把实验室气候搬进箱子里：从厌氧/微需氧到叠加式人工气候箱的环境构建艺术

在现代生物学、微生物学和农业科研中，很多时候实验的关键并不在“你操作了什么”，而在于“你让细胞、菌种或植物处在什么样的环境里生长”。微需氧/厌氧培养箱和叠加式人工气候箱，本质上都是在“做气候”——只不过一个是在缺氧的微观世界里做氛围，一个是在温湿度和光照可控的宏观空间里模拟四季。

一、微需氧/厌氧培养箱：看不见的“氧气阀门”

厌氧菌和微需氧菌对氧气非常敏感：前者在几百分之一甚至更低的氧浓度下才能生长，后者只需要比大气低得多的氧浓度即可。为了在常规大气环境中培养这些微生物，就需要一个能够精确控制氧气浓度、同时又能提供恒温恒湿条件的封闭空间——这就是微需氧/厌氧培养箱的核心作用。

1）设备的基本结构

典型的厌氧培养箱（或厌氧工作站）通常包括几个关键部分：

箱体与密封门：多采用不锈钢或铝合金材料，多层密封结构，确保外界空气难以进入。

培养室/操作室：内部放置培养皿、试管、培养瓶等，设有托架和固定结构。

气体系统：

氮气（N2）、混合气（如含H2、CO2的混合气）进气口与减压阀

气路管道、流量计、阀门

催化剂（如钯粒）或氧化还原电极，用于去除残余氧气

温控系统：加热装置、温度传感器与PID温控仪，确保内部温度稳定在设定范围（如室温+5℃–50℃）。

湿控与除湿系统（部分型号）：保持一定湿度以避免培养皿干燥。

观察窗与手套/袖套（厌氧工作站）：方便在厌氧环境中进行操作而不破坏氛围。

监测与报警：氧气浓度传感器、温度/湿度监测，超温、缺氧或供气异常报警。

2）从“有氧”到“无氧”的气氛转换逻辑

微需氧和厌氧环境的形成，通常经历几个步骤：

抽真空（某些型号）：先对操作室或取样室抽气，减少初始氧气含量；

氮气置换：充入氮气，稀释和置换出残留空气；

混合气（含H2、CO2等）调节：通过配比气体形成适合的厌氧或微需氧氛围；

催化除氧：箱体内放置催化剂，使残留的微量氧气与氢气反应生成水，进一步降低氧气浓度；

指示剂监测：如美蓝指示剂，在无氧条件下从蓝色变为无色，用于快速判断氛围状态。

3）严格厌氧与微需氧的区别

严格厌氧：O2浓度极低（通常<0.1%甚至更低），用于培养对氧气极度敏感的厌氧菌，如某些梭菌、拟杆菌等。

微需氧：O2浓度一般在2%–10%之间，用于一些需要少量氧气但又不耐受大气的细菌（如某些弯曲菌、幽门螺杆菌等）。

微需氧/厌氧培养箱通过控制气体配比和流量，可以在这两种模式之间切换，从而支持更广泛的微生物学研究。

二、叠加式人工气候箱：把四季搬进实验台

如果说厌氧/微需氧箱是在“管气氛”，那么叠加式人工气候箱就是在“管小环境”：把温度、湿度、光照等关键环境因子全部集成在一个箱体内，并且可以多层叠加使用，在有限的地面空间内提供多组独立气候单元。这类设备广泛应用于植物生长、种子萌发、昆虫饲养、微生物培养、BOD测定等领域。

1）叠加式设计的优势

以叠加式人工气候箱RRX‑150A为例，其典型参数包括：

容量：150 L×2（上下两层独立）

温度范围：0–50℃，分辨率0.1℃，均匀性±1℃

湿度范围：40%–95%RH，可调，偏差约±5–8%RH

光照强度：0–3000 LX，三面光照设计

加热功率：约600 W，制冷功率约560 W

配置紫外灭菌灯，可对箱内环境进行杀菌

叠加式的主要优势在于：

在接近相同占地面积下提供多倍可用容积；

上下层可独立设定不同温度/湿度/光照方案，便于并行做不同实验；

适合空间有限但又需要多组独立气候环境的实验室。

2）工作原理：如何同时控制温、湿、光？

叠加式人工气候箱由传感器、执行机构和控制回路组成一个闭环控制系统：

温度传感器：实时测量箱内温度，将信号反馈给微电脑控制器；

湿度传感器：检测箱内相对湿度；

光照传感器：部分型号可反馈实际光照强度；

控制器：根据设定值与测量值的偏差，按PID算法输出控制信号；

执行机构：

加热器与制冷压缩机：负责升温与降温；

加湿器（如超声波加湿、水盘加湿）：增加箱内湿度；

光照灯组：LED或冷白光灯，调节光照强度，有的支持多光谱组合（如红光/蓝光）；

循环风机：让箱内空气流动，提高温湿度均匀性。

通过多路协同控制，可以实现：

昼夜交替：不同时段设定不同温度和光照，模拟日夜变化；

季节变化：分时段模拟春夏秋冬，研究植物适应性。

3）植物生长视角：不同阶段的不同“配方”

植物在不同生长阶段对温度和光照的要求差异显著。例如：

发芽期：适宜温度20–25℃，光照适中；

幼苗期：白天22–25℃，夜间不低于15℃，光照强度逐步提高；

营养生长期：一般在5–25℃，过高易徒长；

开花与结荚期：17–22℃有利于花果发育。

叠加式人工气候箱可以按阶段编程设定温度与光照曲线，自动切换，让不同批次的植物经历不同“气候轨迹”，用于品种筛选、抗逆性研究等。

三、两类设备在科研中的典型应用

1）厌氧/微需氧培养箱的主要场景

临床微生物检测：厌氧菌引起的腹腔感染、脑脓肿、糖尿病足等标本培养；

肠道菌群研究：人肠道中以厌氧菌为主，需在严格厌氧条件下分离和培养；

代谢通路研究：比较同一菌株在有氧/厌氧条件下的代谢差异，研究呼吸链与发酵途径；

工业发酵：某些厌氧发酵工艺的菌种筛选与优化。

2）叠加式人工气候箱的主要场景

植物育种与品种筛选：模拟高温、高湿、干旱、低温等逆境条件，观察生长和产量变化；

种子发芽试验：在设定温湿度与光照条件下进行发芽率、发芽势测定；

组织培养与快速繁殖：在外植体培养阶段控制温湿度和光周期，促进分化和生根；

昆虫饲养与行为研究：通过程序化光照与温度，模拟昆虫生长季节；

微生物培养与保存：某些需要特定温湿度和光照条件的真菌或放线菌；

BOD测定：水质检测中，通过控制温度和光照，评估生物需氧量。

四、使用中的共性与差异：都在“稳定”二字上下功夫

1）环境稳定性：对实验结果至关重要

厌氧/微需氧培养箱：氧气浓度波动、温度波动都会影响菌落形态、生长速度和代谢产物；

人工气候箱：温湿度不均匀会导致植物位置不同表现不一；光照不均则影响光合效率和形态建成。

因此，这类设备都非常强调：

PID智能控制，减少温度/湿度/气氛波动；

均匀性设计（循环风道、合理风路布局、光照分布优化）；

安全防护：超温报警、断电记忆、防干烧、氧气异常报警等。

2）维护与校准

温湿度传感器需定期校准，避免数据漂移；

催化剂（如钯粒）会逐渐中毒或失效，需按说明书更换；

气体管路要定期检查密封性，防止漏气影响氛围；

加湿器水箱要用纯净水，定期清洗，避免微生物滋生或水垢堵塞；

光源灯管寿命有限，需按使用时间更换，保证光照强度稳定。

3）空间布局与放置

避免阳光直射和靠近热源，以免影响设备温控；

设备周围应留有足够散热和维护空间；

厌氧/微需氧箱的气瓶要固定稳妥，气路走线合理，避免压迫或折弯。

五、如何选择和搭配：从需求到参数的转化思路

1）厌氧/微需氧培养箱的选型要点

主要用途：是只需要简单厌氧培养，还是需要在内操作、接种（厌氧工作站）？

控制范围：氧气控制精度、温度范围、湿度需求；

气体消耗与成本：一些厌氧工作站相比“厌氧培养系统”气体消耗更大，长期成本更高；

操作方式：是否需要内置操作舱和手套，还是仅作“培养用”即可；

安全性：是否需要超压保护、废气处理等功能。

2）叠加式人工气候箱的选型要点

所需容积与叠加层数：要综合考虑目前与未来的实验需求；

温度范围：是否需要低温（接近0℃）或较高温度（>40℃）；

湿度范围：有些实验需要高湿（>90%），有些则对低湿敏感；

光照需求：是否需要特定光谱（红光/蓝光），强度范围是否足够；

程序功能：是否需要多段编程、周期控制、昼夜模拟等；

均匀性要求：实验对箱内不同位置的温湿度差异容忍度如何。

六、写在最后：环境控制是很多实验的“隐形变量”

很多时候，两个实验室做同一个实验，结果却总“调不重合”，一个容易忽视的因素就是“环境”——哪怕只是箱内温度差了0.5℃、光照分布不均匀一点、氧气浓度偏高一点，微生物或植物的表达就可能不同。微需氧/厌氧培养箱和叠加式人工气候箱，本质上都是在让这种“隐形变量”变成“可见可控”的参数。