好氧—厭氧同時(shí)呼吸：微生物正在打破教科書，你的實(shí)驗(yàn)室跟上了嗎？

——這篇《Trends in Microbiology》講透了微生物的“共呼吸”

導(dǎo)讀：Trends in Microbiology**綜述提出，微生物并非嚴(yán)格“先用氧、后用其他受體”，而可能在低氧、波動環(huán)境中同時(shí)進(jìn)行好氧和厭氧呼吸。這一發(fā)現(xiàn)對耐藥、感染、環(huán)境治理和工業(yè)發(fā)酵都有深遠(yuǎn)影響，也對實(shí)驗(yàn)室工具鏈提出了新要求。

一、教科書說“先氧后硝”，但微生物不這么聽話

我們過去對微生物呼吸的理解，基本遵循一個(gè)簡單邏輯：有氧用氧，無氧換受體。專性好氧菌、專性厭氧菌、兼性厭氧菌、微需氧菌——這套分類深入人心。

但Trends in Microbiology這篇題為Breathing both ways: simultaneous aerobic–anaerobic respiration in microbes的綜述，直接挑戰(zhàn)了這一框架。作者指出，越來越多證據(jù)顯示，某些微生物可以在氧氣存在時(shí)，同時(shí)還原其他電子受體，如硝酸鹽、鐵、硫等。這種現(xiàn)象被稱為co-respiration（共呼吸）。

圖1 共呼吸的五種機(jī)制模型

呼吸的本質(zhì)，是電子從供體流向終端受體，細(xì)胞借此建立質(zhì)子動力勢并合成ATP。如果電子流“堵車”，ATP合成、細(xì)胞維持和生長都會受影響。所以，細(xì)胞真正要維持的不是一個(gè)僵硬的優(yōu)先級順序，而是氧化還原平衡和連續(xù)電子流。

這就解釋了為什么在低氧、電子供體充足、替代受體又存在的環(huán)境中，微生物會選擇“多開幾個(gè)排電子出口”——不是為了每個(gè)電子都拿到**能量收益，而是為了讓代謝不堵車。

二、看起來像共呼吸，不等于真的共呼吸

文章特別強(qiáng)調(diào)，“共呼吸”這個(gè)詞容易被混用。

廣義上，只要一個(gè)培養(yǎng)體系里氧氣和其他受體同時(shí)被還原，就可能被稱為共呼吸。但嚴(yán)格意義上的true co-respiration，要求同一個(gè)細(xì)胞在同一時(shí)間把電子流分配給兩個(gè)或更多終端受體。

作者把看似共呼吸的現(xiàn)象分成四類：

1. 空間分離：生物膜外層用氧、內(nèi)層用替代受體，體系看起來同時(shí)進(jìn)行，但每個(gè)細(xì)胞只用一個(gè)路徑。

2. 電子穿梭體介導(dǎo)的胞外耦合：還原態(tài)穿梭體離開細(xì)胞后，在胞外同時(shí)還原氧氣和Fe(III)等，電子分配發(fā)生在細(xì)胞外。

3. 群體異質(zhì)性（bistability）：遺傳背景相同的細(xì)胞，一部分提前表達(dá)厭氧呼吸基因，一部分仍用氧。

4. 真正的單細(xì)胞共呼吸：同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)部同時(shí)存在活躍的好氧和厭氧電子流。

圖2 地球歷史中電子供體和受體的可用性變化

文章明確指出：批量培養(yǎng)結(jié)果、轉(zhuǎn)錄本豐度、蛋白豐度或終產(chǎn)物積累，通常不足以證明真正的單細(xì)胞共呼吸。

三、分子機(jī)制：模塊化電子傳遞鏈?zhǔn)腔A(chǔ)

共呼吸依賴微生物電子傳遞鏈（ETC）的模塊化結(jié)構(gòu)：

電子進(jìn)入：核心代謝產(chǎn)生 NADH 和 FADH?，進(jìn)入復(fù)合體 I 或 II；

醌池分叉：醌池像電子中轉(zhuǎn)站，可把電子分給不同末端氧化酶或還原酶；

末端還原酶多樣性：高親和力氧化酶在納摩爾級氧氣下工作，低親和力氧化酶適合高氧條件；硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、硫酸鹽還原酶、金屬還原酶提供替代出口；

胞外電子傳遞（EET）：外膜細(xì)胞色素、納米導(dǎo)線、氧化還原穿梭體，把電子傳到礦物或電極。

真正能共呼吸的微生物，往往需要這些模塊同時(shí)存在、同時(shí)表達(dá)或至少允許并行運(yùn)行。

文章還舉了幾個(gè)關(guān)鍵例子：Acidiphilium在有氧條件下還原Fe(III)；Acidianus在Fe(III)存在時(shí)還原元素硫；Hydrogenobacter同時(shí)還原氧氣和元素硫，且生長收益高于單獨(dú)使用任一受體；Microbacterium通過EET同時(shí)還原氧氣和Fe(III)。

四、這對哪些研究方向影響**？

1. 耐藥與感染

病原菌在宿主體內(nèi)常處于低氧、波動氧環(huán)境。共呼吸可能幫助它們在氧氣時(shí)有時(shí)無的組織中持續(xù)存活，甚至影響抗菌藥物敏感性。代謝狀態(tài)比生長曲線更早反映抗菌效果，這已經(jīng)在2026年《European Biophysics Journal》文獻(xiàn)中得到實(shí)證。

2. 環(huán)境微生物與氮循環(huán)

共呼吸可能影響沉積物、土壤、生物膜中的鐵還原和反硝化。尤其值得注意的是，好氧條件下反硝化可能因Nos酶對氧敏感而釋放更多N?O——一種強(qiáng)溫室氣體。

3. 工業(yè)發(fā)酵與生物制造

在發(fā)酵過程中，氧氣供應(yīng)、還原力積累和底物輸入往往同時(shí)存在。共***制可能解釋為什么某些工藝在微氧條件下反而效率更高。

4. 地球演化

早期地球氧氣以“whiffs”形式局部、間歇出現(xiàn)。共呼吸可能是早期微生物從厭氧生活過渡到兼性厭氧甚至好氧生活的關(guān)鍵適應(yīng)策略。

五、研究共呼吸，需要什么樣的工具鏈？

文章最后強(qiáng)調(diào)，未來研究的關(guān)鍵不是再用批量培養(yǎng)測幾個(gè)終產(chǎn)物，而是要真正證明同一個(gè)細(xì)胞是否同時(shí)進(jìn)行兩條電子流。這需要：

微流控單細(xì)胞培養(yǎng)；

發(fā)光平面?zhèn)鞲衅?、納米顆粒傳感器、電化學(xué)微探針；

單細(xì)胞 RNA 測序、熒光報(bào)告系統(tǒng)；

單細(xì)胞蛋白質(zhì)組技術(shù)。

圖3 細(xì)菌電子傳遞鏈?zhǔn)疽鈭D，展示共呼吸的關(guān)鍵組件

但在此之前，批量水平的代謝表型分析仍然是理解共呼吸的**步。而這，正是我們六款設(shè)備可以發(fā)揮作用的地方。

六、我們的產(chǎn)品如何匹配共呼吸研究？

1. Seahorse XF：核心設(shè)備

OCR（耗氧率）和ECAR（胞外酸化率）同步檢測，直接看有氧呼吸和糖酵解。好氧—厭氧同時(shí)呼吸，正是Seahorse最擅長的領(lǐng)域。

96孔同步檢測，一次實(shí)驗(yàn)約90–120分鐘；

無標(biāo)記、不破壞細(xì)胞，在培養(yǎng)狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測；

線粒體壓力測試、糖酵解壓力測試等標(biāo)準(zhǔn)化試劑盒開箱即用；

已成功應(yīng)用于細(xì)菌（大腸桿菌、結(jié)核分枝桿菌）、真菌、寄生蟲。

2. 厭氧/低氧工作站：精確控制氧濃度

共呼吸研究需要模擬好氧—厭氧過渡環(huán)境，氧濃度控制是關(guān)鍵。

氧濃度<5ppm，部分型號可達(dá)0ppm；

操作培養(yǎng)一體化，裸手操作與全密封手套雙模式；

可整合LogPhase600、BioTek酶標(biāo)儀、Seahorse、xCELLigence；

四段氣體循環(huán)，模擬“常氧—低氧—再氧合”自動切換。

3. LogPhase600：生長曲線，關(guān)聯(lián)代謝與生長

4板位96孔同步檢測，單次最多監(jiān)測200+種培養(yǎng)物；

檢測+振蕩+恒溫三合一；

Gen5軟件自動計(jì)算遲滯期、對數(shù)期斜率、代時(shí)、**OD，支持MIC自動判定；

4. BC 微生物快速檢測儀：活菌計(jì)數(shù)

80秒**計(jì)數(shù)，無需培養(yǎng)；

基于庫爾特原理，不受顏色、濁度、形狀干擾；

檢測濃度5×10?–2×10? cells/mL，樣本體積僅10μL；

適合益生菌質(zhì)控、發(fā)酵過程活菌監(jiān)測、臨床微生物快速診斷。

5. Versati-TS離心機(jī)+OrbiCult全溫振蕩培養(yǎng)箱

離心機(jī)：BioSeal生物安全密封蓋，10萬條日志PDF導(dǎo)出，0.2mL–750mL全覆蓋；

OrbiCult：三層獨(dú)立控溫控速，一層37℃、一層4℃、一層30℃，平行篩選不同條件。

七、總結(jié)：共呼吸研究，需要“代謝+生長+環(huán)境+計(jì)數(shù)”四件套

Trends in Microbiology這篇綜述告訴我們：微生物呼吸不是固定順序，而是動態(tài)調(diào)度。要研究共呼吸，單靠生長曲線不夠，單靠終點(diǎn)產(chǎn)物也不夠。

Seahorse XF（代謝）+厭氧/低氧工作站（環(huán)境）+LogPhase600/Epoch2（生長）+BC（計(jì)數(shù)），這套組合可以從四個(gè)維度支撐共呼吸研究：

代謝層面：OCR/ECAR同步，看有氧呼吸和糖酵解；

環(huán)境層面：精確控制氧濃度，模擬好氧—厭氧過渡；

生長層面：高通量生長曲線，關(guān)聯(lián)代謝與生長；

計(jì)數(shù)層面：80秒活菌**計(jì)數(shù)，不用等平板。

如果你正在做沉積物、生物膜、土壤、熱泉、腸道或感染組織中的微生物呼吸研究，歡迎聯(lián)系我們，獲取針對共呼吸研究的完整解決方案。

參考文獻(xiàn)：Digel L, Ceriotti G, Keller LM, et al. Breathing both ways: simultaneous aerobic–anaerobic respiration in microbes. Trends in Microbiology, 2025. DOI: 10.1016/j.tim.2025.09.007