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              1. 圍觀 | 是外星來物嗎?!空間站外壁發現活細菌,應該這樣抵御

                人類一直沒有放棄在地球之外的星球里尋找物種的存在,很多關于外星生物的想象同樣是帶有著神秘和詭異感的,而且各種UFO的出現更加重了人們的好奇心,希望在其他的星球上找到文明或者是生命的痕跡。之前ISS就曝出一個事件,這個事件很可能與我們苦苦尋找的外星物種有關系。

                當時ISS外面執行任務的是一名俄羅斯的研究員,他在進行日常工作的時候,竟然在空間站的外壁之上,發現了細菌的痕跡。需要注意的是,他并不是在站里面發現的,而是在裸露在太空的空間站外壁上發現的,而空間站發射之前,早就已經經過了非常嚴格的殺菌過程,所以在外壁之上發現細菌的可能性幾乎為0,但是就算有著沒有殺菌干凈的可能,可是ISS都已經發射了多年了,為何最近才發現呢?

                我們都清楚絕大多數細菌需要在有O2的情況下才能存活,雖然一些極端的細菌不依靠O2,但是也要有養分的供給才能夠活下去。可是太空中是沒有空氣的啊,也同樣沒有養分,基本上都是無機的,因此在太空中除了發現部分有機的分子之外,發現活的細菌的可能性太小了。因此,這位宇航員的發現,或許會為我們發現其他星球生物或者是探索有機生物起源提供思路。

                通過對采集的細菌進行分析后,研究員認為這些細菌很可能來自外太空,可是這種說法讓很多人質疑,因為太空中沒有保證細菌生存的環境,而且空間站的外壁溫差可謂非常巨大,向陽的那一面外壁可以達到121度的高溫,而背陰的那部分外壁則低至零下157度,這種條件下細菌出現在空間站,實在是有些可怕。

                經過檢測發現,這種目前稱之為“太空細菌”的細菌對人沒有威脅能力,也算是讓空間站的研究員松了口氣,只是未來這種細菌如何在太空輻射環境下變異,還未可知。因為此前人類也曾發射細菌到太空,在重力之下會使細菌發生改變,因此,對于出現在太空的細菌還是要警惕。

                它或許與外星物種無關,但是一旦它變異到對人有威脅性,大量繁殖毀滅人類也并非不可能,那么那時候,它只能變成我們的敵人。大家覺得在外太空發現存活的細菌是好事還是壞事呢?歡迎留言評論。

                小編查遍資料,得到一些具體的詳解,如有不妥,請大家原諒并斧正。

                正在太空中飛行的國際空間站中已經生存著上千種微生物,空間站中的宇航員人類僅僅是其中的一員。

                國際空間站。阿特蘭蒂斯號航天飛機于2011年7月飛離時回首拍攝。

                《PeerJ》生物學綜合性期刊發表的一項新研究報告稱,擁有17年歷史、位于400公里高度軌道的國際空間站內,至少存在著1000種,甚至會超過4000種微生物。研究報告共同作者大衛·科伊爾說,這是一個令人高興的結果。

                大衛·科伊爾是加里福尼亞大學戴維斯分校的微生物學家,他說:“存在著這么多的微生物,說明了國際空間站中的生物多樣性很高,而生物多樣性又代表了健康的生態系統。”

                宇航器中能夠居住著各種各樣的微生物,恰恰說明這個宇航器是非常健康的,他補充說。人類正在計劃著向更為遙遠空間發射太空飛船,在太空中飛行18個月前往火星,為了實現上述目標,科學家認為,有必要搞清楚在國際空間站中生存的微生物到底是何種類。

                科伊爾在撰寫論文過程中使用了很多微生物樣本,這些樣本是由MERCCURI公民科學項目組織采集的。MERCCURI公民科學項目是由全美橄欖球聯盟、美國全國籃球協會的支持者們發起的,他們本身也是科學家或工程師,曾經到幾十個專業體育館通過擦拭方式采集了很多細菌樣本,并將細菌樣本送到了國際空間站開展試驗,確定這些細菌是否能夠在國際空間站中茁壯成長。試驗發現,在美國橄欖球聯盟奧克蘭突襲者隊訓練場上采集的阿亞哈太芽孢桿菌成長的最快。

                參與這個科學項目的成員及科學家為國際空間站提供了不少幫助。

                作為交換條件,參與MERCCURI公民科學項目的加里福尼亞大學戴維斯分校科學家也要求國際空間站的宇航員幫忙擦拭空間站的內壁,并將內壁采集樣本送回地球進行研究。國際空間站同MERCCURI公民科學項目之間相互幫助,確實做到了平等互助。

                科學家請求國際空間站的宇航員在空間站內部,包括音頻終端單元麥克風、通風口、乘員睡眠艙隱私面板拉環等15個地點通過擦拭方式采集了大量樣本。這些采集區域對應著地面房屋內的相應區域,音頻終端對應著電話,能夠吸收塵埃及垃圾的通風口對應著經常集聚灰塵的門檻,乘員睡眠艙隱私面板拉環非常形象地對應著地球臥室門的門把手。

                國際空間站的微生物樣本提取打包后送回了地球,加利福尼亞大學戴維斯分校的科學家對這些樣本進行了基因測序。科學家在每一份樣本中發現了1036-4294個操作分類單位。

                這里需要對操作分類單位解釋一下:通過提取樣品的總基因組DNA,利用16S rRNA或ITS的通用引物進行PCR擴增,通過測序以后就可以分析樣品中的微生物多樣性,那怎么區分這些不同的序列呢,這個時候就需要引入操作分類單位,一般情況下,如果序列之間,比如不同的 16S rRNA序列的相似性大于98%就可以把它定義為一個操作分類單位,每個操作分類單位對應于一個不同的16S rRNA序列,也就是每個操作分類單位對應于一個不同的細菌(微生物)種。

                1036-4294個操作分類單位的意思就是說,可能發現了1000-4000種不同的微生物。科學家將空間站微生物研究結果同普通家庭中的微生物群系調查情況進行了比較。

                結果發現,宇航員并沒有受到什么天外來菌的危險,國際空間站中存在的微生物在地球人類的家中也能夠發現,人體皮膚表面繁殖的微生物在國際空間站存在很多。但應當指出的是,科學家目前用于進行基因測序的技術設備,僅能識別早已為人所知的微生物種類,因此,這項研究并沒有排除國際空間站中存在天外來菌的可能性,雖然這種可能性非常小。

                科幻電影《天外來菌》:猶他州的皮德蒙特小鎮,一對男女情侶正在山上約會,突然一顆人造衛星掉落。好奇的兩人將衛星帶回小鎮,卻不知道也將可怕的遭難帶回了小鎮。突然間小鎮上爆發了可怕的病毒,人們紛紛不明原因地死去。為防止病毒擴散到其他城市,軍隊封鎖了小鎮,并派出了代號為“仙女座”的科學小組前去查明病源。科學小組發現了一個不可告人的秘密。

                “坦率地說,我對本次研究的所有結果并不感到吃驚,”研究報告首席作者、微生物學家珍娜·郎說。所有進入太空的儀器設備都要經過消毒殺菌,因此,能夠在空間站中殖民的微生物,肯定都是跟隨宇航員進入國際空間站的。

                “我非常希望國際空間站的艙壁表面能夠看起來像人類的皮膚、上呼吸道一樣,現在,我們在空間站中的很多地方都發現了微生物,空間站艙壁對微生物來說,真是越來越像人體皮膚了”珍娜·郎說。

                主要差別在于微生物種類之間的相對豐富程度。例如,葡萄球菌在國際空間站中的數量就要比普通家庭的多。但珍娜·郎提醒說,這項研究的樣本基礎數量相對很小,而且還是在短時間內在國際空間站這樣的單點空間內采集的。國際空間站進行成員輪換時,空間站的微生物很有可能會相應變化。

                科伊爾說,應當密切關注國際空間站中細菌的循環輪換情況。國際空間站中不健康的微生物群系將會很快導致宇航員出現健康問題。科伊爾指出,俄羅斯和平號空間站停止工作后發現,設備背板后及空調設備中瘋狂生長著黑色霉菌,散發著惡臭。

                有研究人員甚至還擔心,和平號空間站的微生物可能已經發生突變,具有了生物危害性。和平號空間站2001年返回地球時,有可能會對地球造成威脅。實際上這種擔心是沒有必要的,和平號空間站墜落在南太平洋,沒有造成任何危害。

                和平號空間站是蘇聯建造的一個軌道空間站,蘇聯解體后歸俄羅斯。它是人類首個可長期居住的空間研究中心,同時也是首個第三代空間站,經過數年由多個模塊在軌道上組裝而成。

                “現在,這個問題就更加微妙了,”科伊爾說:“微生物群系科學已經取得了長足進展。”科學家希望研究發現宇航員身體上的有益微生物在太空中會發生那些變化,這些有益微生物包括了幫助消化的腸胃細菌,這些細菌會與太空微生物群系發生怎樣的相互作用。

                “很多正在進行中的重大科學項目,正在研究著很多重大問題,”科伊爾說:“我們的這次研究,僅僅是一個初步的數據分析研究。”

                空間站在運行中,具有密閉、控溫控濕等特點,在給宇航員提供適宜生活環境的同時,也給微生物的生長繁殖提供了條件。微生物通過地面組裝、宇航員攜帶等途徑進入空間站內部,在站內的空氣、材料表面和冷卻水系統等處大量繁殖。太空中的微重力環境、宇宙射線等會對微生物的生理活動造成影響,影響微生物的繁殖能力和代謝能力。微生物對材料的腐蝕作用通常是通過其代謝產物和生物膜進行的,在失重環境下,微生物的繁殖、代謝能力,以及生物膜與材料表面的交互作用會增強。因此,在航天器實際運行當中,微生物對材料的腐蝕傾向較地面環境更為嚴重。因此從空間站運行初期開始,就應該對艙內材料表面的微生物進行監測,同時開展相關的微生物腐蝕研究。目前,對于微生物腐蝕問題,已經開展了一系列的研究,但是空間站環境下的微生物腐蝕試驗,則相對較少。因此,開展空間站環境下微生物材料腐蝕行為的研究具有重要意義。

                2 空間站微生物腐蝕危害

                微生物會利用高分子材料作為碳源,在其表面生長繁殖,直接降解高分子材料。微生物生成的生物膜會在冷凝水系統內表面附著,破壞金屬表面,危害金屬材料的安全性能。微生物在航天器內的繁殖會造成循環水系統、絕緣橡膠、空調系統等的破壞。例如,霉菌的繁殖可能造成電路板等電子元器件的短路,引起電子設備的失效,細菌在冷凝水系統中繁殖,產生的有機酸會腐蝕材料,造成泄露。圖1為國際空間站上拍攝到的,微生物在多種材料表面的繁殖情況,圖2為國際空間站內某設備內部霉菌腐蝕情況。

                國際上,俄羅斯、美國、德國和日本等國已經先后開展了一系列航天器及空間站內微生物多樣性的研究,研究對象包括Apollo( “阿波羅”號飛船) 、Skylab( “天空實驗”號空間站) 、Space Shuttle( 航天飛機) 、Mir( “和平”號空間站) 和ISS( 國際空間站) 等。Novikova 等對和平號空間站和國際空間站的微生物多樣性進行了長達10 ~15 年的追蹤研究,結果表明,在空間站內,材料表面附著的真菌主要以青霉屬Penicillium、曲霉屬Aspergillus 和枝孢霉屬Cladosporium 為主,三者在地球環境中均廣泛分布,且對材料有腐蝕傾向。細菌主要以葡萄球菌屬Staphylococcus、棒狀桿菌屬Corynbacterium、芽孢桿菌屬Bacillus 和微球菌屬Micrococcus 為主,主要來源于人體和地表大氣。相關優勢菌種信息見表1。

                Ott 等對Mir 的冷凝水進行微生物分析研究,結果顯示,真菌中,枝孢霉屬、鐮刀菌屬Fusarium 和青霉屬占主要優勢,三者在地表環境均占優勢,同時,三者有潛在的材料腐蝕作用。而細菌則以芽孢桿屬Bacillus 和微球菌屬為主。相關菌種信息見表2。Castro 等對初期運行的ISS 進行微生物檢測發現,不同位置獲取的水樣,菌種分布有所不同,并能檢測到鞘氨醇單胞菌屬Sphingomonas和甲基桿菌屬Methylobacterium。水循環系統中的菌種分布,可能與其所處的位置有關。航天器內的細菌主要來自于地表和人體環境,優勢菌種與地表和人體環境占優勢的菌種有相關性。

                3 航天材料微生物腐蝕機理研究進展

                空間站內常用的航天材料包括不銹鋼、鋁合金、鎂合金、鈦及多種高分子材料。微生物腐蝕研究中,主要采用傳統培養法獲取目標分離源的菌種用于后續腐蝕試驗。

                3.1 霉菌對材料的腐蝕作用

                霉菌對金屬材料腐蝕作用的研究,主要以曲霉屬和枝孢霉屬為主,其中以曲霉屬中的黑曲霉Aspergillus niger居多,枝孢霉屬次之。Umesh 等對黑曲霉的代謝產物研究發現,溫度、搖床轉速等因素會影響檸檬酸的分泌量,培養過黑曲霉的離心培養基上清液對Sn,Al 等金屬有腐蝕作用,且檸檬酸是起腐蝕作用的主要成分。Qing等研究了鎂合金在含有黑曲霉的人造海水中的腐蝕行為,結果表明鎂合金在含有黑曲霉的人造海水中,自身的腐蝕電流密度增大、腐蝕速率加快,黑曲霉起到了加速金屬腐蝕的作用。Dai 等研究表明,黑曲霉的存在會大大加速鋁合金在大氣環境中的腐蝕速率,當材料表面薄液膜內含有Cl-時,腐蝕速率更快。

                霉菌對材料的腐蝕作用機理可分為3 大類: ①霉菌的直接腐蝕,霉菌利用材料作為碳源進行生理活動,直接導致材料發生降解,主要發生于天然高分子材料和部分合成高分子材料中,如聚氯乙烯和聚氨酯等; ②霉菌的代謝產物腐蝕作用,霉菌在材料表面的代謝活動會中會產生一系列有機酸,如檸檬酸、乙二酸、草酸和乳酸等,有機酸可以直接作用于金屬材料表面使得金屬材料被腐蝕; ③霉菌的附著會改變材料表面的局部環境條件,如改變局部含氧量造成氧濃差腐蝕,或改變局部pH值等。

                3.2 細菌對材料的腐蝕作用

                對于細菌的研究主要以硫酸鹽還原菌( Sulfate-Reducing Bacteria,SRB) 、硝酸鹽還原菌( Nitrate-ReducingBacteria,NRB ) 鐵氧化細菌( Iron-Oxidizing Bacteria,IOB) 、錳氧化細菌( Manganese-Oxidizing Bacteria,MOR)產酸細菌( Acid-Producing Bacter,APB) 等為主。芽孢桿屬是人類生活中分布最為廣泛的細菌之一,廣泛分布與自然界中,Mcnamara 等證實,部分芽孢桿菌在一定條件下,可以加速鋁合金的腐蝕。Deen 等證實,巨大芽孢桿菌Bacillus Megaterium 可以加速Al-Cu 合金點蝕,降低其力學性能。在國際空間站俄羅斯段( Russian-ISS) ,曾出現過紅球菌屬Rhodococcus spp.,該屬主要分布于土壤中,對高分子材料具有腐蝕作用。

                通常,生物膜的形成會加速材料的局部腐蝕。當細菌在材料表面繁殖時,可以在材料表面形成一層生物膜。生物膜是影響金屬材料微生物腐蝕的主要因素,其主要成分為含水量95%以上的凝膠相,同時含有細胞外聚合物( Extracellular Polymeric Substances,EPS ) 和懸浮顆粒等。

                4 空間站及模擬環境微生物腐蝕試驗研究進展

                4. 1 空間站內環境微生物腐蝕研究現狀

                目前,對于空間站內微生物腐蝕的研究,主要以地面實驗室條件下開展的相關試驗為主。可以從混合菌種和單一菌種對材料的腐蝕作用這兩方面進行研究。

                Alekhova 等進行過一系列地面模擬環境腐蝕試驗,其試驗方法是將在空間站內分離得到的霉菌孢子噴灑在被試驗材料的表面,在地面實驗室環境中,進行材料微觀形貌的表征或腐蝕試驗。結果表明,從ISS 俄羅斯艙段表面篩得的多種霉菌混合在一起時,會對鋁鎂合金和高分子材料產生腐蝕作用,隨著與霉菌接觸時間的延長,材料腐蝕加重。同時進行了單一菌種的腐蝕試驗,結果發現不同單一菌種造成的腐蝕程度有所不同。其中,黑曲霉、黃曲霉Aspergillus flavous 和蠟葉芽枝霉Cladsporium herbarum 對材料的腐蝕作用最強,細菌中最強的是微球菌屬。而聚多曲霉Aspergillus sydowii 和紅球菌屬對金屬的腐蝕作用最弱。

                Reidt 等對4 種常用航天材料在ISS 俄羅斯艙段內135 天的搭載暴露實驗表明,高分子材料表面附著的微生物最多,其次為鋁合金和印制電路板( Printed CircuitBoard,PCB) 。微生物附著量通常與材料種類和表面狀態有關,高分子材料可以提供碳源且粗糙度較大,因此附著的微生物最多,鋁合金和PCB 表面粗糙度相對較低,因此附著的菌種較少,同時,陽極化處理會使材料耐微生物腐蝕作用增強。

                不同種類、表面狀態的材料對微生物腐蝕的耐蝕能力有所不同,而不同菌株對材料的腐蝕作用也有所不同。

                通常認為,提高耐微生物腐蝕材料的使用比例、降低材料表面粗糙度,可以整體增強航天器耐微生物腐蝕的能力。

                4.2 地面模擬環境下腐蝕試驗方法

                人們在獲得特定菌種后,需要研究在一定溫度、濕度和養分的情況下,微生物的腐蝕行為。用模擬環境的方法,可以在先期開展材料耐腐蝕性的研究及評價,為空間站及相關航天器的長期運行提供技術支持。對于常用的微生物腐蝕試驗。基本方法分為3 大類: 上清液腐蝕法,液體培養基法和固體培養基法。

                (1) 上清液腐蝕法: 將微生物在液體培養基中進行培養,一段時間后,將懸濁液過濾,留下不含菌種的上清液,在特定條件下與金屬材料進行腐蝕反應。該方法主要著眼于微生物代謝產物對金屬材料的腐蝕作用。優點是可以快速地分析微生物活動對材料的影響,無菌操作要求比較低。但其缺點是不能直接用于研究菌體與材料表面的交互作用。

                (2) 液體培養基法: 該方法是微生物腐蝕領域中使用最廣泛的研究方法,可以研究液體環境中微生物對材料的腐蝕行為。采用含有微生物的菌懸液作為接種液,將其接種于模擬液中,設置溫度、濕度和溶氧度等條件,培養4~15 d 左右。該方法可以在模擬溶液環境中進行微生物對材料腐蝕行為的研究。但該方法的主要缺點是操作較繁瑣,對于無菌操作要求較高。

                (3) 固體培養基法: 將材料放置于固體培養基中,噴灑霉菌孢子懸液,并放置于合適的培養條件下。該方法可以最大程度地模擬大氣環境下微生物對材料的腐蝕行為。該方法可以應用于霉菌對材料腐蝕行為的研究,試驗操作簡單。但其缺點是孢子懸液噴灑可能不均勻,試驗隨機性較大。

                4.3 微生物控制方法

                在空間站設計時,在兼顧整體設計之上選用相應的抗霉菌材料以減少霉菌的生長速度。在地面組裝、準備發射階段應控制相應場地、人員和設備的微生物含量,以減少空間站初始運行階段的微生物攜帶量。在運行過程中,應對空氣進行凈化,定期用消毒劑清潔艙內材料表面,對循環水系統進行消毒等。但由于空間站處于相對密閉的條件,滅菌手段又必須對宇航員身體無害,因此,在實際運行中對微生物防護手段提出了比較高的要求。

                4.4 微生物腐蝕試驗特點

                微生物腐蝕與傳統材料的腐蝕研究相比,對實驗人員的要求有以下幾點:

                (1)微生物試驗自身波動性大,需要實驗人員了解微生物篩選、純化、培養、保藏等操作,并依據微生物試驗的思路和特點設計合理的實驗方案;(2)對操作者本身的無菌理論和技術提出了較高的要求;(3)對電化學技術和材料表征手段都提出了更高的要求;(4)細菌與霉菌因其生理結構不同,在無菌操作、實驗方法上有所不同,需要實驗人員在實際操作中加以區分。

                針對航天器的微生物腐蝕問題,美國國家航空航天局和俄羅斯航空局等對國際空間站和“和平號”空間站航天器的微生物多樣性進行了20 余年的研究,涵蓋地面組裝到初期運行,再到長期運行,建立了較為完善的微生物多樣性檢測手段,并對微生物腐蝕的機理進行了初步的探究,提出了空間站運行的微生物控制指標。目前,我國在航空航天領域取得了突飛猛進的發展,但是對于航天站環境下微生物腐蝕檢測技術及機理研究,還處在開始的階段。從航天站的運行到長期維護的角度來看,有必要在微生物腐蝕領域開展相關研究,填補國內相關領域的空白。

                隨著我國載人航天工程發展戰略的逐步實施,未來將面臨長期載人飛行中的微生物安全問題。國外經驗表明,空間載人環境非常有利于微生物的生存。登上過“和平”號空間站的太空人都曾在控制器后、空氣調節器及空間站的各個角落發現許多變種真菌。這些真菌在太空環境下變得極具破壞力,能釋放酸性腐蝕性物質,甚至會在空氣中釋放毒素。在長期載人飛行任務中,如果不對這些微生物加以控制,將會對航天員的生命健康和航天器的長期安全運行造成以下風險。

                首先,微生物的滋生會產生毒素,污染艙內空氣、水源和食物,致病微生物會導致航天員生病或造成感染。在長期飛行條件下,航天員免疫功能會受到一定程度的抑制,某些致病微生物的感染毒性可能會增強。美國研究表明,鼠傷寒沙門氏菌在搭載航天飛機飛行12 天后,對小鼠的毒性幾乎增為地面對照菌的3 倍。綠膿桿菌,一種能夠引起傷口感染的常見細菌,在太空培養環境下可以形成一種具有獨特結構的生物膜,其擁有的活細胞數、生物量和厚度都明顯高于地面對照,這種改變可能會對病原菌的致病能力和耐藥性產生重要影響。

                其次,微生物能夠腐蝕破壞空間材料,形成生物膜堵塞管道,導致技術設備故障。“和平”號空間站在長達15 年的運行期間曾發生多次由微生物導致的設備故障。例如,其第3 批航天員曾發現一扇舷窗因為霉菌的生長造成能見度降低,光學性能下降。第5 批航天員進駐期間氧氣電解裝置因真菌的繁殖而出現堵塞。第14、15 批宇航員在軌期間其溫控系統曾發生故障,經調查發現是被真菌繁殖形成的膠狀物質堵塞了管道。第24批宇航員進駐期間曾發生由于真菌腐蝕造成的電子通訊設備故障。在國際空間站的運行期間,也曾多次報道發生微生物腐蝕事件。如,在2001年,俄羅斯艙的一個煙感器故障,返回地面后調查發現是由真菌對電子部件的降解引起的。俄羅斯在“和平”號空間站上的實踐表明,真菌和細菌經空間飛行后,其對材料的腐蝕破壞能力會顯著增強。

                此外,在太空孤立環境下發生變異的微生物變種,如果被活著帶返地球,可能會對人類和地球生態構成威脅。在“和平”號空間站墜毀之時,其攜帶的各種變異真菌是否會逃脫被銷毀的命運,而進入地球的生物圈,曾引起科學界的廣泛關注。

                因此,為保障長期載人飛行人員健康和系統的運行安全,需要對空間微生物及其風險進行控制。俄美等國在“和平”號空間站和國際空間站的建造及運營過程中非常重視微生物控制工作,并針對空間微生物的監測、控制、防護等技術開展了大量研究,已經積累了大量的技術和經驗。我國載人航天事業開展較晚,在前期神舟系列飛船任務中,由于飛行時間短,微生物控制的重要性未得到體現,導致我國空間微生物控制技術水平相對薄弱。隨著我國空間站工程的啟動實施,在2020 年前后,我國將建成和運營空間站,并將獨立開展長期有人參與的空間科學實驗。

                空間微生物控制已成為我國空間站工程面臨的一個重大挑戰,開展空間微生物控制技術研究是我國載人航天工程發展的重大需求。

                2 空間微生物控制

                空間微生物控制是指通過在航天器設計、建造和飛行過程中采取一系列的微生物監測、控制、防護措施,控制空間飛行環境中的微生物水平,防范微生物可能對航天員或飛行系統造成的潛在風險。( 對于一些需要返回地球或著陸外星球的航天器,其攜帶的微生物可能會對地球或外星球的生態或環境造成潛在威脅,因屬于“行星保護”考慮范疇,不在本文討論之列。)

                2.1 空間微生物來源和特點

                航天員的活動,以及航天器組成和地面建造發射過程的復雜性,造成空間微生物的來源途徑多樣,控制難度大。空間微生物最主要來源是航天員的自體微生物,在航天員體表和體內通常生活著大量微生物,它們是人體微生態平衡系統的重要組成,在正常情況下,有益于人體健康。航天員在軌期間,這些微生物會通過呼吸或其他途徑源源不斷地傳播到艙內環境。其次,航天器的結構組件、設備載荷,攜帶的貨物、食品和水等,以及地面總裝測試、發射準備過程都可能引入微生物污染。許多環境微生物的生命力非常頑強,特別是一些細菌的芽孢和真菌的孢子,一般的消毒滅菌措施很難完全消除,這些逃脫并進入太空艙的微生物或孢子,遇到適宜的條件,就會繼續生長繁殖,并擴散到艙內各個角落。

                艙內的微生物種類復雜,且一直處于動態變化之中。俄羅斯生物醫學研究中心曾先后從“和平”號空間站分離出234 種微生物,包含126 種真菌和108 種細菌。與地面相對一致的微生物生活環境不同,艙內的微生物通常生活在各種局部微環境中,如,控制面板背面、通信設備內部、空調管道系統、各種材料表面等。這些局部微環境中生存條件差異很大,且經常發生變化,如溫度、濕度波動,冷凝水形成,材料老化和有機物累積等。造成適宜生活微生物種群的多樣性,及種類、數量的經常性變化。在艙內密閉環境下,這些生活在不同生境中的微生物群落,一方面發生自身演變,群落內不同種群相互依存、相互競爭,優勢種群不斷演替; 另一方面,不同的微生物群落之間通過空氣以及其他傳播途徑進行種群交流,最終演化形成一種獨立的空間微生物生態系統。這種微生物生態系統也是動態變化的,當發生環境變化或外源種群進入時,原有生態平衡即被打破,并向新的平衡演變。此外,微生物處于太空輻射、微重力等環境下,還可能會發生菌群性狀和生理遺傳等方面變化,如,生物膜的形態結構,微生物的生長速度、適應性和抗性,真菌的腐蝕性和破壞性,病原菌的致病性和毒性等。這些變化會導致空間微生物風險和控制難度的增大。

                2.2 空間微生物控制任務分析

                空間微生物的以上特點,決定了空間微生物控制的復雜性。按航天工程的不同階段微生物控制任務可劃分為: ①航天器設計階段。在艙內環境設計、材料選擇等過程中,需要盡量減少有利于微生物生長的環境或表面,避免使用易受微生物腐蝕破壞的工程材料,對可能發生的微生物風險采取預先防護或對抗措施。②地面建造階段。在航天器的總裝測試、發射準備過程中,需要采取消毒滅菌、潔凈組裝、微生物監測等一系列措施,嚴格控制航天器和設備載荷等攜帶的微生物污染。③在軌飛行階段。需要定期監測飛行中艙內環境的微生物污染及變化,并通過清潔消毒等操作降低微生物水平,以及在發現微生物風險后采取應對措施。

                由于不同航天任務的微生物危害性不同,微生物控制任務要求也不盡相同。①人造衛星、月球或行星探測器等無人航天器。由于內部無大氣存在,微生物不能生長,不會對航天器造成危害,無需進行飛行微生物風險防護。但是,如果航天器需返回地球或著陸外星球,需考慮“行星保護”相關要求。②神舟飛船等短期載人航天器。由于在軌時間短,微生物對材料設備的危害較小,主要風險是病原微生物對航天員的感染。所以,微生物控制重點為地面階段的消毒滅菌和病原微生物的檢驗檢疫,以及在軌微生物采樣監測。③空間站等長期載人航天器。由于在軌時間長,微生物的滋生不僅威脅航天員的生命健康,還會對艙內材料設備造成潛在危害。所以,不僅需要在航天器地面階段嚴格控制微生物污染的引入,在軌階段對艙內微生物水平進行長期監測和控制,還需要在航天器的設計階段對潛在的微生物風險采取預先防護措施。④與空間站對接的載人或貨運飛船。主要防范對接過程中將外源微生物引入空間站艙內。所以,其地面階段應執行與空間站類似的微生物控制標準,并在發射前進行采樣檢測。

                3 國外空間微生物控制發展現狀

                3.1 國際空間站發射前和在軌運營微生物控制要求

                國際空間站是一個長期在軌飛行的近地載人航天器,在國際空間站醫學操作要求文件( ISSMORD) 中,包含了對空間站發射前和在軌運營期間微生物控制的相關要求。

                國際空間站各艙段在發射前,需依據ISSMORD“國際空間站飛行前微生物控制和監測要求”對艙內的表面、空氣和水進行微生物采樣檢測,分析細菌、真菌的數量和種類。與空間站對接的航天飛機、“聯盟號”飛船和“進步號”貨運飛船在發射前也需要進行微生物檢測。如果發現細菌或真菌水平超標,需采取適當措施進行處理,將其降低到允許范圍之內。

                國際空間站在軌運營期間,需按照ISSMORD“國際空間站在軌飛行微生物控制和監測要求”對艙內表面和空氣進行定期微生物采樣,并對艙內表面材料和金屬部件受微生物腐蝕破壞的情況進行評估。

                需要同時采用兩種手段對微生物樣品進行分析:

                1) 在軌微生物計數,分析細菌和真菌的數量與動態變化;

                2) 返回地面分析,將飛行期間和人員返回前采集的樣品帶回地面,在實驗室中對樣品中的微生物進行分離鑒定,分析微生物的種類和性狀變化。

                如果發現艙內空氣或表面微生物水平超標,可通過向地面傳送視頻或照片,由美國NASA/JSC 和俄羅斯RSA/IBMP 的微生物專家對微生物風險進行評估,并將結果通知參與飛行任務的醫生; 同時,嘗試鑒定污染源,并協調相關人員采取適當的控制措施。對于表面微生物污染,可根據情況采用清潔或消毒拭巾進行擦拭。

                3.2 國外空間微生物控制技術介紹

                3.2.1 航天器設計微生物防護技術

                在航天器設計中,常用的微生物防護措施有:在艙內空氣循環系統中加入HEPA( 高效空氣粒子過濾) 裝置,用以去除空氣中的微生物和顆粒物; 調整艙內環境設計,控制空氣相對濕度及均勻度,防止濕氣在某些部位積累并形成冷凝水。“和平”號空間站和國際空間站還裝備了等離子發生裝置,用于凈化空氣和殺滅微生物。美國NASA 還十分重視航天工程材料的抗菌防霉性能篩選和抗菌涂料研究,在上世紀70 年代曾委托哥倫布實驗室開展抗菌材料和涂料的實驗研究。

                3.2.2 航天器硬件消毒滅菌技術

                航天器零部件在出廠前,需要進行清洗消毒,NASA 常用的方法有: 70% 異丙醇或超純水擦拭法、多重有機溶劑清洗法等。航天器部組件在組裝完成后,還需要進行滅菌處理。干熱滅菌為NASA 早期“行星保護”計劃的主要滅菌方法,但是,長時間熱處理會引起某些材料的降解,影響材料設備的性能或可靠性,僅適用于航天器一些耐熱金屬零部件的滅菌。航天飛機等現代航天器,含有大量有機合成材料和電子元器件等熱敏感部件,干熱滅菌法很難完全適用。所以,NASA 一直在積極需找可以替代的常溫滅菌技術,已報道的有: 環氧乙烷( ETO) 、低溫甲醛蒸汽、過氧化氫蒸汽( VHP) 、低溫等離子體等氣體滅菌技術。其中,VHP 是最新經過NASA認可的常溫滅菌技術,NASA 噴氣推進實驗室( JPL) 已完成了VHP 與系列航天材料的兼容性試驗,并對過氧化氫濃度、滅菌時間、溫度等各項滅菌參數進行了系統優化研究。現代VHP滅菌技術由于滅菌溫度低、無害無殘留、對大部分航天材料有很好的兼容性,非常適合載人航天器表面及組件設備的滅菌處理。

                3.2.3 航天器潔凈組裝技術

                經過消毒滅菌的航天器零部件需要在潔凈環境中進行總裝測試和發射準備,以避免微生物二次污染。在國際空間站的地面組裝過程中,裝配車間對微生物控制的要求遠高于外科手術間的要求,以避免人員或環境對航天器硬件的污染。目前,國外航天器裝配車間通常采用層流系統控制空氣微生物水平,并制定例行的清潔消毒、微生物監測和人員操作規程。例如,在JPL 的滅菌組裝與研發實驗室( SADL) ,進入人員必須經過鞋子清潔處理和風淋除菌后,才能進入實驗室前廳( 更衣室) ,然后穿上實驗室提供的全套無菌操作裝備,包括鞋子、襪子、外罩、帽子、手套等才能進入實驗室進行操作。實驗室同時配有專業的微生物控制人員,包括: 微生物工程師、微生物技師、質控工程師等,定期進行清潔消毒和檢測防護,以保證實驗室的潔凈度。

                3.2.4 航天器裝配及發射前微生物監測技術

                NASA 制定了一系列的標準方法和程序,用于對航天器裝配環境和硬件設備的微生物監測。對裝配車間的空氣沉降微生物水平,一般采用滅菌不銹鋼片或滅菌特氟龍條帶法進行監測。其中,滅菌不銹鋼片法是將一系列滅菌不銹鋼片放置于待檢測區,每隔一段時間,回收部分鋼片,檢測上面的微生物水平。這種檢測方法已證明比傳統的容積式空氣取樣器更靈敏可靠。滅菌特氟龍條帶法與滅菌不銹鋼片法操作類似,區別在于用特氟龍條帶替代了不銹鋼片。對地板和工作臺面等堅硬平整表面,采用RODAC 接觸平板印壓法進行采樣,對航天器硬件或其他表面使用無菌棉簽或無菌布擦拭法進行采樣。對裝配車間空氣微生物樣品,采用狹縫撞擊法進行采樣,對一些狹小空間,如飛船指揮艙內及周圍區域的空氣微生物樣品,則采用過濾膜取樣器進行采集。在樣品分析方面,瓊脂平板培養法仍然是最常用的微生物檢測方法,其他的方法還有ATP 熒光檢測法、內毒素水平檢測法( LAL) 、PCR 檢測法等。

                航天器在發射前,還需對其攜帶的微生物水平進行監測。在航天飛機項目( SSP) 中,要求分別在航天飛機到達發射場( 通常為發射前15-25天) 和發射前2 天對駕駛艙、中艙和空間實驗室的空氣和表面進行采樣。空氣微生物采樣使用一種帶電池的小型便攜式采樣器,表面采樣需與空氣采樣同時進行。除了檢測細菌和真菌的水平之外,還需對微生物的種類進行分析。在早期航天飛機項目中,還要求在航天飛機著陸后立即在同樣部位進行采樣,但在后來的項目中,著陸后和發射2 天前采樣都被取消了。

                3.2.5 在軌微生物監測技術

                在載人航天發展的早期階段,人們即已認識到飛行中微生物監測對保證航天員健康的重要性。自人類首次載人航天飛行起( 尤里·加加林,1961) ,美蘇就開始采用傳統的培養方法對飛行艙內的微生物進行監測。在美國航天飛機項目中,宇航員常用一種小型便攜離心式采樣器對艙內空氣進行采樣,空氣中的微生物被撞擊到瓊脂平板上,細菌和真菌分別采用不同的培養平板。

                10 年間14 次任務的監測結果表明: 飛行中,空氣中的細菌水平通常隨飛行時間的延長趨于增加,并經常會超過1000 CFU/m3,真菌水平一般會很低,并在飛行中呈降低趨勢,可能受低濕、缺乏自由態水等因素影響。空氣中的常見細菌為金黃葡萄球菌、微球菌、芽孢桿菌和腸桿菌,主要為人和環境相關的典型菌群; 常見的優勢真菌為曲霉、青霉和絲孢菌。“和平”號空間站運營近15年,為研究長期載人飛行環境下微生物組成、種群選擇和適應的動態變化提供了絕佳的機會。1995—1998 年間,作為美俄國際空間站合作計劃的一部分,美國共有7 名宇航員登上“和平”號空間站。

                美俄合作開展了從75 天到209 天在軌飛行發射前、在軌和返回后的微生物采樣分析工作,采樣對象包括機組人員、“和平”號空間站和航天飛機環境等。其中,空氣微生物采樣用的是Burkard 撞擊式采樣器,“和平”號空間站內四個取樣點空氣細菌平均水平為200 ~ 425 CFU/m3 ( 俄羅斯限值為500 CFU/m3 ) ,空氣真菌平均水平為175 ~ 325CFU/m3 ( 俄羅斯限值為100 CFU/m3 ) 。空氣中常見細菌為金色葡萄球菌、芽孢桿菌和棒狀桿菌,常見真菌為青霉、曲霉和枝孢霉。“和平”號空間站表面微生物采樣用的是拭子和接觸培養板,平均細菌水平不高于2700 CFU/100cm2,平均真菌水平不高于500 CFU/100cm2。表面常見細菌為金色葡萄球菌、芽孢桿菌和微球菌,常見真菌為青霉、念珠菌和曲霉。目前在國際空間站,每90天,宇航員就要用一種在軌工具包對各艙段的空氣、水和表面進行采樣,工具包中含有多種基于培養的采樣分析工具,包括表面采樣工具( SSK) ,空氣微生物采樣器( MAS) ,水樣收集工具( WSCK)等。樣品分析主要有兩種方式: ①在軌培養,通過觀察進行菌落計數; ②樣品返回地面,在實驗室中進行更復雜的分析。

                國外前期經驗表明,基于傳統培養方法的在軌微生物檢測技術簡單實用、穩定可靠,可以為分析空間環境微生物的種類和分布提供重要數據。但是,由于這些方法主要基于微生物在培養基上的生長能力,所以存在一些不足: ①超過95% 的微生物種類不能在傳統的培養基上生長,不能被培養法檢測; ②分析時間長,在軌培養分析需3—5 天,返回地面分析則要長達幾個月; ③培養板內容易結霧,不利于菌落觀察統計; ④培養可能會導致有害微生物的生長,用完必需進行安全處理,以防造成污染。

                因此,近年來歐美等國一直在積極改進或研究免培養基的在軌微生物檢測技術。在“和平”號空間站的EuroMir95 項目中,意大利航天局開展的“MIRIAM-T2”空間站微生物監測實驗的主要目的之一,就是驗證兩種簡單快速的在軌微生物檢測技術。①熒光分析儀,是一種半自動、實時的分析技術,利用一種“生物熒光”反應測定樣品中的ATP( 三磷酸腺苷,細胞反應的主要能源分子) 水平,來評價微生物生物量。②“微培養”技術,這種技術基于傳統的菌落培養方法,用浸有營養液的滅菌紙片代替瓊脂培養基。先用一種濾膜采集微生物樣品,然后放在營養紙片上,再用無菌的透明樣品袋密封后直接在軌培養。優點為: 方便在軌操作,培養菌落半徑小,易于計數,污染風險低。在國際空間站,目前正在使用一種手持式微生物檢測設備“LOCAD-PTS”,它是從用于制藥和衛生行業的一種便攜式內毒素檢測系統( Endosafe-PTS) 發展而來,NASA 的Marshall 空間飛行中心聯合相關研究機構將其改進以適應空間環境使用。檢測器自身重2. 2 磅,集成了分光光度計、加熱器、微泵等功能,可以與多種可互換的測試卡配合使用,用于檢測多種微生物分子。目前在國際空間站上有三種不同的LOCAD-PTS 測試卡,分別用于檢測內毒素、葡聚糖和脂磷壁酸,相對應于革蘭氏陰性細菌、真菌和革蘭氏陽性細菌的水平。“LOCAD-PTS”系統還附加有與之相配合的表面采樣、樣品處理工具。宇航員可以利用這些工具進行表面采樣和樣品處理,然后在軌利用LOCAD-PTS 對其定量分析,整個過程15 分鐘內即可完成。LOCAD-PTS 于2006 年12 月由“發現號”航天飛機送往國際空間站,并于2007年3 月開始第一次使用,之后,被廣泛地用于空間站內微生物污染的監測。

                3.2.6 在軌微生物控制和防護措施

                在軌微生物控制措施主要分為兩大類: ①主動控制,主要包括使用空氣過濾裝置去除空氣浮游微生物,使用吸塵器和浸有去污劑或消毒液的擦布清潔艙內表面等。“和平”號空間站在軌運行期間,每周會安排一天進行大掃除( 通常為周日) ,所有人員必須參與。在國際空間站美國艙段,每周會安排4 個小時進行清潔,使用一種便攜式吸塵器,6 種消毒濕巾( 消耗型,每次任務補充) ,以及去污劑和擦布等,對艙內環境進行清潔消毒。但是,并非艙內的所有部位或表面都可以用擦布進行清潔消毒,如一些死角或設備內部。這些部位必需在設計建造時采取一些防護措施。②被動控制,主要通過優化艙內環境設計、選擇抗菌防霉材料、對艙內表面進行處理等措施,抑制微生物生長,防范微生物可能導致的風險。

                3.2.7 水微生物控制技術

                航天器飲用水微生物污染會嚴重威脅航天員健康,并誘導對硬件的生物腐蝕。微生物可以在飲用水儲箱或輸送管道內形成生物膜,這些附著的微生物菌落可以提高致病菌的持留性和微生物對消毒劑的抗性。因此,需要采用適當的消毒措施對其進行控制。美國航天飛機飲用水主要通過添加碘離子進行消毒。航天飛機飛行前,水箱中飲用水來自于城市用水,先使用0. 1 μm 濾膜濾除微生物污染,然后添加2 ~ 3 ppm( 終濃度)的碘離子作為消毒劑。航天飛機空間飛行階段,飲用水主要由燃料電池提供,并添加2—3 ppm 的碘離子進行消毒。俄羅斯“和平”號空間站飲用水采用銀離子作為消毒劑,其飲用水主要來自于經水處理系統凈化的空氣冷凝水,也有部分來自于地面,需要在地面運送之前或在軌添加銀離子( 0. 5 mg /L) 進行消毒。國際空間站飲用水有多種來源,包括: 地面運送的飲用水,航天飛機飛行階段燃料電池產生的水,以及空間站在軌回收再生的飲用水( 主要來自于空氣冷凝水、尿液的蒸餾水等) 。國際空間站飲用水主要通過在地面運送之前或在軌添加0. 5 mg /L 銀離子進行消毒,航天飛機飛行階段燃料電池產生的水,則先添加碘離子( 2 ~ 5 mg /L) 進行消毒,在輸送至空間站飲用水系統之前,去除碘離子,再添加銀離子代替。航天飛機在飛行前和返回后,需對飲用水的細菌總數和大腸桿菌數進行檢測,細菌總數限量為50 CFU/100mL,大腸桿菌為低于1 CFU/100mL。國際空間站需定期對不同來源的飲用水質量進行檢測,利用美國提供的水微生物分析試劑盒,在軌對水的異養微生物進行定量,美國艙段飲用水還需額外檢測大腸桿菌數量。國際空間站還要定期對水微生物樣品進行存檔,供返回地面后分析。

                由于碘離子作為消毒劑與國際空間站的銀離子消毒系統不兼容,所以,航天飛機燃料電池產生的水在輸送至國際空間站之前,需要通過離子交換去除碘離子。此外,碘離子會使飲用水產生一種不好的味道,并可在甲狀腺中積累,導致有機化合物鹵化形成細胞毒性物質,對長期飛行的航天員健康造成風險。因此,NASA 已決定以氟化銀替代碘離子作為下一代航天器飲用水系統的消毒劑。但是,氟化銀會在溶液或濕潤金屬表面發生離子相互作用,銀離子會快速從溶液中析出,并逐漸失去抗菌作用。由于當前國際空間站使用的飲用水消毒劑( 銀離子、碘離子) 存在的缺點,如: 對人的毒性限量低,殺菌持效時間短,需要再補充,具有不好的味道等。NASA 正在研究新一代的飲用水系統抗菌技術,如: 使用具有殺菌作用的UV-C 發光二極管作為點端消毒裝置; 聯合使用UV-A 發光二極管與光催化材料( TiO2等) 對飲用水系統進行消毒; 采用多種抗菌或具有表面拓撲結構的材料,殺死水中微生物,阻止生物膜的形成; 保持銀離子的溶解性,延長其殺菌持效時間等。

                4 對我國空間微生物控制技術發展的建議

                空間微生物控制技術是長期載人航天的關鍵技術之一,是保障航天器長期安全運行和航天員生命健康的重大需求。美俄等航天大國在航天技術發展的早期( 上世紀50 - 60 年代) 即已開始重視航天活動相關的微生物控制工作。經過長期實踐,已經積累了大量的技術與經驗,并建立了較完善的空間微生物控制技術體系。我國由于載人航天事業發展較晚,相關研究和技術試驗開展較少,技術基礎薄弱,目前尚未建立空間微生物控制的基本技術體系。為促進我國空間微生物控制技術的快速發展,盡快滿足我國載人航天工程的微生物控制需求,我國應立即開展空間微生物控制技術體系建設和相關技術研究。

                4.1 空間微生物控制技術體系

                建設空間微生物控制是一項非常復雜的系統工程,貫穿于載人航天器設計、建造和運營的整個過程,涉及微生物監測、控制、防護等多種技術手段,任何一個環節上的紕漏,都可能導致嚴重的安全問題。只有建立系統全面的微生物控制技術體系,才能有效保障載人航天工程安全。美國NASA 雖未明確提出統一的微生物控制技術體系,但在航天器設計、建造和運營的相關技術文件中包含了對微生物的控制要求或技術標準(表3),并針對微生物的監測、控制和防護建立了標準化的技術流程或規范,實際上形成了比較完備的空間微生物控制技術體系。我國在航天器設計、建造和運營過程中涉及微生物控制內容較少。為了快速建立系統有效的技術體系,以滿足當前載人航天工程對微生物控制的迫切需求,需要進行系統性設計、統一規劃。根據對載人航天工程微生物控制任務的分析,空間微生物控制技術體系的基本構成如圖1 所示。除了應圍繞航天工程各階段的各項微生物控制任務,建立標準化的技術流程和控制標準,還需要建立一個統一的空間微生物風險管理系統,對航天工程中發現或潛在的微生物風險問題進行分析、鑒定和評價,并提出相應控制方案,同時為空間微生物控制技術規范和標準的制定或修改提供依據。

                4.2 空間微生物控制技術研究

                空間微生物控制涉及多種不同的專業技術,如抗菌防霉、消毒滅菌、潔凈組裝、微生物監測、微生物分析鑒定等,這些技術或產品在載人航天工程中應用,還必需考慮載人航天工程環境及約束條件。空間微生物控制涉及的各項技術或產品,在技術復雜度、應用成熟度,及工程需求的迫切程度等方面存在顯著差異。所以需要優先發展那些技術較為簡單、成熟度高、開發周期短,航天工程迫切需要的技術或產品,滿足近期工程需求。這類技術包括: 航天材料抗菌防霉性能評價技術、地面微生物采樣監測技術、航天器硬件的消毒滅菌技術等。同時,還要逐步研究和開發一些具有一定前瞻性、先進性,難度較高、研發周期較長的關鍵技術或產品,以滿足載人航天工程未來發展的更高需求。目前國外研究較多的有: 在軌微生物快速檢測技術、在軌消毒滅菌技術、航天材料抗菌防霉技術等。

                5 結束語

                空間微生物控制技術是我國載人航天工程未來發展所必需具備的關鍵技術之一,開展空間微生物控制技術研究和體系建設對于保障我國空間站長期安全運行,及未來載人登月、載人火星等航天任務的微生物安全有重要意義。此外,為空間微生物控制研發的一些新技術或產品也可在其他行業進行應用,如: 空氣、水源、食品、藥品等的微生物污染檢測,醫療衛生和公共場所的病原菌監測和消毒滅菌,環境設施、家居用品的抗菌防霉等。

                來源:今日頭條、知網、網絡資料等綜合整理

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