对注重效率的工业发酵来说，减少迟缓期的时间段，有着重要的参考意义。 下图是，在M9培养基中，通过加入不同浓度的甘油，Escherichia coli (大肠杆菌)的生长曲线 从上图大肠杆菌的生长曲线可以看出，在M9培养基中，甘油浓度是对大肠杆菌最终生长量的最大影响因素。0.4%的甘油浓度对比0.1%的甘油浓度，对数生长期有明显提升，最终得到的生物量也是低浓度甘油的4倍以上。 下图是通过培养过程的摇瓶补液，CGQ进行的实时生物量监测。 在大肠杆菌培养中，通过LIS摇瓶补液系统，在摇瓶培养过程中进行在线补入缓冲液，缓冲液对pH值进行了调节。在使用LB培养基培养大肠杆菌的过程中，对生物量的限制的最大因素不是培养基组分，而是pH值，持续的进行pH调节，可以有效的增加生物量，提高培养基的利用率。更多的CGQ生物量监测应用，请参考如下文献：[1]Tripp et al (2017):Establishing a yeast-based screening system for discovery of human GLUT5inhibitors and activators (Nature – Scientific Reports)[2]Bruder, S. &Boles, E. (2017): Improvement of the yeast based (R)-phenylacetylcarbinol productionprocess via reduction of by-product formation (Biochemical EngineeringJournal).[3]Gottardi et al. (2017):De novo biosynthesis of trans-cinnamicacidderivatives in Saccharomycescerevisiae (AppliedMicrobiology and Biotechnology).[4]Bracharz et al. (2017):The effects of TORC signal interference on lipogenesis in theoleaginous yeast Trichosporonoleaginosus (BMCBiotechnology). [5]Bruder et al. (2016):Parallelised onlinebiomass monitoring in shake flasks enables efficient strain and carbon sourcedependent growth characterisation of Saccharomycescerevisia (MicrobialCell Factories).

什么是CGQ？CGQ （Cell Growth Quantifier）系统，是一种在线实时监测摇瓶中生物量设备，通过摇瓶底部光学检测器，对培养物进行实时跟踪检测。测量时不需要将摇瓶从摇床中取出，也无需停止摇床运作，CGQ 系统通过专利的光学测量技术，自动监测生物量浓度。使用CGQ可以获取高准确率的生物生长动力学曲线。相对于传统的取样检测有着无可比拟的优势。 传统摇瓶中生物量检测方式传统的手动取样检测有诸多弊端：* 时间成本高（每个摇瓶的测量数据获得需要几分钟） * 手动测量 ，无法完成定时自动测量* 效率低（定时，手动操作，数据获取密度低） * 侵入性（因为需要取样测量，培养体积会变小，培养环境会改变） * 运行成本高 (需要耗材) * 每次测量取样，存在污染风险 CGQ工作原理CGQ通过底部的LED灯发射光线，检测器通过OD600nm波长进行生物量测定。生物量与检测器的光线检测量成正比。 CGQ光学法检测原理 位于摇瓶底部的LED发光及检测器 使用者可精确的实时监测生物量和生长曲线 CGQ在线检测产品特点：* 非侵入性（放置于培养瓶底部，不与培养基接触）* 持续性好，不会对微生物/ 细胞生长造成影响* 自动测量；节省操作时间和成本* 实时测量* 对任何偏差反应迅速* 数据采集量大* 在设定时间内对工艺过程进行详细监测* 平行反应监测* 可以同时监测最多16 个摇瓶 操作步骤简单：将检测器置于摇瓶底部，用于监测生物量。检测组件与培养液没有接触在摇瓶上，罩上黑色罩子，防止外界光线对检测的干扰数据收集器收集传感器信号，发送到CGQ数据中心，进行信息处理CGQ软件，通过数据处理，显示各个检测摇瓶的生物量适用于各种现有实验室培养系统：CGQ 系统可以用于多种科学应用：生长曲线指引的蛋白表达；培养基开发/优化；菌种筛选/比较；监测限制因素以及染菌；分析生长动力学曲线；优化培养条件；在线监测嗜热微生物等

上一篇推文，我们介绍了WIGGENS的CGQ生物量在线监测系统监测微生物或细胞的生长阶段，本期我们介绍生物量监测对微生物（细胞）效能评价/菌种筛选的应用。 首先我们来看一篇使用CGQ系统监测生物量的已发表文献。 Bruder et al. (2016):Parallelised onlinebiomass monitoring in shake flasks enables efficient strain and carbon sourcedependent growth characterisation of Saccharomycescerevisia (MicrobialCell Factories). Bruder对酿酒酵母的高效菌株（CEN.PK2-1C）和碳源依赖性生长特性监测。 上图中生物量曲线（OD值）是CGQ系统实时在线测量。葡萄糖浓度和酒精浓度用在线生化分析仪进行实时在线监测的数据。 从上图的数据曲线中我们可以清晰的看出生物生长量与培养基中葡萄糖浓度和酒精产量三者的关联性。发酵过程希望使用的菌种是能够更高效率的将糖类等底物转化为酒精。底物与产物的效能比是对酿酒酵母菌株效能的最直接评价。 CGQ和生化分析仪的在线监测联合使用，可以对菌种的综合效能进行直观评价。 对微生物或细胞的突变体研究，是寻找高效菌种的一种有效手段。突变体与野生型的对比研究，用于对突变体进行效能评估。 上图是德国最格赖夫斯瓦尔德大学（成立于1456年），使用CGQ系统对Staphylococcus aureus（金黄葡萄球菌）野生型和突变体生物量分析。 作为菌种筛选的有力工具，CGQ系统可以对同一培养条件下，或不同培养条件下的生物量进行实时监控，根据生物量的监测数据对菌种筛选提供数据支持。 CGQ与生化分析仪同时使用，可以对多参数相关性进行综合评估，有效的拓展了应用范围，可以通过多参数变化，对微生物效能进行综合评价。更多的CGQ生物量监测应用，请参考如下文献：[1]Tripp et al (2017):Establishing a yeast-based screening system for discovery of human GLUT5inhibitors and activators (Nature – Scientific Reports)[2]Bruder, S. &Boles, E. (2017): Improvement of the yeast based (R)-phenylacetylcarbinol productionprocess via reduction of by-product formation (Biochemical EngineeringJournal).[3]Gottardi et al. (2017):De novo biosynthesis of trans-cinnamic acidderivatives in Saccharomycescerevisiae (AppliedMicrobiology and Biotechnology).[4]Bracharz et al. (2017):The effects of TORC signal interference on lipogenesis in theoleaginous yeast Trichosporonoleaginosus (BMCBiotechnology). [5]Bruder et al. (2016):Parallelised onlinebiomass monitoring in shake flasks enables efficient strain and carbon sourcedependent growth characterisation of Saccharomycescerevisia (MicrobialCell Factories).

p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 什么是CGQ？ /strong /span /p p CGQ （Cell Growth Quantifier）系统，是一种在线实时监测摇瓶中生物量设备，通过摇瓶底部光学检测器，对培养物进行实时跟踪检测。测量时不需要将摇瓶从摇床中取出，也无需停止摇床运作，CGQ 系统通过专利的光学测量技术，自动监测生物量浓度。使用CGQ可以获取高准确率的生物生长动力学曲线。相对于传统的取样检测有着无可比拟的优势。 /p p br/ /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 传统摇瓶中生物量检测方式 /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/2a99060a-0161-4d06-9bcb-f970c3259735.jpg" title=" 1.jpg" / /p p br/ /p p br/ /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 传统的手动取样检测有诸多弊端： /strong /span /p p 时间成本高（每个摇瓶的测量数据获得需要几分钟）& nbsp /p p 手动测量 ，无法完成定时自动测量 /p p 效率低（定时，手动操作，数据获取密度低）& nbsp /p p 侵入性（因为需要取样测量，培养体积会变小，培养环境会改变）& nbsp /p p 运行成本高 (需要耗材)& nbsp /p p 每次测量取样，存在污染风险 /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong CGQ工作原理 /strong /span /p p CGQ通过底部的LED灯发射光线，检测器通过OD600nm波长进行生物量测定。生物量与检测器的光线检测量成正比。 /p p br/ /p p br/ /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/e8b65411-0758-47e4-90f1-377baab362a1.jpg" style=" " title=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/7ec2c9b1-1389-4d91-b53a-12a65b6d8c6d.jpg" style=" " title=" 3.jpg" / /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 使用者可精确的实时监测生物量和生长曲线 /strong /span /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/e9e74d80-932b-4e6e-8bc0-5a128944277b.jpg" title=" 4.jpg" / /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong CGQ在线检测产品特点： /strong /span /p p 非侵入性（放置于培养瓶底部，不与培养基接触） /p p 持续性好，不会对微生物/ 细胞生长造成影响 /p p 自动测量；节省操作时间和成本 /p p 实时测量 /p p 对任何偏差反应迅速 /p p 数据采集量大 /p p 在设定时间内对工艺过程进行详细监测 /p p 平行反应监测 /p p 可以同时监测最多16 个摇瓶 /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 操作步骤简单： /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/561b2374-a548-42cc-8ada-44b606857be9.jpg" title=" 6.jpg" / /p p span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 适用于各种现有实验室培养系统： /strong /span /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/6aca9de1-7c75-4c34-832a-8a7ed64836e4.jpg" style=" " title=" 7.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/bcd718f5-b9d7-4031-8f0f-467e7ed8ccf8.jpg" style=" " title=" 8.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/9a177d36-10ca-4094-9a9d-8e11140122b9.jpg" style=" " title=" 9.jpg" / /p p CGQ 系统可以用于多种科学应用：生长曲线指引的蛋白表达；培养基开发/优化；菌种筛选/比较；监测限制因素以及染菌；分析生长动力学曲线；优化培养条件；在线监测嗜热微生物等。 /p p class=" t" strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 关于北京桑翌实验仪器研究所 /span /strong /p p Shinetek Instruments Research Institute 成立于2000 年，是一家集研发、生产、贸易于一体的集体所有制股份合作企业，公司为国家级高新技术企业。公司主营业务是为生命科学研发生产领域的客户提供一站式解决方案，尤其专注于生物培养设备及生物培养上下游设备的研发生产及系统集成。 /p

法国LOV（Laboratoire d'Océanographie de Villefranche-sur-Mer；索邦大学和法国国家科学研究中心的联合研究单位）实验室的科学家Laetitia等人利用UVP的水下原位观测结果，结合机器学习模型，预测了19个浮游动物类群（ESD范围为1-50mm）的全球生物量分布，并探讨了其与环境因素的关系。研究背景浮游动物存在于全球所有海洋中，它们在海洋食物网和生物地球化学循环中发挥着重要的作用，是生物碳泵的主要驱动力，并为维持鱼类群落的稳定作出了巨大贡献。但浮游动物对环境条件很敏感，因此被认为是海洋变化的哨兵。它们的分布受到海洋中物理、化学、以及生物因素的相互作用及调控。为了更好地理解浮游动物的重要性，需要对浮游动物的生物量和功能群进行全球定量评估。目前只有少数浮游动物群体的全球分布得到了很好的研究，这些群体通常使用浮游生物网采样。但还有很多浮游动物类群非常脆弱，非常容易受到浮游生物网的破坏，或者易在固定液中保存不良，导致它们的生物量和在海洋生态系统中的生态作用被低估。在这种情况下，使用非侵入式的原位成像方法对浮游动物进行研究，显得尤为必要。在众多水下原位成像系统中，只有水下颗粒物和浮游动物原位成像系统（UVP）在全球范围内被广泛应用。研究过程Laetitia等人通过对全球范围内2008年-2019年之间获得的超过3549个UVP剖面（0-500米，图1）上的466872个个体进行了分类，估计了它们的个体生物量，并使用分类特定的转换因子将其转换为生物量。然后将这些生物量与环境变量（温度、盐度、氧气等）的气候学联系起来，使用增强回归树等机器学习算法，建立了生物量与环境因素之间的关系模型，以此预测全球浮游动物的生物量。图1 本研究使用的UVP数据集地图。透明度用来说明地图上点的密度。水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统UVP（图2）主要用于同时研究水下的大型颗粒物（80μm）和浮游动物（700μm），并在已知水体体积下对水中颗粒物和浮游动物进行量化。UVP使用传统的照明设备和经电脑处理的光学技术，来获得浮游动物原位数字图像，图像后续可以通过EcoTaxa浮游动物数据库共享平台（图3）来进行浮游动物种类鉴定及分类。图2 水下颗粒物和浮游动物图像原位采集系统UVP。左图为本实验中使用的UVP5（目前已停产）；右图为升级版本UVP6-HF，与UVP5功能相同，且重量更轻图3 EcoTaxa浮游动物数据库共享平台对浮游动物进行种类鉴定及分类研究结果结果表明，浮游动物对环境很敏感，并会对环境的变化作出反应。全球浮游动物的生物量呈现出一定的空间分布模式，生物量最高的区域位于大约60°N和55°S附近（图4），而在海洋环流附近最低。此外，预计赤道的浮游动物生物量也会增加。保守预估，全球综合浮游动物生物量最小值（0-500 m）为0.403PgC。在不同的浮游动物群体中，桡足类为最主要的群体（35.7%，主要分布在极地地区），其次为真软甲类（26.6%）和有孔虫类（16.4%，主要分布在热带辐合带）。图4 利用分类群预测的0 ~ 500m全球生物量分布图图5 在世界范围、高纬度和低纬度模式下，0-200 m（A）和200-500 m（B）深度下预测平均生物量（PgC）的条形图，从高到低排列。研究结论尽管研究取得了一些重要发现，但也存在一些限制和挑战。机器学习模型对浮游动物数据库的大小比较敏感，并且对于稀有类群的预测能力较弱。因此，在未来的研究中，需要进一步改进模型以提高对这些类群的预测能力。总而言之，本研究提供了有关全球浮游动物生物量分布的重要预测结果，并揭示了其与环境因素之间的关系。这对于深入了解浮游动物在海洋食物网和生物地球化学循环中的作用具有重要意义。随着UVP等数字成像方法的不断发展和应用，科学家们将能够更准确地估计全球浮游动物的生物量分布，并为保护海洋生态系统提供更有效的决策依据。参考文献1. Drago L, Panaï otis T, Irisson J O, et al. Global distribution of zooplankton biomass estimated by in situ imaging and machine learning[J]. Frontiers in Marine Science, 2022, 9.

盐沼是地表过湿或季节性积水、土壤盐渍化并长有盐生植物的地段。滨海盐沼以草本植物为主，沿潮间带延伸，可忍受高盐条件和因涨潮引起的周期性淹水。盐沼植被生产力高，可为许多物种提供繁殖、觅食和越冬的场所。盐沼植被地上生物量（AGB）的估算为监测盐沼生态系统时空稳定性、生产力和地上碳储量提供了有用信息。然而，以往关于AGB的估算研究主要局限于站点水平，且通常基于单一植被类型。与野外地面调查方法相比，遥感（RS）卫星成本低、速度快、范围广，在盐沼植被结构和生物物理指标的空间估计方面更具优势。其中，UAV-LiDAR数据具有较高的时空分辨率，在滨海盐沼三维结构监测中具有很大潜力。然后目前，利用UAV-LiDAR数据估算盐沼植被AGB的研究有限。为了确定滨海盐沼潮沟对植被群落空间分布及其生物量的影响， 来自复旦大学的研究团队在上海崇明东滩滨海湿地（121°54′-121°55′E，31°27′-31°28′N）进行了研究，主要目的为：（1）探索UAV-LiDAR数据估算盐沼植物AGB的潜力；（2）研究潮沟对盐沼植物群落空间格局及其地上C储量的影响。作者于2019年9月基于DJI M600平台，利用LR1601-IRIS LiDAR传感器（北京理加联合科技有限公司，北京依锐思）收集UAV-LiDAR数据。于2019年9月27日和28日获取光学图像数据。于2019年10月和2020年10月收集植被样品，测量其高度和地上生物量，同时收集土壤样品，测量其土壤含水量和土壤盐分。基于盐沼植被群落所有样本，利用线性回归模型（多元线性回归，MLR）和5个机器学习回归模型，包括广义线性模型（GLM）、梯度提升机（GBM）、人工神经网络（ANN）、基于核正则化最小二乘（KRLS）和随机森林回归（RFR） 建立预测模型。通过R2和RMSE评估模型性能。研究区和采样点位置。【结果】滨海盐沼植被AGB实测值和预测值之间的关系。（a）MLR；（b）KRLS；（c）ANN；（d）GBM；（e）RFR；（f）GLM不同盐沼群落AGB的空间分布、验证和比较。（a）利用UAV-LiDAR数据和随机森林模型进行盐沼植被AGB制图。（b）不同盐沼群落AGB平均值。（c）AGB实测值和预测值的回归拟合。（d）AGB预测值的密度分布曲线。与潮沟不同距离的盐沼AGB的比较。（a）代表整个植被群落AGB变化趋势；（b-e）分别代表PA，IC，CS和SM的AGB变化趋势。D1：0-50 m；D2：50-100 m；D3：100-150 m；D4：150-200 m。【结论】基于UAV平台收集的高分辨率图像和LiDAR数据，估算了盐沼群落的空间分布和AGB。研究表明，通过改变土壤盐分和水分条件，与潮沟的距离会对群落空间格局和盐沼植被AGB具有重要影响。研究结果证实了UAV-LiDAR数据与随机森林算法相耦合可简便有效的检测盐沼AGB。综上所述，该研究提供了一种估算盐沼地上C储量的有效方法，强调了精确估算在制定合理的科学测量进行滨海生态系统管理和保护中发挥重要作用。

10月21日至22日，中国海洋湖沼学会底栖生物学分会第三届底栖生物学学术研讨会在山东青岛召开。会议以“新时代底栖生物多样性研究与保护”为主题，来自全国底栖生物学研究领域64家相关单位200余位专家、学者和研究生参加会议。作为藻分类监测的优秀企业，宝怡环境科技（上海）有限公司（安洲源旗下）受邀参会，展示了最新的产品和研发成果，吸引了参会专家学者的关注。中国海洋湖沼学会理事长、中国科学院海洋研究所所长王凡研究员、徐奎栋研究员分别在开幕式致辞。会议围绕“底栖生物多样性与演化”和“底栖生物生态与适应”设置两个平行分会场，62位专家学者作了分会场报告，22位专家学者进行了墙报展示。会上，宝怡环境展示了野外藻类分析仪、在线藻类测定仪、手持式底栖藻类测定仪等领先产品 ，参会观众对手持式底栖藻类测定仪表现出浓厚的兴趣，与宝怡环境工作人员开展了深入交流和探讨。手持式底栖藻类测定仪(Bentho Torch)是一款适用于野外现场对着生藻类生物量(叶绿素a)进行快速定量分析的高灵敏度检测设备，仪器自带充电电池，一次充电可满足6小以上时连续测量。仪器工作电压为12VDC，功率小于10W，是一款理想的便携式底栖藻类测量仪器。仪器无需任何化学试剂，也无需对样品进行预处理。仪器能够实现对蓝藻贡献的叶绿素a的浓度，绿藻贡献的叶绿素a浓度，硅藻贡献的叶绿素a浓度进行检测。仪器通过470nm, 525nm以及610nm共3个波段的激发光源对着生藻类进行照射，通过检测680nm处的藻类荧光反射信号进行藻类叶绿素a浓度的计算。手持式底栖藻类测定仪不仅能够快速可靠地实时判定着生藻类的叶绿素a浓度，同时检测结果带有点位GPS地理信息，可以方便的后期通过地图软件进行测量点位的数据处理 。仪器采用一体化设计，检测单元，操作显示单元，传输单元一体化集成，方便于现场使用。同时仪器也可以通过bbe++软件实现操作及数据处理。通过这次学术讨论会，宝怡环境展示了最新的技术和产品，与参会人员分享了研究成果和进展，建立起广泛的联系和友谊，进一步增强了专业影响力。未来，宝怡环境将继续致力于技术创新和产品研发，携手更多生态环境领域的科技工作者，为客户提供高效、便捷的解决方案。

近期，海洋二所王春生研究员团队借助ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统对东海的浮游生物样品进行粒径多样性分析，获得的关键数据解释了东海西部浮游动植物生物量之间的时空不匹配现象，为进一步验证粒径多样性假说在实际生态系统或实验中的可靠性提供了方法。相关成果以“Seasonal variation in size diversity: Explaining the spatial mismatch between phytoplankton and mesozooplankton in fishing grounds of the East China Sea”为题发表于Ecological Indicators期刊（IF=4.96，中科院二区）。孙栋副研究员为论文第一作者，刘镇盛研究员和王春生研究员为论文的共同通讯作者。 研究背景东海（ECS）是中国最重要的渔场。在以往的实地研究中，一直发现东海中浮游植物的种群数量与浮游动物生物量之间没有正相关关系。这种现象称为“浮游植物和中型浮游动物之间的不匹配”或“Z/P的变异”。 在浮游生态系统中，物种之间的营养关系会受到群落粒径结构的强烈调节。标准化粒径谱（NBSS）的斜率和群落粒径多样性被认为是粒径结构框架中的两个关键参数。另外，有研究发现，水生群落中食肉动物的存在会阻碍初级生产者向植食性动物传递能量的效率，即当中型浮游动物处于较强的捕食压力下时，它们对浮游植物的控制较弱。此外，还有人认为大型的初级生产者是中型浮游动物的首选，初级生产者的粒径结构变化将影响沿海水域浮游植物和浮游动物之间的营养关系。因此，浮游动物标准化粒径谱（NBSS）的斜率、浮游动物群落粒径多样性、浮游动物食性鱼类的捕食压力及较大型初级生产者的存在都可能会造成东海出现浮游植物和中型浮游动物之间不匹配的现象。研究成果研究团队在东海西部的32个站点进行了采样（图1）。在2019年1月、4月、7月和10月进行的4个航次中，总共收集了122个中型浮游动物样本用于数据分析。 图1. 中国东海西部两个重要渔场的海流和采样站点图。在每个站点进行浮游生物采样和环境调查。箭头表示台湾暖流（TWC）和东海沿岸流（ECSCC）。 收集到的样品使用法国HYDROPTIC公司的ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统（图2）进行测量。在使用过程中，直接将处理好的浮游动物样品倒入ZooSCAN 11cm×24cm的扫描区域中进行扫描, 每次扫描通常测量500-4000个个体，扫描精度为4800dpi，以得到浮游动物样品的图片；之后使用仪器配套的ZooProcess软件对样品图片进行处理，得到浮游动物数量、不同浮游动物的等效球体直径（ESD）等关键生态学数据，由此计算浮游动物个体的粒径、生物量；此外，利用仪器携带的软件上的数据库，可以对被检测对象自动进行浮游动物种类分类，以便对不同类群的浮游动物进行生物学统计。图2. 浮游动物图像扫描分析系统ZooSCAN 此外，采用标准方法测得单位面积浮游动物食性鱼类的生物量（kg km-2），代表对中型浮游动物的捕食压力。测得20 μm Chl a/总Chl a的比值作为浮游植物粒径结构的代用指标，代表较大的初级生产者。使用线性混合效应模型（LMM）研究Z/P如何受到浮游动物群落粒径多样性、NBSS斜率、浮游动物食性鱼类的捕食压力以及较大的初级生产者比率的影响。以此来验证造成浮游植物和中型浮游动物之间不匹配的四个假设：（a）中型浮游动物标准化粒径谱（NBSS）更平坦的斜率提高了Z/P；（b）较高的中型浮游动物粒径多样性增强了Z/P；（c）来自浮游动物食性鱼类的更强的捕食压力降低了Z/P；（d）规模较大的初级生产者提高了Z/P。统计结果表明log2（Z/P）存在较强的季节性变化。春季中，粒径多样性是唯一重要的解释变量（p = 0.004）。夏季中，粒径多样性、NBSS斜率和浮游动物食性鱼类的生物量都是重要的解释变量（p 在ZooSCAN浮游动物图像扫描分析系统的助力下，研究团队验证了东海西部浮游植物与中型浮游动物生物量之间空间不匹配（Z/P的变异）的假设，并得出结论：除冬季外，浮游动物的粒径多样性是东海中各季节Z/P空间变化的最佳解释。该研究受到了国家重点研发计划课题（2018YFC1406304）和国家自然科学基金面上项目（42076122, 41976091）的共同资助。

p 　　最近，一则“我国科学家发现小球藻‘吃’烟气中的氮氧化物和二氧化碳”的消息引起了很多人的好奇。 /p p 　　小球藻是什么?它“吃”下氮氧化物和二氧化碳又变成什么? /p p 　　首次证明了“生物减排”可行性 /p p 　　近年来大气雾霾严重影响了人民群众的健康与生活，氮氧化物是酸雨与雾霾的主要诱因。我国2016年氮氧化物排放总量高达23兆吨，位居世界第一。 /p p 　　消除氮氧化物的技术叫“脱硝”，由于氮氧化物能跟水反应生成硝酸根、亚硝酸根，正好是微藻可利用的氮营养，所以通过微藻培养可以消除氮氧化物污染，发展新型生物脱硝技术。由此获得的微藻生物质副产品则可以作为蛋白、油料的来源，满足水产饲料、生物能源等行业的原料需求。 /p p 　　微藻生物量中碳和氮元素含量分别占50%和10%左右。微藻是地球上将二氧化碳与无机氮转化为有机物效率最高的一种光合微生物，被誉为是由阳光驱动的高效“生物工厂”。 /p p 　　可不可以将这座“生物工厂”装进电厂，让微藻“吃”下工业烟气中的氮氧化物和二氧化碳，实现碳减排并降低环境污染，同时又可以生产出生物能源的原料和高附加值产品，实现“一石双鸟”? /p p 　　在国外从事了8年藻类生物学研究的王强，作为中国科学院水生生物研究所引进“百人计划”研究员，2010年7月回国组建微藻研究团队，开始投入这项研究。 /p p 　　2014年，首篇论文率先发表在国际环境学领域顶级期刊《环境科技》上。此项研究被认为在国际上“首次证明了微藻用于工业污染物减排的同时生产高附加值产品的可行性”。 /p p 　　闯过一道道工业实验难关 /p p 　　7年时间，王强团队把设想逐步变成了工业的可行性，这中间他们走过了艰难的历程。 /p p 　　首先是藻种问题。在繁多的藻类中，什么藻种“吃的多，又产的多”? /p p 　　小球藻是一种球形单细胞淡水藻类，直径3—8微米，繁殖率超强。王强说：“小球藻最快2个小时可以繁殖一代，也就是说它的生物量两个小时可以翻一翻，生长快工作效率自然也高。” /p p 　　经过不断地筛选，最终获得的小球藻比常规小球藻油脂和生物量生产率分别提高了39%和35%，脱硝率可达96%以上。 /p

2013年12月10日，Hamilton(瑞士哈美顿)宣布已签署了一项协议，收购全球生物量监测公司Fogale Nanotech的生物传感器业务。这笔交易预计在2013年12月完成，具体交易金额没有披露。随着该项收购的完成，Hamilton成为唯一能提供所有有价值过程监测参数的传感器制造商，如pH、溶解氧和生物量。 　　据Hamilton实验室和传感器副总裁Jö rg Pochert介绍，FOGALE的生物传感器主要利用活细胞的介电性能，其优势在于只测量活细胞密度。不同于光学技术，该系统对于气泡、微载体、细胞碎片，以及悬浮液中的其它颗粒不敏感。(编译：杨娟)

土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量【温室气体】人类活动造成温室气体排放急剧增加，全球地表温度持续上升，显著改变了自然生态系统碳水循环格局。极端气候事件，尤其是极端干旱事件发生的频率和强度不断升高，对土壤含水量、土壤微生物群落结构和功能、土壤异养呼吸（Rh）以及土壤甲烷（CH4）通量具有重要影响。高寒泥炭地拥有巨大的碳储量，对气候变化高度敏感。虽然目前围绕高寒泥炭地碳排放开展了一些研究，但对高寒泥炭地生态系统碳排放对极端干旱响应的微生物机制仍不清楚。若尔盖国家级自然保护区基于此，中国林业科学研究院湿地研究所的研究团队以青藏高原东部若尔盖国家级自然保护区高寒泥炭地（33°47′56.62′′ N，102°57′28.44′′ E，3430 m.a.s.l.）为研究对象，依托模拟极端干旱的野外控制实验平台，通过原位观测和室内试验相结合，旨在解决以下问题：（1）不同植物生长期，极端干旱如何影响Rh和CH4通量?（2）极端干旱如何影响土壤微生物群落结构和功能群?以及（3）驱动Rh和CH4通量变化的主要因素是什么？作者于2019年6月18日至9月25日测量了Rh（PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统（北京理加联合科技有限公司））和CH4通量（一个闭路静态室（0.5×0.5×0.5 m）+ABB LGR便携式温室气体分析仪（UGGA，GLA132-GGA））。试验三个生长期结束时，作者测量了样地0-20 cm土壤的土壤性质，包括总氮（TN）、土壤有机碳（SOC）、有效磷含量（AP）、总磷（P）、pH值、溶解有机碳（DOC）、土壤含水量（SWC）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、微生物生物量磷（MBP）、微生物生物量氮（MBN）和微生物生物量碳（MBC）。此外，还进行了新鲜土壤样品的DNA提取、PCR扩增和测序。图1 PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统。【结果】图2 不同植物生长期极端干旱对土壤异养呼吸（a）和甲烷通量（b）的影响。“ED”，“MD”，和“LD”分别代表植物快速生长期、盛花期和植物生长衰退期。图3 不同植物生长期极端干旱对细菌碳循环功能群的影响。图4 驱动因素对土壤微生物呼吸（a）和甲烷通量（b）的相对贡献。【结论】极端干旱导致植物生长衰退期土壤异养呼吸显著降低38.04 mg m−2h−1，但对CH4通量无显著影响。极端干旱显著降低了细菌的α多样性，显著降低了植物快速生长期和衰退期的Rokubacteria和Chloroflexi菌的相对丰度，显著增加了盛花期Actinobacteria菌的相对丰度。在植物快速生长期和盛花期，极端干旱使芳香烃降解功能群（aromatic hydrocarbon degraders）相对丰度分别降低了50.26%和64.37%。在植物生长衰退期，极端干旱显著降低了甲醇氧化（methanol oxidizers）和木质素降解（lignin degraders）功能群的相对丰度，分别为81.63%和82.08%。随机森林模型分析表明，细菌功能群在决定土壤异养呼吸和甲烷排放中起着重要的作用。芳香族化合物降解（aromatic compound degraders）和芳香烃（aromatic hydrocarbon degraders）降解功能群对土壤异养呼吸累计贡献率为11.89%。芳香族化合物降解（aromatic compound degraders）、芳香烃降解（aromatic hydrocarbon degraders）、脂肪族非甲烷烃降解（aliphatic non-methane hydrocarbon degraders）和甲基营养（methylotrophs）功能群对甲烷通量的累计贡献率为13.29%。研究结果强调土壤细菌碳循环功能群对于探索未来极端干旱背景下土壤碳循环可能的微生物响应机制至关重要，为高寒泥炭地应对未来气候变化提供了理论基础和科学依据。【产品简介】PS-9000是一套用于测量土壤CO₂通量的便携式测量系统，采用动态气室法测量，专利设计。具有控制测量、存储和数据处理等功能，可测量呼吸室内CO₂浓度变化，同时结合自身测量的空气温度、大气压、土壤温度等传感器的数据，计算处理得到CO₂通量。PS-9000可通过掌上控制器实现无线操作，实时显示仪器测量的各种参数值，并可现场修改各种设置参数。

7月25日，由生态环境部牵头的大气环境监测卫星在轨投入使用，标志着全球首颗具备主动激光二氧化碳探测能力的卫星在北京正式交付。生态环境部、中国气象局、农业农村部、中国科学院等相关单位共同签署了卫星《在轨投入使用证书》。此外，由生态环境部参与研制的陆地生态系统碳监测卫星一并投入使用。作为世界首颗采用激光主动探测手段的高精度大气环境遥感卫星，大气环境监测卫星可对大气细颗粒物、污染气体、温室气体、云和气溶胶以及陆表、水体等环境要素，开展大范围、连续、动态、全天时综合监测，并首次实现了全球全天时1ppm（百万分之一）高精度二氧化碳柱浓度探测。发布的首批应用成果，包括首个高精度全球全天时二氧化碳柱浓度分布图、首个全球二氧化氮柱浓度遥感图、全球臭氧柱浓度遥感图、全球PM2.5产品分布遥感图等20余项产品。陆地生态系统碳监测卫星又称“句芒号”，是世界首颗森林碳汇主被动联合观测的遥感卫星，可探测植被生物量和植被生产力，同时满足地理测绘、灾害评估、农情遥感等需求。该卫星实现了对森林植被高度、生物量、叶绿素荧光的定量遥感探测，提升了我国和全球森林碳汇监测能力。发布的首批应用成果，包括海南岛叶绿素荧光空间连续产品、东北虎豹公园生物量反演产品、京津冀地区冬季小麦产量和夏季玉米生物量等20余项产品。两颗卫星在轨投入使用，对于推动构建现代化生态环境监测体系，动态监测我国大气污染状况，有效监测全球二氧化碳柱浓度和分布，探测植被生物量和生产力，提升全球温室气体、生物量高精度定量化遥感监测能力，支撑碳达峰碳中和、美丽中国建设等国家战略具有重要意义。

导读反刍动物是指具有反刍习性的一类哺乳动物，如牛、羊、长颈鹿、兔子等。反刍动物采食一般比较匆忙，大部分未经充分咀嚼就吞咽进入瘤胃，经过瘤胃浸泡和软化一段时间后，食物经逆呕重新回到口腔，经过再咀嚼混入唾液并再吞咽进入瘤胃，这种行为称为反刍行为。反刍动物的食物种类比其他种类的动物更丰富，结构组成也更复杂，但草料中的粗纤维含量较高导致其难以消化，反刍动物依赖于胃部微生物群的代谢能力来消化各种物质，但其转化效率低也是养殖业广泛关注的问题。虽然已有研究证明瘤胃中不同微生物的活性可以调节宿主利用植物生物能量的能力，但定植于宿主瘤胃中的微生物却很少受到关注。奥地利维也纳兽医大学的Cameron等人在Research Square在线发表了题为《Differential partitioning of key carbon substrates at the rumen wall by recently diverged Campylobacteraceae populations》的研究论文。文章采用多重数字PCR（dPCR）量化同一菌科的两种菌群，分析反刍动物瘤胃上的定植菌群分布及生物进化动态，为今后畜牧业提高动物代谢能力的研究提供了新思路。应用亮点：▶ 宏基因组测序发现瘤胃上皮细胞中弯曲杆菌科两个种群的基因序列高度相似，利用naica® 微滴芯片数字PCR系统可以对两个种群进行精准量化。▶ 使用不同培养添加物后，可以利用naica® 微滴芯片数字PCR系统进行微生物种群分布跟踪。研究成果：作者通过对瘤胃上皮微生物组的16S rRNA扩增子分析发现了一个优势菌株（OTU）为弯曲杆菌科（Campylobacteraceae），并通过宏基因组测序发现该OTU两个主要种群Ca. C. stinkeris与Ca. C. noahi的基因含量高度相似，但pgl（蛋白质糖基化）操纵子不同。为了探究Ca. C. stinkeris与Ca. C. noahi两个种群空间分布的差异，作者通过naica® 微滴芯片数字PCR系统比较了这两个种群在不同动物瘤胃乳突离上皮壁最近和最远两个位置的含量。结果发现不同动物的两个种群在这两个位置的比例接近。▲图1 Ca. C. stinkeris 和Ca. C. noahi在动物瘤胃乳突顶端和隐窝的含量比例。A）从乳突切片两个位置提取DNA使用dPCR进行定量分析。B) Ca. C. stinkeris 和Ca. C. noahi在动物瘤胃乳突两个位置的含量比例。横坐标为取样动物的名字。然后作者使用naica® 微滴芯片数字PCR系统对两种菌群进行生长和适应性测定，数据显示Ca. C. stinkeris可以在以醋酸盐为主要碳源时积累的生物量，更好地生长，但被丙酸盐抑制，而Ca. C. noahiz在任何一种添加物存在的情况下在都没有检测到生长优势。因此，作者推断可能存在一些其他机制来最小化竞争，这种机制通过某些代谢生态位维度上的分化，防止它们生长动力学的重叠来支持两个种群的共存。▲图2 醋酸盐利用和丙酸盐抗性检测。A)通过种群特异性dPCR，评估添加5 mM醋酸盐（acetate）或丙酸盐（propionate）对生物量积累的影响。分别用单个菌株(左，单一培养)和竞争菌株(右，共培养)进行了实验。通过数字PCR这种精准的定量技术，作者发现在瘤胃乳突的顶端和隐窝都分布有这两种优势菌群，且与上皮细胞分布数目无显著的相关性。另外，这两种菌群能够促进相关脂肪酸的代谢，进而发挥促进食物消化的功能。该文章为通过调节反刍动物体内某些盐离子浓度来调节优势菌群的分布比例进而提升消化能力提供了思路。

化妆品为什么会出现微生物超标现象？ 如果是一个正规的生产流程，不应该出现微生物超标现象。因为在我们的生产流程中，每一项都有严格的检测及控制，在生产过程中，我们都会遵循GMP((Good Manufacture Practice良好生产规范)的国-际标准。在中国，正规上市的产品都必须具备卫生许可证，这个卫生许可证也对产品的生产过程做了详细和严格的规定。其中很多关键环节都是在密封或是严格控制的卫生环境中进行。这一系列规定的目的就是要将微生物量减至最低，其他的污染物不可能流入进去。如果出现微生物超标现象，就有可能是某些环节出了问题。 化妆品生产过程中使用的原料、容器和制作过程中均可受微生物污染，尤其在灌装过程更易受污染。化妆品各种原料都有被微生物污染的可能，其中尤以天然动植物成分、矿产粉剂、色素、离子交换水等原料易受微生物污染。某些剂型化妆品富含水分和营养成分，如膏霜类化妆品多属“营养型”，其中因加入各种氨基酸，蛋白质或滋补品（胎盘提取液、人参、甘草提取液等）成分而有利于微生物生长繁殖。 化妆品含有适合微生物生长的成分，而且受安全性的考虑防腐剂的使用受到许多限制。因此它在控制微生物污染这个问题上与医药品、食品有不同的要求。 微生物污染关键点控制： 1、生产设备的消毒 2、生产环境的消毒 3、包装材料的消毒 4、人员卫生管理 为什么很多化妆品企业在生产过程中，各个环节也做了消毒，却还是时不时的出现微生物超标的问题，究其原因还是消毒产品和消毒方案不正确的所致，就如同感冒了，去买感冒药，有的药用着就有效果，有的药用着就没有效果。而有的人第1次用这种药有效果，下一次就没有效果了，这就存在一个对症下药和抗药性的问题。

黑果枸杞花青素在合成生物学中的研究进展合成生物学”1简介中国科学院华南植物园农业与生物技术中心的药用植物种质创新与利用团队，在国家自然科学基金和中国科学院战略重点研究计划等项目的支持下，通过多组学联合分析，在黑果枸杞（Lycium ruthenicum）花青素代谢工程方面取得了显著的研究进展。这项研究的成果被发表在《食品前沿》（Food Frontiers）杂志上。DOI: 10.1002/fft2.4402植物天然色素花青素是一类广泛存在于植物界中的水溶性色素，属于黄酮类化合物。它们对植物的颜色表现至关重要，同时也是许多水果、蔬菜和其他植物产品呈现红色、紫色到蓝色等颜色的主要原因。其在很多领域都发挥重要作用，如：在食品工业领域，作为天然色素添加到食品和饮料中，提供颜色并增加产品吸引力。用于制作功能性食品，利用其健康促进特性等。在生物医药领域，花青素具有多种健康益处，包括强大的抗氧化活性，能够减轻氧化应激，预防某些慢性疾病。它们还具有抗炎、抗癌和改善心血管健康等潜在益处。传统上，花青素主要通过从植物中提取获得，但这受到植物生长季节的限制，周期长，含量低，且提取工艺繁琐；此外，花青素的化学全合成成本高，难度大。黑枸杞作为国家二级重点保护植物，同样也有“花青素之王”的美称。艾培炎、韦国等科研人员通过多组学联合分析，挖掘出调控花青素合成积累的核心转录因子LrAN2。在前期建立的黑果枸杞高效遗传转化体系的基础上、通过完善愈伤组织诱导、优化悬浮细胞培养体系等一系列措施，取得了悬浮愈伤组织高效合成果实花青素主成分 petanin 的突破性进展，实现了 96.23 毫克/克干重的花青素高产。这一研究成果可有效缓解野生黑果枸杞资源被过度开发利用的窘境、保护我国西北地区脆弱生态环境。3步琦合成生物学整体解决方案在实验过程中，生物样品通常会采取冷冻干燥的方式保存来保证样品的生物活性。而步琦则可提供包括-55℃/-85℃/-105℃多款高性能冷冻干燥机可选。▲ 冷冻干燥机 L-200文中所提到的，关于培养条件对 LrAN2OE 悬浮细胞花青素产量和生物量的影响，通过优化培养-基的条件（如5％蔗糖或葡萄糖对 LrAN2OE 悬浮细胞的生物量和花青素产量有积极影响），使得花青素产量最高达96.23 mg/g DW。在此阶段，步琦公司也有在线近红外手段实时监测培养基各项指标参数，帮助实验条件优化。▲ NIR-Online发酵后代谢产物的浓缩同样非常重要。通过浓缩，可以显著提高代谢产物的浓度，使其更容易进行后续的处理和应用，从而有助于简化后续的分离和纯化步骤。步琦在样品浓缩方面拥有丰富的经验和解决方案，从实验室级到工业级全方面覆盖。▲ 旋转蒸发仪 R-300▲ 工业级旋转蒸发仪 R-220 Pro浓缩产物的分离纯化是拿到目标产物花青素的关键，如文中所说，采用分析型 HPLC 在 UV 530nm 波长下对花青素进行检测并选定纯化条件。那么如何能够快速有效且大量得到花青素产物呢？步琦公司在样品制备领域拥有高性能的中压/高压制备色谱，可大大提高样品单次处理能力。▲ NIR-Online

菌种是微生物培养的前提条件。优良的菌种，是微生物高效培养的前提。无论是摇床培养还是发酵培养，优良的菌种对培养的效果都有至关重要的意义。 微生物在生长过程会经历迟缓期、对数生长期、稳定期和衰亡期。微生物在培养和传代过程中会发生变异，次生产物，细胞活力变化等。微生物在生长过程 微生物对数期生理状态相对稳定，较稳定期次生代谢物少，且生命力旺盛。对数生长期是保持菌株优良性状不退化和存活率的阶段，也是最佳菌种保存期。 如何对培养过程中的微生物处于某个生长阶段进行判断？目前较多采用的方法是取样检测。取样检测会产生培养间断，染菌风险，无法连续获取数据等制约。无法获得准确的微生物生长过程信息取样检测 WIGGENS生物生长量在线监测设备CGQ系统，可以通过外置式光学传感系统，对培养的微生物生长状况进行实时监测。数据收集器会根据光学传感器的数据值，反应微生物生长情况，准确的把握微生物的生长状态。通过显示器直接读取生长曲线，可以判断微生物在当前培养条件的所处的生长时期。摇瓶培养在线监测 | 发酵罐培养在线监测 CGQ系统实时监测生长曲线，能够让操作者及时掌握微生物生长状况。举例：在发酵中，一般要控制发酵条件时，控制在微生物生长曲线稳定期结束前，比如酸奶发酵，时间过短，微生物还处于繁殖期，发酵效果不好；发酵时间过长，微生物处于衰退期，衰退期将产生很多代谢物，使产品风味发生变化，甚至影响质保；在污水处理中，需要根据不同稳定期选择不同菌种；酿造工业中，发酵时间的选择尤为重要。生物量实时监测 CGQ系统对微生物生长状态的监测，也直接反映了微生物的生长条件变化。通过对微生物生长状态的监测，对培养基成分优化，培养条件改进，工艺流程探索等具有重要指导性作用。 CGQ系统适用于原核细胞和真核细胞培养物实时监测。

在废水处理中，细菌起着很大作用，因此确保细菌在合适的环境中获得养分非常重要。生物处理是污水处理的重要组成部分，在许多行业中被普遍采用。此二级处理工艺依靠各种细菌来分解污水中的污染物并对水进行净化，最终排放到环境中。常规生物处理系统采用活性污泥去除水中的有机污染物。但还有许多其它生物处理方法对净化污水也非常有效，包括固定床系统，如移动床生物反应器（MBBR）和膜系统，如膜生物反应器（MBR）。各种生物处理方法之间可能存在差异，但保持微生物的健康状况对于优化污水处理工艺中污染物的去除至关重要。确保将适当数量的“食物”输送给微生物，有助于维持生物处理系统的健康。一般采用“食物与微生物比”（food to microorganism）或“F:M比”参数。当F:M比太低时，“食物”不足，微生物就会“挨饿”。如果F:M太高，污水中的有机物含量高，微生物会很快变得不堪重负，导致污水中污染物的去除不充分。两种情况都会导致生物处理效率低下，因此有必要找到并保持最佳的F:M平衡，以确保充分去除污染物以符合法规排放要求。F:M比通常由两个常见的检测值确定。在F:M比参数中，F（食物）部分是有机污染物含量，一般使用生化需氧量（BOD5）来检测。5日测试用于检测当细菌分解有机物质时消耗的氧气，从而间接推断水中的碳含量。在F:M中，M（微生物）部分一般通过混合液悬浮固体（MLSS）来检测。这些检测存在一些缺陷，会导致F:M不适用于有效的工艺控制。用于量化微生物水平的MLSS检测无法区分活生物量和死生物量，这不仅使维持最佳F:M比变得非常困难，而且对于理解生物系统的整体健康情况也无法保证。为期5天的BOD检测速度太慢，无法用于工艺决策。当污水处理装置发现碳负荷不平衡时，生物质的不健康状况事实上已持续了多日。这对于污水负荷可变的处理装置尤其是个问题。此外，由于BOD5取决于细菌的使用，因此缺乏可接受的准确性和精确度，且样品中存在的有毒化合物可能会严重干扰检测结果。对生物质的“食物”进行更准确和有效的监测方法是采用总有机碳TOC分析来直接测定污水中的碳含量。与间接BOD测量不同，TOC分析仪直接检测样品中的碳含量。检测更准确，不存在BOD测试常见的干扰问题。TOC检测可以在数分钟内完成，从而使其成为用于工艺控制和处理优化的更有效工具。通过使用TOC分析来检测生物处理有机物负荷，处理装置可以确定“更真实的F:M比”。案例一美国一家大型炼油厂实施了一项为期12个月的研究，对在传统活性污泥生物处理装置中采用TOC分析来确定“真实F:M比”带来的优势进行了分析。通过使用TOC分析快速获得的准确结果，该处理装置能够快速识别有机物负荷变化并确定理想的F:M平衡。工厂认为，当处理装置在其可接受范围内运行时，去除效率非常稳定，且与典型的需氧量测试相比，TOC分析是保持F:M平衡的更有效工具。此外，TOC分析提供的连续在线数据使处理装置能够快速调整流速，并通过确保适当数量的“食物”供给，以使用F:M比，对工艺进行更有效的控制。这减少了生物处理存在的工艺紊乱，并最终节省了与不良微生物健康状况相关的时间和成本。案例二除F:M比，TOC分析已成为优化污水生物处理营养平衡的有用工具。许多处理装置要求污水中的碳含量与养分（通常为氮和磷）保持适当的平衡。美国一家大型饮料厂决定将其传统的生物处理系统升级为高流量膜生物反应器（MBR）系统。虽然这有助于降低工厂的占地面积并改善污水中有机物的去除程度，但由于新上的MBR系统流量大且工厂排放污水中糖负荷会发生变化，这就意味着需氧量测试太慢而无法确保生物处理系统的营养平衡。该工厂要求C:N:P养分平衡比为100:5:1，在增加TOC分析后，该工厂能够跟踪污水中有机物含量的变化并快速进行工艺调整。工厂操作人员能够确定碳含量并调整添加到污水中的氮，以保持最佳的养分平衡。新的工艺可以连续地脱除有机物，大大减少了工艺紊乱，每年为工厂节省数十万美元。传统上，使用生化需氧量确定废水处理是否有效。采用总有机碳TOC分析直接监测碳含量，对于尝试优化生物处理工艺的污水处理装置而言可能是一个强大的工具。与传统的需氧量测试不同，TOC分析可在几分钟内提供准确数据，使操作人员能对工艺快速做出控制决策。使用TOC数据保持有效的F:M比或C:N:P养分平衡，可以确保生物处理工艺的优化。通过TOC分析来监测生物反应器的健康状况，有助于工厂最大程度地减少工艺紊乱，有效去除污染物，获得符合法规要求的外排水。作者简介Adit Jatkar，苏伊士旗下水务技术与方案——Sievers分析仪全球产品应用专员，获得普渡大学化学学士学位，拥有分析仪器和工艺化学技术背景，并在水处理和石油化工行业有丰富的工作经验。本文原文英文版刊登于《Rocky Mountain Water》2020年9月刊。

地球表面面积70.8%是被水覆盖的，几乎所有水体中都有种类繁多的生物生存。19世纪初有人开始对水中的微小生物进行观察，到19世纪80年代，德国学者汉逊提出了浮游生物这一名词，被公认为浮游生物研究的奠基人。近几十年来，为了合理利用管理水资源，保护人类环境，对水体浮游生物学的研究有了进一步的发展和深入。2012年，万深公司整理国内外公开的海量资源，运用先进的视觉检测技术，推出AlgaeC浮游生物智能鉴定计数系统，该系统配有功能强大的浮游生物智能搜索图库，帮助科研人员快速简便地分类统计及鉴定浮游生物，并计算浮游生物量。该系统面市以来用户单位遍布全国，如中国科学院下属海洋、生态、水产等研究所、中国生态环境部，国家海洋局及下属所和监测站，各省市环境监测中心、各农业、海洋院校，以及其他综合性大学的有关专业等。2019年应用户需求，万深公司再次推出：AlgaeAC藻类自动分类计数仪和ZooCC浮游动物自动分类计数仪，实现当地水域藻类、浮游动物的全自动分类计数并报告。为了能让科技人员更好地了解这几款产品，我们将在钉钉上举办2020年度第二场产品推介会。一、会议时间2020年6月5日（周五）晚上19：30分-21：00，签到时间：19：20-19：30。二、会议形式钉钉群在线直播。三、推介产品1、AlgaeC浮游生物智能鉴定计数系统2、AlgaeAC藻类自动分类计数仪3、ZooCC浮游动物自动分类计数仪4、HiCC全自动菌落计数分析仪 四、参加人员从事水生生物学、渔业、水污染防治、环境保护等方面研究的科技人员，及服务于该领域研究人员的经销商公司的朋友。五、钉钉直播培训二维码参会人员须在6月5日晚上19：30点前通过钉钉扫描码加入观看

本篇承接上文。《使用ReacSight增强生物反应器阵列以实现自动测量和反应控制（上）》（点击查看）。《使用ReacSight增强生物反应器阵列以实现自动测量和反应控制（中）》（点击查看）。2.4 探索营养缺乏对健康和细胞压力的影响荧光蛋白可以作为报告物来评估细胞的表型特征，也可以作为条形码来标记具有特定基因型的菌株。再加上生物反应器阵列的自动细胞仪，这种能力扩展了可能的实验范围：在动态控制环境中的多重菌株特性和竞争（图 4a）。事实上，一些荧光蛋白可用于基因分型，其他可用于表型分型。然后，自动细胞仪（包括原始数据分析）将提供关于不同菌株之间竞争动态和每个菌株的细胞状态分布动态的定量信息。根据实验的目标，这些丰富的信息可以反馈给实验控制，以适应每个反应器的环境参数。作为可以进行此类实验的概念的第一个证明，作者开始探索营养缺乏对健康和细胞压力的影响（图 4b，左上角）。微生物群落中的不同物种根据其代谢多样性或专业性有不同的营养需求，因此它们的适合性不仅取决于外部环境因素，还取决于群落本身通过营养物质消耗、代谢物释放和其他细胞间耦合。与分批竞争分析相反，连续培养允许控制这些因素。例如，在恒浊器培养基中，营养素的可用性取决于营养素供应（即输入介质中的营养素水平）和细胞的营养素消耗（主要取决于 OD 设定值）。作者使用组氨酸营养不良作为营养缺乏的模型：对于 his3 突变细胞，组氨酸是一种必需的营养素。通过将 his3 突变细胞与野生型细胞在不同 OD 设定值和喂养介质中不同组氨酸浓度下进行竞争，可以测量营养缺乏如何影响适应性（图 4b，右上角）。在这两个菌株中使用应激报告子也可以了解营养缺乏情况下适应性和细胞压力之间的关系。作者将重点放在未折叠蛋白反应 （UPR）应激上，以研究营养应激是否会导致其他事先无关的应激类型，这将表明细胞生理学中的全局耦合。组氨酸浓度为 4µM 时，在考虑的 OD 设定值（0.1-0.8）范围内，his3 突变细胞被野生型细胞强烈竞争（图 4b，左下角）。当浓度为 20µM 时，情况不再如此。在这种浓度下，野生型细胞的生长速度优势在 OD 设定值 0.6 以下接近零（剩余组氨酸足以使 his3 突变细胞正常生长），在最大 OD 设定点 0.8 时超过 0.2 h −1（剩余组胺过低，限制了 his3 突变体细胞的生长）。因此，对于这种营养供应水平，细胞的营养消耗水平对 his3 突变细胞的适应性有很大影响。4µM 到 20µM 之间 的这种定性变化与组氨酸的单个高亲和力转运体 HIP1 的 Km 常数报告值 17µM 高度一致。此外，因为组氨酸浓度为 4µM 的野生型和突变型细胞之间的生长速度差异接近甚至超过野生型细胞通常观察到的生长速度（在 0.3 到 0.45 h −1之间， 取决于 OD 设定值），作者得出结论，突变细胞在这些条件下完全生长。UPR 数据显示，在组氨酸浓度为 20µM 的所有 OD 设定点上，突变细胞和野生型细胞之间几乎没有差异，但在组氨酸含量为 4µM 时，突变细胞中的 UPR 反应明显激活 （图 4b，右下角）。因此，看似相似的生长表型（例如 4 和 20µM OD 为 0.8 的突 变细胞）可能对应于不同的生理状态（如不饱和蛋白反应应激水平的差异所揭示的）。此外，为了展示基于菌株丰度数据的环境反应控制，作者着手动态控制两个菌株的比率。控制微生物培养物的组成和异质性有望实现更有效的生物加工策略。作者推断，当两种菌株中的一种对组氨酸具有营养缺陷时，培养物的 OD 可以用作方向盘。事实上，组氨酸生物合成突变生长速率在 20µM 的中等组氨酸浓度下对 OD 的强烈依赖性（图 4b，左下角）意味着可以通过切换恒浊器培养物的 OD 设定值来动态控制其生长速率。此外，如果这种菌株与组氨酸原营养菌菌株共同培养，但以 OD 独立的方式生长较慢，则可以实现两种菌株比率的双向控制（图 4c，左）。作者利用繁重的异源蛋白分泌构建了这种菌株。然后，作者构建了一个简单的模型来预测组氨酸营养不良菌株的（稳态）生长速率差异。将此模型用于模型预测控制和 ReacSight 事件系统，作者可以以完全自动化的方式在平行生物反应器（图 4c，右）中保持两种菌株的不同比率。然而，作者注意到稳态误差的系统存在。这种行为可能是由于慢菌株的生长速度意外恢复所致。由于在特征化实验中未观察到这种行为，作者假设这种差异是由于特征化或对照实验中使用的氨基酸供应混合物的组成不同（除了组氨酸外，Sigma 的组氨酸缺失补充物比 Formedium 的完整补充物更丰富）。图 4 探索和利用适应性、营养缺乏和细胞应激之间的关系。a 由于共培养、自动细胞仪和反应性实验控制，结合单细胞基因分型和表型分型的实验得以实现，以实时适应环境条件。b 左上角：必需营养素的可用性（例如 his3 突变株的组氨酸）取决于环境供应，也取决于通过营养素消耗的细胞密度。营养素供应不足会阻碍生长速度，并可能引发细胞应激。右上角：实验设计。野生型细胞（标记为 mCerulean 组成表达）与 his3 突变细胞共同培养。这两个菌株都含有一个 UPR 应激报告基因 mScarlet-I 的驱动表达。自动细胞仪能够将单个细胞分配 给其基因型，并监测菌株特异性 UPR 激活。这两种菌株相对数量的动态可以 推断突变细胞和野生型细胞在每种情况下的生长速度差异。左下图：两种不同介质组氨酸浓 度下突变细胞适应度缺陷的细胞密度依赖性。虚线表示野生型增长率对 OD 设定值的近似依赖性。右下角：每种情况下的菌株特异性 UPR 激活。c 左：双应变联合体的原理，其组成可以通过 OD 控制来控制。右：实施和演示。异源难折叠蛋白的分泌被用作营养独立的慢生长表型。使用模型预测控制和 ReacSight 事件系统对 OD 设定值进行动态控制，类似于图 3b （参见方法）。在时间 0 时开始蓝光，并在整个实验期间保持亮起，以诱导慢 his+菌株的慢 生长表型。作者注意到系统存在稳态误差，测得的比率低于目标值。在补充注释 3 中，作者 研究了限制控制性能的机制（慢生长表型的不稳定性、菌株识别错误和模型中未考虑的延 迟），还提供了其他控制实验的结果。源数据作为源数据文件提供。2.5 ReacSight是一种通用策略：通过吸液功能增强平板阅读器为了说明 ReacSight 的通用性，将其作为通过连接实验室设备来生长细胞和 /或测量细胞读数以及吸管机器人来创建实验平台的策略，作者将 Tecan 平板阅读器与 Opentrons 吸管机器人连接起来（图 5a）。移液机器人和驱动读板器的计算机通过 Flask 连接。因为无法访问平板阅读器的 API，所以再次使用了基于 pyautogui 的“点击”控制策略。在第一个应用中，作者使用移液机器人在生长条件下长时间保持细菌细胞数量。更具体地说，大肠杆菌临床分离物在两种不同的培养基（M9 葡萄糖加或不加 casamino 酸）中生长，并存在不同浓度的头孢噻肟（CTX），一种β-内酰胺抗生素。由于β-内酰胺酶的表达，所选菌株对头孢噻肟处理具有耐药性。它对 CTX 的最低抑制浓度为 2 mg/L。当细胞群 OD 的中位数达到目标水平时，介质将按照补偿蒸发的策略更新（图 5b，左）。通过所选策略，作者能够在至少 15 代细胞中 保持 OD 中值接近所选目标（0.05 或 0.1）（图 5b 右图）。有趣的是，作者观察到，当用 1 mg/L 头孢噻肟处理时，细胞在葡萄糖+酪氨酸钠中的抵抗力比单独在葡萄糖中更好。这有些令人惊讶，因为β-内酰胺类抗生素通常对快速生长的细胞有更强的影响。在第二个应用中，作者使用该平台测试了在不同细胞密度下应用第二剂量头孢噻肟的效果。这些实验在概念上非常简单，但其结果很难预测。低浓度头孢噻肟抑制参与细胞分裂的 PBP3 蛋白，从而导致细丝形成，而高浓度头孢噻肟则抑制参与细胞壁维持的 PBP1 蛋白，并导致细菌溶解。由于成丝作用，即使没有细胞分裂，种群生物量在延长的时间内也可能继续呈指数增长。此外，死亡细胞释 放的β-内酰胺酶在环境中降解抗生素。这导致了细胞死亡和抗生素降解之间的时间赛跑，丝状物有助于延迟这一赛跑，同时增加生物量（图 5c 左）。因此，在不同细胞密度下应用第二剂量抗生素的实验有可能启发人们理解不同的作用（图 5c 中间）。当以 5 10−4 的光学密度开始时，单次处理的结果与分离物的 MIC 一 致，因为高于 MIC 的处理会导致生长明显停滞，而低于 MIC 的处理不会（图 5c， “培养基处理”）。还可以观察到，在前一种情况下，生长在数小时后恢复，这是酶介导的抗生素耐受的典型行为。这两个观察结果在使用 16 mg/L CTX 进行第二次处理的情况下仍然有效。有趣的是，当处理后生长停止时，OD 大约是处理时 OD 的 25 倍：12 10−3 ,6 10−2 和 12 10−2，处理时分别为 5 10−4 , 2.5 10−3 和 5 10−3。这表明，生长停止前活细胞对抗生素的降解是有限的，因此，生长停止之前只有有限数量的细胞死亡。因此，对抗生素处理的耐受性使细胞在死亡前的生物量增加了近 25 倍，然后由于酶介导的抗生素降解，使细胞在处理中存活下来，远远 超过其 MIC。还可以观察到，当初始处理为 4 mg/L 时，生长停止和再生之间的延迟相对恒定（~5 小时），与添加的抗生素总量无关（4 或 20 mg/L CTX）。这表明，生长停止后抗生素降解非常有效，延迟主要对应于无法检测到的再生所需的时间，此时活细胞的动态被死亡生物的光密度所掩盖。在作者的条件下，当第一次处理有效（4 或 16 mg/L）时，第二次处理似乎几乎没有效果。需要进行深入研究，以更量化的方式调查这些影响。图 5 基于 ReacSight 的自动化平台组装，实现反应控制和低容量细菌培养物的表征。a 平台 概述。Opentrons OT-2 移液机器人用于提高读板器（Spark、Tecan）的容量。机器人用于在预先定义的 OD 处处理平板读取器中的培养物。b 左：大肠杆菌临床分离物可以通过以 OD 控制的方式更新培养基来维持在生长条件下。必须注意补偿延长时间范围内的蒸发。右图：富培养基中的细胞（葡萄糖+casaminoacids vs 单独葡萄糖）生长更快，但抵抗更好的亚 MIC 抗生素处理。左：由于两种效应的结合，细菌种群可能表现出对处理的恢复力。在单细胞水 平上，细胞可能通过丝状化耐受超过其 MIC 的抗生素浓度。基于纤维的耐受性允许在细胞 死亡之前增加生物量。在种群水平上，抗生素被环境中细胞死亡时释放的酶降解。最终结果 取决于细胞死亡和抗生素降解之间的竞争。中间：这两种效应的各自作用可以通过反复抗生 素处理来研究。右图：大肠杆菌临床分离物在初始 OD 为 5 10−4 时用不同浓度的 CTX（图 例）处理，第二次使用 16 mg/L CTX（红色）或单独使用介质（蓝色），使用用户定义的 OD （2.5 10−3 或 5 10−3 ). 由于仪器限制，OD 读数低于 10−3 个可靠性较差。源数据作为源数据文 件提供。03 讨论作者报道了 ReacSight 的开发，这是一种通过自动测量和反应实验控制来增 强多生物反应器设置的策略。ReacSight 通过允许研究人员将低成本开放硬件仪器（如 eVOLVER、Chi.Bio）和多功能、模块化、可编程移液机器人（如 Opentrons OT-2）与敏感但通常昂贵的独立仪器相结合，构建全自动化平台，大大拓宽了可行实验的范围。作者还证明，ReacSight 可用于增强具有吸液能力的平板阅读器。ReacSight 是通用的，易于部署，应该广泛用于微生物系统生物学和合成生物学社区。正如 Wong 及其同事所指出的，将多生物反应器装置连接到细胞仪进行自动测量，可以实现微生物培养物的单细胞分辨特性。事实上，在微生物系统和合成生物学的背景下，自动化细胞术几年前已经被少数实验室证明，但低吞吐量或依赖昂贵的自动化设备可能会阻碍这项技术的广泛采用。来自连续培养物的自动细胞仪与最近开发的光遗传学系统相结合，变得特别强大，能够对细胞过程进行有针对性、快速和成本效益的控制。作者使用 ReacSight 将两种不同的生物反应器设置（预先存在的自定义设置和最近的 Chi.Bio-optogenetic-ready 生物反应器） 与细胞仪连接起来。这证明了 ReacSight 战略的模块化，而使用 Chi Bio 生物反应器的平台版本说明了其他缺乏现有生物反应器设置的实验室如何能够以较小的时间和财务成本（不包括细胞仪的成本，尽管其价格昂贵，但即使在缺乏自动化的情况下也已经在实验室中广泛使用）构建这样的平台。作者通过以全自动方式并在不同的反应器中并行执行（1）光驱动的基因表达实时控制，展示了该平台的关键能力；（2）在严格控制的环境条件下，基于细胞状态的竞争分析；动态 控制两个菌株之间的比值。然而，作者只触及了这些平台提供的巨大潜在应用空间的表面。最近通过核 糖体移码技术证明，菌株条形码可以扩展到 20 株带有两个荧光团的菌株，甚至可以扩展到 100 株带有三个荧光团。这种多路复用能力对于并行描述各种候选路径的输入-输出响应（或菌株背景库中路径行为的依赖性）特别有用（在反应器中 使用不同的光感应）。免疫珠可用于更多样化的基于细胞术的测量（机器人可实 现自动孵化和清洗，例如使用 Opentrons OT-2 磁性模块）。表面显示或 GPCR 信号等技术也可用于设计生物传感器菌株，用单细胞仪测量更多培养物尺寸，无需试剂成本。除了高性能的定量菌株表征外，此类平台还可用于生物技术应用。基于自动细胞仪的人工微生物联合体的组成，以及培养条件的动态控制（如本文所示，使用组氨酸营养不良和 OD），可以大大减少设计稳健共存机制的需要，因此可以使用更大多样性的联合体。未来，希望许多基于 ReacSight 的平台将被组装起来，它们的设计将被广泛的社区共享，以大幅扩展实验能力，从而解决微生物学的基本问题，并释放合成生物学在生物技术应用中的潜力。参考文献：Bertaux, F., Sosa-Carrillo, S., Gross, V. et al. Enhancing bioreactor arrays for automated measurements and reactive control with ReacSight. Nat Commun 13, 3363 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31033-9 文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿排版校对：刘娟娟编辑内容审核：郝玉有博士

上期讲到分批补料微型生物反应器设计的内部补料策略（点击此处查看），本期将讲述外部补料策略及结论。外部分批补料策略在外部分批补料系统中，基质从外部储器补料。该策略的主要优点是增加了灵活性和过程控制能力。然而，由于补料需要额外的基础设施，外部分批补料系统固有地更复杂且操作成本更高。3.1自动化液体处理系统使用液体处理工作站可以实现高通量采样以及向 MTP 或平行 MBR 中添加液体。例如，RoboLector®包括集成的 BioLector®（mp2-Labs，德国）MBR 筛选平台。自动取样编程为每 24 小时一次。补料和取样均在不中断摇动的情况下实现，从而最大限度地减少对氧气传输的干扰并防止细胞沉降，从而允许获得代表性的样品。与脉冲补料策略相关的关键挑战是缺乏连续的补料供应，这导致细胞代谢中的振荡并限制与工业规模发酵的可比性，在工业规模发酵中，指数补料策略更常用。Jansen 等人于 2019 年开发了一种自动反馈调节的基于酶的分批补料系统(FeedER)。可以通过控制添加来实现定义的指数生长速率。Ambr®平台通过添加泵送液体管线，可以向每个单独的反应器中连续添加液体。克服了间歇补料的局限性，有利于实施连续补料方案和更严格的 pH 控制。Bioreactor48 平台（2mag，德国）与Freedom EVO(TECAN，瑞士) LHS 相结合，以实现分批补料和过程控制。Bioreactor通过 LHS 向含有 β-呋喃果糖苷酶的培养物间歇投加蔗糖，使可代谢的果糖和葡萄糖得以连续释放。对间歇葡萄糖和酶促摄食策略的比较表明，生物量累积非常相似，但是，连续(酶促)摄食增强了 GFP 荧光。DO 振荡在间歇补料培养物中显著更大。3.2 用于分批补料微生物反应器系统的微流体和微型阀技术与自动 LHS相关的一个关键挑战是补料的间歇性。近来，微流体技术已经被实施，其目的在于开发更精确的工业过程的按比例缩小模型。微流控生物反应器系统涉及对小体积流体的受控操作。在 Mardanpour 和 Yaghmae 研究中，使用大肠杆菌作为生物催化剂，在微流控微生物燃料电池(MFC)中以分批补料模式从葡萄糖和尿素产生生物电。为了构建微流控 MFC，使用具有单个微通道的聚甲基丙烯酸甲酯板作为主体，使用镍基阳极和负载铂的碳覆盖阴极作为主体顶部和底部的电极，通过这种方式，亲水性镍表面吸收阳极电解液并促进细胞附着，从而促进生物膜的生长。为了确定最适合再现大型生物反应器波动条件的微流体系统，Ho 等人比较了三种广泛使用的微流体设计。该研究表明，微流体系统的设备设计在定量和灵敏地再现典型工业规模生物反应器中的不均匀性方面起着关 键作用，可能会影响分批补料系统的工艺产率。微流控FlowerPlate 技术最近被用于优化谷氨酸棒杆菌的绿色荧光蛋白(GFP) 生产。Morschett 等人开发了一种高通量、并行化的 pH 控制分批补料培养工作流程，可在线监测微孔板中的生物量、pH 值、DO 和荧光。每排的两个容器中分别加入葡萄糖-尿素补料溶液和 3M 磷酸(单侧 pH 控制)。将具有不同补料策略(脉冲、恒定、指数)的分批补料工艺与标准分批工艺进行了比较。商业微基质(Applikon Biotechnology，荷兰)平台是一种接近连续补料的替代方法，这种方法便于通过微型阀对每种单独的 μBR 进行独立的液体添加。该最先进系统基于标准 24 孔深孔板，工作体积为 2–7mL，具有集成的荧光团 pH 和溶解氧传感器，以及每个单独孔的独立气体和液体添加量。3.3 外部补料策略总结具有自动外部补料和严格控制工艺参数的新型 MBR 技术的最新进展，使得能够更接近地模拟工业规模的生物过程。通过自动化，实验的吞吐量和精确度得到了显著的提高。机器人 LHS 已证明了在微尺度下有效高通量分批补料培养的潜力。它们可以与现有硬件相结合，并易于编程，以实现广泛的实验应用。通过安装液体处理机器人和分析设备，对 Bioreactor 培养平台进行了改造，实现了全自动受控分批补料培养，并具有自动取样和在线样本分析功能。Mühlmann 等人的一项研究也证明了 RoboLector®平台的适应性，为了实现自动补料培养基制备和细胞培养，安装了额外的冷却器、加热器摇动器和真空站。移液操作可以预先编程以执行定义的补料配置文件并以高精度重复多次。LHS 补料的另一个限制是它的间歇性。微流体设备提供连续的补料供应，以更接近地代表工业规模条件。可以使用微流体装置分配小体积，使得它们对单个细胞的研究特别有吸引力。由于对分离细胞的研究允许将细胞内效应与细胞间或群体效应区分开来，因此这可能有利于菌株的发育。具有外部补料和无创在线监测的自动化并行MBR 平台允许在相对短的时间内生成大量高质量数据集。然而，由于高设备成本和广泛的编程要求，投资比更简单的内部系统要大得多。结论在过去的十年中，微量高通量分批补料培养技术取得了长足的进步。已经开发了各种复杂性和硬件要求不同的补料机制，使得流式分批培养越来越容易获得。由于与传统的分批培养系统相比，分批补料系统可以更接近地模拟工业规模条件，因此它们可以最大限度地降低与生物工艺规模相关的风险。尽管成本相对较低且易于实施，在整个培养过程中不可能进行精确的补料速率控制，并且补料通常仅限于单一基质。通过引入外部硬件，可以实现更复杂的补料分布和过程参数(如 pH)控制。自动液体处理机器人可被编程为响应于过程参数与指定设定点的偏差或根据预定义的补料曲线执行液体添加。最近，自动化液体处理机器人的可负担性有了显著提高，然而，为确保其广泛应用，有必要开发标准化操作程序和直观的软件，以便于其简单操作。尽管它们的高精度和灵活性很有优势，因为补料是通过间歇推注进行的，但无法实现工业相关的连续补料曲线。然而，这可以很容易地通过耦合 LHS 和酶控制的补料策略来解决。微流体技术也被开发出来，以便于非常小体积的连续精确补料。通过将自动化的高通量分批补料培养平台与实验的战略设计和基于模型的 优化策略相结合，可以显著增强对过程的理解，同时最大限度地减少实验负担。结合实时数据来重新确定最佳补料添加和工艺控制策略显示出增强生物工艺开 发的巨大潜力。然而，关键工艺参数的在线和在线分析技术应得到改进，以充分发挥基于模型的优化，在大多数情况下，对优化至关重要的底物利用率和产物形成等参数仅限于离线分析。对传统技术（如色谱）的快速在线替代品的开发将特别有利于重新设计实验策略。尽管该综述中讨论的技术显示出高效和低风险生物工艺开发的巨大潜力，但目前自动化培养平台的高成本和复杂性限制了它们的广泛应用。此外，这些技术和方法的标准化对于学术界和工业界的共同使用和接受至关重要，未来的工作还应侧重于开发 FOSS 和 FOSH 以提高可访问性。曼森平行生物反应器分批补料应用曼森采用Watson-malow 400A高精度泵头，16 路补料，平均每个罐有四路补料，蠕动泵流量可设定，连续可调；每个蠕动泵的功能可单独分配，可以作为酸泵、碱泵、补料泵、消泡泵、液位控制泵。信息来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975021001944?ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=747c4db53ee4ddb1文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿排版校对：刘娟娟编辑内容审核：郝玉有博士

p 　　7月26日，国际标准委发布关于对《蒸压加气混凝土板》等266项拟立项国家标准项目征求意见的通知，其中包括多项仪器检测方法标准： a title=" " href=" http://www.instrument.com.cn/news/20170726/225293.shtml" target=" _blank" strong 又一大波仪器分析方法标准即将制定 涉及光谱、色谱、质谱等 /strong /a 。 /p p 　　值得注意的是《工业微生物菌株质量评价 拉曼光谱法》即将制定，资料显示，该项标准主管部门是国家质量监督检验检疫总局，起草单位为中科院青岛生物能源与过程研究所、清华大学、中国标准化研究院等，归口单位是中国标准化研究院。 /p p 　　工业菌株是工业生物技术的关键和核心，菌株的质量评价在选育和投料过程中都不可或缺，但目前菌株评价方法大都包括生物量培养累积、目标代谢物提取和检测等繁琐的过程，评价周期长， 不仅不利于工业菌株的快速筛选，而且延迟了生产的投料过程。本标准建立一种快速无损的活体工业微生物菌株质量评估标准方法，能较好地反映细胞的生理状态，而且不会影响细胞活性，可以在不破环细胞的条件下快速测量单个细胞内的代谢物含量。 /p p 　　本标准规定了采用拉曼光谱评价工业微生物菌株质量的标准方法和流程，适用于发酵工业和基于微生物生物制造领域工业微生物(大肠杆菌、酵母等)的质量评价。 /p p 　　据悉，目前国内外均没有较好的方法来快速评价工业菌株 /p p & nbsp /p

天木生物 聚焦高通量生物育种及筛选技术和装备的开发与产业化。相继开发了等离子体诱变育种仪、单细胞微液滴培养及筛选仪、微液滴连续传代培养进化仪和生化在线检测仪等四大类十余款产品，相关设备解决了细胞筛选效率低、过程及表型数据获取困难等“卡脖子”问题，各产品性能均达国际领先水平，相关仪器组成智能化、高通量细胞工厂创制平台，大幅度提高了筛选及育种工作效率。 常压室温等离子体诱变育种仪ARTPARTP技术是一种全新的、高效的生物诱变技术。该技术采用基于高纯氦气的射频辉光放电技术，所产生的等离子体射流活性粒子能量较高，可以诱发更丰富的基因突变。该技术被广泛的应用于各类微生物、植物和动物等的种质选育中，成功案例达上千个。微流控细胞培养、进化及分选系统液滴微流控技术是近年来备受关注的新兴技术，其具有体系小、传质效率高、自动化程度高和通量大等突出优点。相比于传统孔板筛选体系，该系统筛选速率提高10^4-5倍，试剂消耗量下降至10^6-7。该类仪器不仅可广泛应用于细菌、酵母、动物细胞等单细胞的分选，而且可以用于蛋白、核酸、抗体等生物大分子筛选中。微生物发酵在线检测系统该仪器具有取样体积小、多参数检测、全自动、时效性高等特点，可避免因取样体积过多影响整个发酵系统，同时多参数检测，可实时显示罐内生物量、底物消耗和产物生成情况，也可及时调节反馈控制系统，实现底物的精确控制流加等，提高发酵过程控制效率，为发酵过程优化和工艺放大提供数据支撑。

7月6日至10日，第三十届中国兰州投资贸易洽谈会在甘肃国际会展中心盛大举办。宝怡环境随上海代表团受邀参展，向来自世界各地的展会观众展示了国内环保科技的顶尖技术和产品。本届“兰洽会”以“共享机遇，共谋发展，共创繁荣”为主题，设置了丝绸之路国际合作展区、区域合作交流展区、甘肃特色优势产业展区等板块，吸引来自泰国、俄罗斯、巴基斯坦等30多个国家和地区的企业参会参展。本届兰州投资贸易洽谈会上，宝怡环境的藻类分析仪系列产品在上海展区精彩亮相，“高精尖”的产品吸引了观众的目光。全国政协副主席、致公党中央主席蒋作君和民盟上海市委副主委、上海市政协副秘书长花蓓先后莅临宝怡环境展台，与技术人员进行交流，对宝怡环境的产品和技术给予高度评价，并鼓励宝怡环境加强自主创新，引领环保行业的发展。野外藻类分析仪是一款适用于野外现场对水体中藻类生物量(叶绿素a)以及对各门类藻进行快速定性定量分析的高灵敏度藻分类检测设备，仪器自带充电电池。不仅能够快速可靠地实时判定水体各群落藻类叶绿素a浓度，而且能够深入水下进行剖面测量分析(最深可达1000米)，针对湖泊、河流、海洋等不同水深处叶绿素a浓度及藻类分布检测。便携式藻类分析仪是一款适用于野外现场对水体中藻类生物量(叶绿素a)进行快速定量分析的高灵敏度藻类检测设备，仪器自带充电电池。一次充电可满足6小以上时连续测量。能够快速可靠地实时判定水体总藻及蓝藻叶绿素a浓度，同时检测结果带有点位GPS 地理信息，可以方便后期通过地图软件进行测量点位的数据处理。在线藻类分析仪是一款面向在线场合中对水中藻类生物量(叶绿素a)进行快速定量分析以及对各门类藻进行快速定性定量分析的高灵敏度藻分类检测设备。适用于固定站房监测、野外微型站房监测、浮船监测、走航船监测。本届“兰洽会”，宝怡环境与来自不同国家和地区的观众进行近距离的交流和互动，提升了品牌竞争力，增强了品牌在国际市场的知名度和影响力。未来，宝怡环境将紧抓“一带一路”的发展机遇，向全球输出先进的产品和技术，携手全球合作伙伴，共同守护人与自然和谐共生的地球家园。

文章来源：观沧海9月16日，作为全国科普日联合主办单位，自然资源部以线上、线下相结合的方式举办了丰富多彩的主场活动，其中直播节目《湿地“碳”究》格外引人注目。滨海湿地对于固碳释氧、应对气候变化等具有重要作用。调查发现，滨海湿地的碳主要分布在植物、土壤和水域中，但这些碳也会通过呼吸作用释放到大气中，俗称为碳在“水-土-气-生”多圈层中的循环过程。那么，这些过程是如何观测？又有哪些因素控制着碳在各圈层分布？气候变暖是如何影响碳汇过程的？这些都是科研工作者重点攻关的科学问题。直播节目中，自然资源部北方滨海盐沼湿地生态地质野外科学观测研究站（以下简称滨海湿地野外站）站长叶思源带领观众走进滨海湿地野外站位于江苏盐城的观测站点，用通俗易懂的语言讲解了滨海湿地的生态功能，介绍了该团队野外作业相关情况，展示了在滨海湿地碳汇调查和研究方面取得的工作成果，深化了公众对碳达峰、碳中和目标的理解，推广了关爱湿地、保护湿地的理念。滨海湿地野外站一角科研人员野外调查现场地上植物能固碳研究滨海湿地碳汇奥秘，离不开调查装备的“硬件”支撑。 “芦苇是盐沼湿地的典型植物，植物体中45%的成分是碳。科研人员可以利用仪器观测植物进行光合作用的过程，也就是植物的固碳过程。”在江苏盐城湿地的芦苇地，叶思源首先向观众展示了调查常用仪器——新一代光合仪。“显示屏上的这条曲线反映了测量时间段内二氧化碳浓度的变化，如果曲线下降，表明二氧化碳浓度降低，说明植物正在吸收二氧化碳。” 那么，科研人员是如何得知这些地上植物的碳储量的呢？“最直接的办法是将其割了、晒干、再称重，从而估算出它的碳储量。”叶思源介绍，由于湿地调查范围较大，科研人员通常采用样方调查方法，了解湿地植物的种群、数量和生长状况，并进行生物量的测算，从而对湿地的固碳能力作出评估。 目前，滨海湿地野外站根据芦苇的生长特征，设置了50厘米×50厘米样方。科研人员对样方范围内每一株植物进行体检，测量其身高、体重、“腰围”等，计算每个样方的生物量，并根据区域植被分布面积，评估湿地的生物量，再根据碳转换系数，得出区域内植被圈层的碳储量。地下的巨大碳库除了湿地植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，湿地的地下也存在一个巨大的碳库，而且地下碳的库存量远大于植被圈层的库存量。直播节目中，叶思源拿起一个刚从芦苇湿地取出的土壤柱状样品说：“由于湿地大部分时间处于静水水淹状态，缺氧的环境使得土壤中微生物分解碳的能力变得非常弱，再加上滨海地区河流较多，带来的泥沙快速埋藏植物残骸，形成长期稳定的碳库。我们通过仔细观察，可以看到土壤里面包含湿地植物的根茎，把土壤洗掉，称量植物的根，就能获得植物的地下生物量。”叶思源表示，在盐沼湿地中，土壤中的碳储量可占总碳储量的50%~98%。地上的芦苇，相当于一个加工厂，把碳生产出来，最后储存到土壤中。土壤的碳年复一年保存在这里，形成了一个巨大的碳库。水域固碳不容忽视此外，湿地中的水域固碳能力也不容忽视。叶思源介绍，湿地水域中生长的各类浮游植物也可以进行光合作用。浮游植物将水中游离的碳转化为有机碳，这样水里的碳少了，大气中的二氧化碳就会进入水体中进行补充，从而减少了大气中的二氧化碳，这就是水域光合固碳作用。直播节目中，叶思源向观众展示了一套可以测定浮游植物光合作用能力的实验装置。“我们通过监测发现，水质清澈的辽东湾水域比江苏近海浑浊水域初级生产力高出48倍，因此证明水的悬沙量对水域光合固碳效率影响很大。这提示我们，可以通过增加河流的漫游路径来减少浑浊度，进而增加近海水域的光合固碳能力。”叶思源说。监测温室气体排放速率调查发现，湿地生态系统中，储存于植物、土壤和水这3个圈层的碳并不是完全稳定储存的，有一部分通过呼吸作用和土壤矿化分解作用，以二氧化碳或甲烷的形式返回到大气中。那么，科研人员又是如何监测二氧化碳或甲烷等温室气体排放速率的呢？叶思源向观众介绍了一个形似黑箱的测量装置。“我们通过该封闭箱采集气体，用布罩住形成一个黑箱，连接仪器，可以看到在没有光合作用的情况下二氧化碳浓度的变化，从而测量湿地生态系统二氧化碳的释放速率。”叶思源介绍，总体来说，滨海湿地吸收的碳量远大于排放的碳量，是典型的负排放系统。滨海湿地野外站开展碳循环的研究工作，主要是围绕碳在不同圈层中的循环过程和控制因素，试图找到好的方法，能使生态系统多储存碳。研究发现，滨海湿地温度小于18摄氏度、盐度大于18‰时，二氧化碳和甲烷基本不排放。当盐度达到15‰时，湿地系统固碳能力可达到最佳状态。因此，科研人员可以通过调控湿地水的盐度增强其固碳能力。研究碳循环模式当前，在全球气候变化大背景下，碳循环模式发生了很大变化。叶思源介绍了一个用于研究湿地碳汇资源对全球变暖影响的增温模拟试验装置。该装置形似玻璃房，“房中”安装了很多传感器，可实时监测46个环境因子。叶思源表示，类似这种装置，滨海湿地野外站已布设于辽河三角洲、黄河三角洲、盐城3个湿地，覆盖了2种植被、3个纬度带，并与欧美国家同等的增温站联网，全球科学家共享数据，合作研究预测不同纬度、不同生境、不同地质演化阶段的滨海湿地在未来气候变暖情况下固碳能力的变化，为应对全球变暖提出科学建议。“我们初步研究发现，增温会破坏本土植物的固碳器官，但是会增强互花米草等入侵植物的固碳能力。”叶思源说，“当前该结论在学术界还存在争议，主要是增温的响应存在短期效应和长期效应的区别。为了更科学地认识湿地碳汇功能对增温响应的规律，我们必须在观测站进行长期监测，这也是建设该观测站点的目的。”直播节目尾声，叶思源向观众发出呼吁：“希望大家多多了解滨海湿地，保护湿地，关注全球气候变化，践行低碳生活，为实现‘双碳’目标作出自己的贡献。”链接：盐沼湿地如何固碳释氧地球上有四大碳库：岩石圈碳库、大气碳库、陆地生态系统碳库和海洋碳库。其中，海洋是地球上最大的活跃碳库，是陆地碳库的20倍、大气碳库的50倍。海洋每年吸收约30%的人类活动排放到大气中的二氧化碳。海洋储碳周期可达数千年，在全球气候变化中发挥着不可替代的作用。要实现碳达峰、碳中和目标，必须下大力减少大气中的二氧化碳，除了调整能源结构、推动产业结构转型、提升能源利用高效率、加速低碳技术研发推广，增加生态系统碳汇也是行之有效的方式之一。比如，滨海湿地生态系统单位面积的固碳速率是陆地生态系统的15倍和海洋生态系统的50倍。湿地是位于陆生生态系统与水生生态系统之间的过渡地带，泛指暂时或长期覆盖水深不超过2米的低地、土壤充水较多的草甸以及低潮时水深不过6米的沿海地区，包括咸水淡水沼泽地、湿草甸、湖泊、河流以及河口三角洲、泥炭地、湖海滩涂、河边洼地或漫滩、湿草原等。滨海湿地位于陆海交互带，是海岸带的一部分。天然的滨海湿地主要分为盐沼湿地、红树林湿地、珊瑚礁湿地、水草床湿地等类型。滨海湿地物种丰富，有很高的生态服务功能，在水土保持、岸线稳定、污染物质净化、碳埋藏与温室气体吸收以及为人类提供休息娱乐场所等方面具有很高的价值。作为滨海湿地的重要组成部分，盐沼湿地基本特性是地表水呈碱性且土壤中盐分含量较高，表层积累有可溶性盐，其上生长着盐生植物，如芦苇、互花米草、柽柳和赤碱蓬等。滨海盐沼湿地具有很高的初级生产力，其土壤除了表层数厘米或数毫米的氧化层外，下部还储有巨大的碳库。该生态系统碳库大致可分为3个部分，包括地上活生物量（灌木、禾本和草本等），地下活生物量（根系和根状茎）以及土壤碳库。盐沼湿地碳库主要由内源碳和外源碳组成。其中，外源碳是通过水系输入至盐沼系统，而内源碳主要来自盐沼湿地系统中的大型植物或藻类的光合作用，但内源碳大部分却以二氧化碳或甲烷的形式又返回到大气中了。植物是盐沼碳汇功能实现的关键所在。盐沼中的植物光合作用，又称初级生产过程。该过程以大气中的二氧化碳和土壤中的水为反应物，以光能为能源，以自身为反应器将光能转化成化学能固定于体内，完成碳元素从无机态向有机态的转化。盐沼中的植物与藻类生长能够通过光合作用快速固定大气中的二氧化碳。在潮下带盐沼中，主要初级生产者是浮游藻类和底栖藻类。这些藻类在空间上来源于海水水体、底部沉积物2个部分，海水水体固定的碳元素在潮汐水流的搬运作用下进行空间上的再分配，而底部沉积物固定的碳元素在空间上的分布较为稳定。在潮间带和潮上带盐沼中，大型植物类型是确定滨海湿地初级生产力的主要因素，大型植物固碳量普遍占滨海盐沼生态系统固碳量的90%以上。 UGGA 采用紧凑型设计，将所有组件集成于一只小巧的野外便携箱中。大大减少了体积，降低了重量，并提高了便携性。适合于各种测量载体，诸如汽车、飞机、舰船、无人机载，甚至单人人力携带。UGGA 可使用直流供电，且能耗低至 60W，内置 Wifi，可以通过多种电子终端进行遥控操作。UGGA 可以快速同时测量 CH4，CO2 和 H2O 浓度，操作简单，使用方便，是一款进行野外研究，泄漏检测，空气质量研究和土壤通量研究的理想设备。特点：● 便携式箱体设计● 体积小，重量轻 ● 可直流供电，且能耗低至 60W● 三种气体（CH4, CO2, H2O）同时测量● 内置 Wifi，可通过多种终端设备遥控操作性能指标：◆ 测量范围：● CH4：0~100 ppm● CH4：0~1％（需增加扩展量程选项）● CO2：0~20000 ppm● H2O：0~30000 ppm三种气体（CH4, CO2, H2O）同时测量内置 Wifi，可通过多种终端设备遥控操作◆ 可选测量范围：● CH4：0~1000 ppm● CH4：0-1%（需增加扩展量程选项）● CO2：0~3％● H2O：＜ 99%RH，无冷凝◆ 重复性 / 精度（1σ，1 秒 /10 秒 /100 秒）● CH4：1.4 ppb / 0.5 ppb / 0.2 ppb● CO2：300 ppb / 100 ppb / 30 ppb● H2O：50 ppm / 20 ppm / 10 ppm◆ 测量速度：0.01-1 Hz（用户可选）◆ 环境条件：● 操作温度：5~45 ℃● 环境湿度：0~100% RH，无冷凝◆ 输出：数字（RS 232）、模拟、以太网、USB◆ 电力需求：60 W (11–30 VDC) 66 W (100–240 VAC, 50/60 Hz)◆ 尺寸与重量：18cm（H）x 47 cm（W）x 36 cm（D），16.9 kg

利用厌氧消化技术实现有机物废弃物减量和生物质能源(甲烷)回收是当前国内外处理有机废弃物的主流技术。微生物是有机废弃物厌氧发酵的核心，其生长及代谢活性受温度影响，大部分沼气工程的发酵罐在中温(37±2℃)或高温(55±2℃)条件下运行可获得最佳的发酵效率。然而，在我国寒区低温季节，运行大型中温或高温发酵罐所需增保温能耗极高，甚至超过产能的一半，造成经济效益低，导致我国北方沼气产量与规模均低于南方。虽然低温厌氧发酵(20℃以下)具有能耗低优势，但低温下微生物生长及代谢较缓慢，因而甲烷产量低。 　　针对以上问题，中国科学院广州能源研究所生物质能生化转化研究室生物燃气课题组探究了低温抑制厌氧发酵的机制；在此基础上，利用经长期驯化获得的产甲烷菌系对低温连续厌氧发酵进行生物强化，评价生物强化效果；从微生物群落组成与宏基因组学层面揭示了生物强化机制。相关研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response(《生物强化对低温厌氧消化的影响：生物反应器性能、微生物群落及细胞代谢的响应》)为题，发表在Chemical Engineering Journal上。 　　具体成果如下：低温抑制厌氧发酵的主要原因。相比于细菌，古菌(主要指产甲烷菌)对低温更敏感，能够引起反应器内中间代谢产物产生和降解速度不平衡，造成挥发性脂肪酸累积和甲烷产量低；细菌和古菌对温度的响应存在差异，利用宏组学技术结合KEGG代谢通路数据库，发现古菌中仅编码两种耐冷基因(Htpx、CspA)(图1a)，但细菌中编码多种耐冷基因，如HslJ、Hsp15、CspA、MerR、HtpX、HspQ(图1b)，说明古菌的耐冷能力较差，导致古菌倍增速率明显低于细菌。因此，提高反应器中产甲烷菌的丰度及耐冷能力是促进低温产甲烷的关键。 　　为强化低温厌氧发酵，科研人员向低温抑制的发酵罐内投加了自主研发的丙酸产甲烷菌系，从而促进丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高产甲烷性能。研究采用的连续式(每天投加一次菌系)和间歇式(每周投加一次菌系)两种生物强化方法均具有显著的解抑增效作用(图2a)，可缓解丙酸的累积(图2c)，恢复甲烷产量(图2b)，强化效果在停止投加菌系后可维持至少14个水力停留时间(140天)(图2a)。微生物群落分析表明，生物强化提高了嗜乙酸产甲烷菌(Methanothrix harundinacea和Methanosarcina flavescens)的相对丰度(图2d)；产甲烷菌基因功能分析发现主导调控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因丰度显著增多(图3)，这类代谢产物曾多次被报道利于增强微生物适应恶劣环境的能力。 　　上述研究揭示了低温下厌氧甲烷化低效的微生物机理，并证实了外源投加菌系进行人为干预可改变厌氧发酵系统内微生物组成，定向提高关键产甲烷菌生物量，促进产甲烷进程，从而提高低温厌氧发酵性能，为有机废弃物低温厌氧消化的生物强化技术形成与优化奠定了理论基础、提供了指导。 　　研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院战略性先导科技专项(A类)、中科院青年创新促进会等的支持。实验设计图1.低温对厌氧消化微生物代谢的影响。a、产甲烷菌；b、细菌。图2.生物强化对低温厌氧消化性能及微生物的影响 a)生物强化过程及产气性能示意；b)生物强化对不同阶段甲烷产量的影响(R-37：37℃中温对照；R-20Bio：20℃低温生物强化反应器；R-20：20℃低温对照；D17-34：第17-34天；D35-252：第35-252天)；c)生物强化对乙酸和丙酸浓度的影响；d)微生物群落演替；e)各反应器内不同阶段pH平均值。图3.生物强化对微生物基因丰度的影响。a)古菌；b)细菌(Ino：接种物)。

2011年11月9-10日，由中国仪器仪表学会分析仪器分会、中国仪器仪表行业协会分析仪器分会主办，北京雄鹰国际展览有限公司承办的“第四届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会(CIOAE 2011)”在北京国际会议中心隆重开幕。 　　在CIOAE 2011现场，仪器信息网采访了多位业内知名专家学者，就我国在线分析仪器的发展现状以及以未来发展趋势等问题展开讨论。其中，我们有幸采访了华东理工大学、国家生化工程技术研究中心主任张嗣良教授，请张嗣良教授介绍了其承担的科研项目情况以及对我国科学仪器发展的想法。　 　　张嗣良教授首先介绍了在线分析对生物过程的重要性，生物过程是利用细胞大规模培养来进行产品生产，如何培养好?需要对各种参数如温度、PH、溶氧等进行测量，根据所测的数据对各种条件进行优化，细胞才能很好的“长”起来得到我们需要的产品。所以，在线分析对生物过程有非常重要作用。 　　而对于生物过程中会用到哪些类型的仪器以及用于测量哪些参数时，张嗣良教授详细的介绍了生物过程分析的发展历程，从最初的细胞外部测量发展到细胞内部测量，测量方式上既有直接检测也有间接检测，测量的内容则包括热工测量、化学量测量、生物量测量、代谢物测量、细胞内成份测量、细胞形态测量等。 华东理工大学张嗣良教授 　　生物过程中所用到的仪器有在线质谱、在线光谱以及在线电化学等，张嗣良教授说到，“生物过程的测量几乎用到了所有类型的分析仪器。” 　　接下来，张嗣良教授为我们介绍了他承担的国家“十二五”科技支撑计划“用于生物医药、生物能源、环境生物治理等生物过程的新一代先进科学仪器研制”项目的研发重点、已经取得的成果以及项目的最终预期等情况。 　　该项目最重要的特点是，生物能源、生物医药等都属于生物过程，其采用的测量仪器有通用性，所以项目定位于生物过程中科学仪器的研制。生物过程是具有前瞻性、国家未来重点发展的领域，所以，长三角科学仪器产业技术创新战略联盟成立以来承担的第一个科技部项目就是这个项目。 　　该项目中将用于生物过程的尾气测量的过程质谱仪、培养液成份测量的在线近红外中红外光谱仪、生物量测量仪器、细胞显微形态测量仪器、同位素13C的微观代谢流测量仪器列为研发重点。张嗣良教授还详细介绍了目前这5个测量领域所用检测手段的现状，以及这5种新研发仪器所要达到的目标。 　　过程质谱仪、生物量测量仪器要形成真正的产品 红外光谱仪、细胞显微形态测量仪器要为形成产品打好基础 而同位素13C的微观代谢流测量仪器的研制是具有前瞻性的国际先进水平的研究工作，也是我们国家科学发展所需要的。 　　该项目正式启动是在今年7月，但是准备工作已经进行了1年多的时间了，所以，张嗣良教授对于该项目的成功已经是心中有数了。尤其张嗣良教授非常高兴的谈到，与国产科学仪器生产商上海舜宇恒平科学仪器有限公司共同研制的过程质谱仪已经形成了产品，目前6-7家用户正在试用，并且排队等候使用的用户也有很多。 　　张嗣良教授认为，3年后我国在过程质谱仪方面将形成一定的“气候”。 　　目前我国科学仪器发展过程中存在哪些问题?如何才能快速发展? 　　张嗣良教授认为我国科学仪器发展中有两个问题应该引起重视，一是国家在高精尖仪器研发方面投入很大，但是我们的高精尖仪器研发多是跟在国际先进技术的后面，多是仿制。二是低端仪器方面，同样的产品多家企业生产，相互低价竞争，形成了恶性循环，这对我国科学仪器行业的发展是有害的。 　　另外，对于我国科学仪器的快速发展，张嗣良教授建议，为了使我国科学仪器快速发展，应该选择几个重点应用行业，使科学仪器行业与应用行业一起发展。谈到这里，张嗣良教授以生物过程行业为例，介绍了其所具有的优势。 　　张嗣良教授多次强调，我们国家的科学仪器发展必须与应用行业的发展结合起来，与应用行业一起实现从无到有，从小到大。我国科学仪器的发展应该“顶天立地”，“顶天”即发展高精尖仪器，“立地”即发展中低端仪器，二者缺一不可。 　　更多精彩内容请观看采访视频!

亲爱的朋友们： 临近年关泽析生物在此分享一个全新的科技突破性的创新产品——《Aquatic-RS8001全自动AI藻类鉴定计数仪》新品发布。 “生态环境监测技术装备，是信息时代环境科技发展的源头，是生态环境科学的‘先行官’，也是我国绿色低碳发展的‘倍增器’。建设绿色智慧的数字生态文明，离不开先进的环境探测技术和仪器。” ——中国工程院院士、中国科学院安徽光学精密机械研究所学术所长刘文清 藻类水华已成为国内外普遍关注的环境问题，而如何快速鉴定水华种类非常重要。 公司在深入研究和理解当下水生态的检测需求后，研发团队倾尽全力，打造出了这款具有创新性的产品。它实现了全时自动聚焦、高精度X轴/Y轴自动平移、多种拍照模式、藻类自动鉴定计数、自动报告、审计追踪、多账户管理等创新应用。 该仪器由研究级三目生物显微镜、电动XY移动平台和控制器、Zstream藻类自动鉴定计数分析系统、藻类智能鉴定系统以及数据处理终端组成。主要用于对样品水体中的浮游藻类做自动分类计数、大小测量、种类分类以及生物量测定等多指标自动分析输出。 泽析生物全自动AI藻类鉴定计数系统替代传统人工计数，给藻类监测领域带来了4大创新应用，真正意义上实现全自动智能分析计数。一套仪器即可实现：1. 自动对焦/拍照2. 自动识别藻种类别3. 自动计数分析4. 自动分类分析3～1000μm的藻类全片自动拍照 以及 自动分类鉴定结果 系统拥有丰富的藻类数据库，既遵循浮游植物分类学，又兼顾了软件界面展开的便捷性。以精细、直观、实用的原则，对浮游藻简介进行重点编辑、分栏介绍，突显不同门类浮游植物的特点，使得 形态、结构、生殖、生态 一目了然。 同时系统具备增量学习功能，当鉴定过程中碰见本地数据库外的藻类时，可通过增量学习功能，并不需要重建所有的藻类数据库，而是在原有数据库的基础上，仅对由于新增数据所引起的变化进行更新。生成新的藻类数据库，这样软件就可识别新出现的藻类。生物类别详细展示 以及 增量学习功能 在数据安全管理方面泽析生物也一如既往地保持稳定便捷，可视化数据报告可通过pdf格式导出；具备审计追踪功能，操作人员在软件上的每一步操作软件自动记录，以便后续结果数据的追溯自动保存每批显微照片、统计标识和统计数据。 新品带给您的是惊喜，是科技的未来！提前祝所有兄弟、朋友、合作伙伴龍年大吉、万事如意！产品详询：杭州泽析生物科技有限公司

微生物组（又称菌群）测序在生态健康诊断、生态过程监控、生物资源挖掘、合成生物学研究等领域广泛应用。针对目前菌群测序方法学领域面临的痛点与难点，中国科学院青岛生物能源与过程研究所所单细胞中心和中国海洋大学提出一种高物种分辨率、高灵敏性，并可同时鉴定所有原核与真核微生物、不惧样品降解或污染的低成本微生物组测序技术2bRAD-M。　　在微生物组研究中，解析微生物群落的物种构成主要依赖于两种高通量手段：扩增子测序（16S/18S/ITS）和鸟枪法宏基因组测序（WMS）。目前这两种主流手段都面临着关键瓶颈。扩增子测序存在扩增偏好性、脱靶扩增、物种分辨率低等问题，且通常无法同时检测细菌、古菌与真菌。鸟枪法测序虽然一定程度上解决了上述问题，但对样本DNA质和量的要求高，故通常难以分析痕量、高度降解或污染严重的样品，且测序成本相对很高。　　　据此，青岛能源所单细胞中心博士孙政、黄适等提出了名为2bRAD-M的“简化宏基因组测序技术”，有效克服了上述扩增子测序和鸟枪法测序的核心缺陷，可服务于人体与环境中痕量、高度降解或污染严重之菌群样品的高效解析。　　IIB型限制性内切酶是一种能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列，在识别位点上游和下游的特定距离进行切割，形成等长短片段（20—33 bp）的核酸内切酶。作为一种基于IIB型限制性内切酶特性的测序技术，2bRAD目前已经被应用于包括人体、模式动物、海洋动物等上百个单一物种的基因组研究。但一个菌群通常由成百上千个真菌、细菌和古菌物种组成，比分析单一物种复杂得多。　　2bRAD-M技术的原理是：处理菌群总DNA样本，对IIB酶切片段进行扩增和测序，然后以各种微生物基因组序列上的理论酶切位点为参造，来推断菌群结构。为验证该技术，科研人员通过模拟酶切数据研究了不同来源、相似度或复杂程度以及不同实验方法学对菌群定性和定量分析的影响，并解决了高重复性短片段DNA干扰序列匹配的问题；通过利用人工和自然菌群样本，验证了2bRAD-M的敏感性、重复性、分辨率、准确度和偏好性等，进而挖掘了该方法用于各种实际菌群样品之测序的潜力和局限性。　　具体来说，研究证明该技术能够有效处理低生物量菌群样本。例如，针对总DNA仅为1 pg、长度仅有50 bp的高度片段化或99%被宿主DNA污染的人工菌群DNA样本，2bRAD-M均能得到种水平、高度准确、同时涵盖细菌、古菌和真菌的菌群结构的定性与定量分析结果。针对皮肤，肠道和环境等实际样本，2bRAD-M同样表现出色。针对临床最常见、但菌群DNA极为微量且高度降解或污染的福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）样本，仅用极微量的FFPE切片样本（3 cm × 2 μm），2bRAD-M就能捕捉到潜在可服务宫颈癌诊断的微生物物种标识物。这些发现对于肿瘤微生物组、免疫组织微生物组等基础医学研究与临床实践，具有方法学意义。　　相关成果发表在基因组学领域期刊Genome Biology上。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、山东省人才工程等支持。　论文链接高效分析痕量降解微生物组的2bRAD-M技术。IIB型限制性内切酶就如同二郎神手中的三尖两刃戟，在微生物DNA上寻找核心识别位点并同时切割其两侧翼序列（对应“三尖两刃”），从而产生大量等长短标签，通过扩增、测序及相关算法计算，可对痕量、高度降解、严重污染的菌群样本进行种水平的细菌、古菌和真菌鉴定。

前沿先进的分批补料微生物反应器可降低扩大规模的风险，并更接近模拟工业培养实践。近年来，已经开发了高通量微量补料策略，无论实验预算如何，都可以提高微量分批补料培养的可及性。该综述探讨了这些技术及其在加速生物过程开发中的作用。扩散和酶控制的补料可实现基质的连续供应，且简单实惠。更复杂的补料曲线和更强的过程控制需要额外的硬件。自动液体处理机器人可被编程为预定义的补料曲线，并具有响应过程参数偏差的灵敏度。研究显示，微流体技术可促进连续和精确补料。将自动化高通量分批补料培养与实验设计和基于模型的优化相结合的整体方法极大地增强了过程理解，同时最大限度地减少了实验负担。为在线优化补料条件引入实时数据可进一步细化筛选。尽管该综述中讨论的技术有望实现高效、低风险的生物过程开发，但自动化培养平台的费用和复杂性限制了其广泛应用。未来的关注点应该集中在开源软件的开发上，减少硬件的排他性。介绍许多公司依赖于不可再生的石化原料以及更复杂工艺的天然产品所需的大量步骤可能会阻碍经济可行性，将可再生原料生物转化为此类天然产物的微生物细胞工厂的建设，引起了人们的极大兴趣。生物工艺开发的初始阶段涉及广泛筛选各种菌株和工艺参数。使用简单的批量微量滴定板(MTP)或摇瓶培养在此阶段仍然很普遍，这主要是由于与实验室规模的搅拌反应器相比，它们的成本相对较低且通量较高。然而，由于体积小和缺乏用于在线监测和控制基础设施，分析通常限于端点分析，限制了过程洞察力。在这种情况下，先进的微型生物反应器MBR 系统越来越多地被采用，其目的是克服这些关键的瓶颈。使用新的混合策略，尽管空间和资源要求显著降低，但仍有可能有效模拟较大的实验室生物反应器。许多装置可以并行运行，便于高通量筛选应用。通过将 MBR 技术与战实验设计(DoE)方法相结合，可以进一步最大化过程洞察力，同时最小化实验负担。DoE 促进了对生物系统中无处不在的因素相互作用的系统评估，以及对设计空间的更广泛探索。为确保工业规模的最佳性能，应在生物过程开发的早期阶段应用 DoE 同时优化遗传和环境。微规模培养和工业规模培养之间的培养策略的主要不一致性可导致在生物过程开发的最早阶段选择次优菌株和过程条件。因此，必须将过程控制策略和分批补料操作纳入高通量筛选，以确保更接近地模拟工业规模的培养条件。最近开发了几种具有内置补料、控制和采样能力的新型 MBR，以克服这一关键瓶颈。已经研究了创新的内部和外部补料策略及其模仿不同常用工业补料策略的潜力，例如脉冲、指数、修正指数和线性补料。内部分批补料策略包括扩散和酶控制的补料，通常涉及由半透膜分开的双相培养基和多糖基质的生物催化分解。通过使用微流体和自动化液体处理系统(LHSs)。这种系统提供了改进的补料控制，允许更有效地模仿工业相关的脉冲、线性和指数进给策略。引入基于模型的优化算法以实时分析过程数据并重新确定最佳培养策略也获得了极大的兴趣，以进一步加快生物过程开发。将新型分批补料 MBR 与统计 DoE 和基于模型的优化策略相结合的整体方法可能是稳健菌株开发和优化的最佳方法。通过对大量遗传和环境因素组合进行战略性高通量筛选，可以确保设计质量，同时监测和控制工业相关工艺参数。与传统方法相比，这种增加的过程洞察力有可能通过减少所需的筛选阶段的数量来大大加快生物过程的开发。内部补料策略在内部分批补料系统中，基质在培养容器内逐渐释放，无需外部补料。这些系统的主要特点是它们与现有基础设施的兼容性。由于不需要先进的微型泵、微流体或液体处理机器人技术，因此可以显著降低成本和复杂性。这种系统通常利用扩散或催化现象。2.1扩散控制补料扩散控制进料涉及将截留的营养物从聚合物吸附剂或通过人工膜缓慢释放。培养基中的营养物质扩散穿过半透性透析膜，然后被细胞利用。Philip 等人 2017年阐明了作为影响补料速率的关键因素的两个参数，储器中的初始基质浓度和膜几何形状。这有助于更好的补料速率控制，并且发现尽管培养体积放大了 100 倍。然而，使用透析膜的扩散控制补料方法的一个主要限制是其对摇瓶培养的限制， 这限制了生产量。Jeude等人2006 年开发了 FeedBead® 技术，这项技术最初也是为了在摇瓶中使用而开发的，但 Scheidle 等人 2009 年证明了 FeedBead® 技术适用于 MTP 应用。Keil 等人于 2019 年开发了一种 MTP FeedPlate® 系统，该系统在每个孔的底部包含一个固定的固体有机硅基质和嵌入的葡萄糖晶体。在这些 FeedPlates® 中，GFP 产量提高了 245 倍。该板以 24、48 或 96 孔形式上市，允许以分批补料模式直接进行高通量培养。然而，培养基 pH、温度和渗透压等外部因素对葡萄糖释放速率有主要影响。因此，使用该技术时，对基质释放速率的精确控制受到限制。2016 年，Flitsch 等人研发了一种改进的 μ-RAMOS 设备，其目的是克服原始设备的瓶颈。更新后的系统在 48 孔 MTP 的每个孔中配备了气体入口和出口阀以及光学传感器，便于对所有 48 种培养物同时进行 OTR 监测。该技术最近被进一步扩展用于 96 孔深孔 MTP，使研究人员能够实现比原始摇瓶规模的RAMOS 系统增加 15 倍的实验通量。Habicher 等人 2020 年证明了最先进的 μ- RAMOS 和 FeedPlate® 对于工程化用于蛋白酶生产的地衣芽孢杆菌菌株的葡萄糖限制培养的兼容性。OTR 的在线监测极大地改善了 MTP 培养物的信息含量，发现其在 MTP 和摇瓶规模下的性能相当。使用该平台生成的数据可用于在开发的最早阶段生成数学模型，从而根据设计原则显著改善了过程质量。Wilming 等人 2014 年使用 96 孔 MTP 开发了一种替代的基于扩散的分批补料系统。每个培养孔通过填充有聚丙烯酰胺水凝胶的扩散通道连接至储层孔，便于每个平板进行多达 44 次平行分批补料培养。用浓缩基质溶液填充储器，以实现逐步扩散驱动补料。通过改变储器中的浓度并由此改变驱动浓度梯度。然而， 发现补料浓度和葡萄糖释放速率之间的关系是非线性的。这种使补料速率微调复杂化的非线性归因于水的反向扩散。尽管如此，板的透明底座提供了与板读取技术兼容的主要优势，例如用于通过散射光测量生物量和荧光的 BioLector 系统(mp2-Labs，德国)。使用该系统证明了大肠杆菌和多形嗜血杆菌菌株的分批补料培养。与分批对照相比，用最佳 300g/L 葡萄糖补料进行大肠杆菌的分批补料培养分别导致生物量和基于黄素单核苷酸的荧光报告蛋白信号增加约5 倍和14 倍。2.2酶控补料淀粉在液体培养基中的溶解度差，需要在原始 EnBase® 工艺中使用固相。为了消除对双相系统的需求，开发了具有完全可溶性聚合物基材的 EnBase® Flo。葡萄糖释放方法与矿物盐和复杂培养基添加剂的精心优化组合相结合，以产生高细胞密度和产品滴度。Glazyrina 等人 2012 年通过在 3mL 至 60L 的范围内培养经工程改造过量生产模型酶醇脱氢酶的大肠杆菌菌株，研究了 EnBase® Flo 系统的可扩展性。在所有测试规模下均实现了相当的增长率和蛋白质滴度，突出了可扩展性。在所有测试规模上都实现了可比的生长速率和蛋白质滴度，突出了可扩展性。EnBase® 系统还提供了在大型生物反应器的初始培养阶段控制葡萄糖释放的额外好处，完全消除了溢出代谢。EnBase® 技术还以方便的片剂形式在市场上销售。该 EnPresso® 系统与 D- optimal DoE 方法相结合，可优化 24 孔板中工程大肠杆菌的缬诺霉素生产。与原始分批培养相比，DoE 驱动的平行分批补料培养策略使缬氨霉素滴度提高了 33 倍。2.3内部补料策略小结扩散和酶控制的补料策略提供了一种相对简单和低成本的方法来模拟更大规模的分批补料过程。它们提供了恒定基质补料的关键优势，但在整个培养过程中通常不可能精确控制补料速率。结果，更复杂(例如指数)的进给曲线不能使用内部补料策略。此外，补料通常限于单一基质，这可能导致培养基中的其他营养物变得有限。特别是基于酶的补料依赖葡萄糖作为碳源，这可能不是所有过程的最佳选择。此外，在此类系统中，酸和碱补料通常是不可能的，从而限制了过程控制能力。曼森平行生物反应器分批补料应用曼森采用Watson-malow 400A高精度泵头，16 路补料，平均每个罐有四路补料，蠕动泵流量可设定，连续可调；每个蠕动泵的功能可单独分配，可以作为酸泵、碱泵、补料泵、消泡泵、液位控制泵。信息来源：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975021001944?ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=747c4db53ee4ddb1文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿排版校对：刘娟娟编辑内容审核：郝玉有博士

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