一文了解厭氧箱：概念、原理及應(yīng)用

厭氧箱，又稱厭氧培養(yǎng)箱或厭氧工作站，是一種能夠創(chuàng)建并維持無氧環(huán)境的專用科學(xué)設(shè)備。它的核心使命是為厭氧微生物提供一個安全的“家”，這些微生物暴露在空氣中會死亡或失去活性，因而無法在常規(guī)條件下進(jìn)行研究和應(yīng)用。自其問世以來，厭氧箱已成為微生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物工程等領(lǐng)域重要的關(guān)鍵工具。

一、原理與結(jié)構(gòu)

厭氧箱的運作基于一個核心原理：通過物理密封和化學(xué)手段，持續(xù)排除箱體內(nèi)的氧氣，并維持一個以氮氣為主，混合著氫氣和二氧化碳的惰性氣體環(huán)境。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，現(xiàn)代厭氧箱通常由三個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)構(gòu)成：

1.傳遞艙： 這是物品進(jìn)出箱體的通道，是保障內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定的第一道防線。其工作方式類似于潛水艇的艙門。操作者先將物品放入傳遞艙，關(guān)閉外門，然后啟動循環(huán)抽氣-充氣程序，用混合氣體置換掉艙內(nèi)的含氧空氣。待艙內(nèi)達(dá)到無氧狀態(tài)后，才能打開內(nèi)門，將物品移入主工作區(qū)。高級厭氧箱通常設(shè)有快速傳遞艙，以縮短等待時間。

2.主體工作室： 這是進(jìn)行所有實驗操作的密封主腔體。其前面通常配有厚重的透明視窗和一對內(nèi)置的厚手套，允許操作者在隔絕空氣的情況下，如同在普通超凈臺中一樣自如地操作儀器、培養(yǎng)微生物。

3.氣體凈化系統(tǒng)： 這是維持無氧環(huán)境的“心臟”。系統(tǒng)持續(xù)地將箱內(nèi)的氣體循環(huán)抽出，通過一個加熱至高溫(約200-400℃)的鈀催化劑室。在此，混合氣體中的氫氣與殘余的微量氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水，從而消除氧氣。干燥劑則會吸收反應(yīng)產(chǎn)生的水分，保持箱內(nèi)干燥。如此循環(huán)往復(fù)，確保氧氣濃度始終低于1ppm(百萬分之一)的低水平。

二、主要應(yīng)用領(lǐng)域

厭氧箱的應(yīng)用很大程度地拓展了人類對生命多樣性的認(rèn)知，其主要領(lǐng)域包括：

1.環(huán)境微生物學(xué)： 研究在土壤、水體沉積物、垃圾填埋場等缺氧環(huán)境中起關(guān)鍵作用的微生物，它們在碳、氮、硫等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演著核心角色。

2.人類與動物腸道微生物組： 人體腸道是一個典型的厭氧環(huán)境，其中棲息著數(shù)以萬億計的厭氧菌，它們與健康、疾病(如肥胖、糖尿病、炎癥性腸病)息息相關(guān)。厭氧箱是分離、培養(yǎng)和研究這些“被遺忘的大多數(shù)”腸道菌的途徑。

3.工業(yè)生物技術(shù)： 利用厭氧微生物進(jìn)行生物燃料(如沼氣、丁醇)的生產(chǎn)、高附加值化學(xué)品(如有機(jī)酸、溶劑)的發(fā)酵，以及環(huán)境污染物的生物修復(fù)。

4.臨床醫(yī)學(xué)與藥學(xué)： 用于分離和鑒定引起破傷風(fēng)、氣性壞疽、艱難梭菌感染等疾病的病原性厭氧菌，并進(jìn)行抗生素敏感性試驗，指導(dǎo)臨床用藥。

三、挑戰(zhàn)與未來展望

盡管技術(shù)成熟，厭氧箱仍面臨一些挑戰(zhàn)，如設(shè)備成本高昂、維護(hù)復(fù)雜(需定期更換催化劑和干燥劑)、以及某些厭氧微生物依然難以培養(yǎng)。未來的發(fā)展趨勢將聚焦于智能化(集成更精確的氧氣、濕度傳感器和自動控制系統(tǒng))、小型化與模塊化(為不同需求的實驗室提供更靈活的選擇)，并致力于開發(fā)更高效的培養(yǎng)方法，以解鎖更多未被培養(yǎng)的微生物資源。