围观 | 是外星来物吗?!空间站外壁发现活细菌,应该这样抵御

人类一直没有放弃在地球之外的星球里寻找物种的存在,很多关于外星生物的想象同样是带有着神秘和诡异感的,而且各种UFO的出现更加重了人们的好奇心,希望在其他的星球上找到文明或者是生命的痕迹。之前ISS就曝出一个事件,这个事件很可能与我们苦苦寻找的外星物种有关系。

当时ISS外面执行任务的是一名俄罗斯的研究员,他在进行日常工作的时候,竟然在空间站的外壁之上,发现了细菌的痕迹。需要注意的是,他并不是在站里面发现的,而是在裸露在太空的空间站外壁上发现的,而空间站发射之前,早就已经经过了非常严格的杀菌过程,所以在外壁之上发现细菌的可能性几乎为0,但是就算有着没有杀菌干净的可能,可是ISS都已经发射了多年了,为何最近才发现呢?

我们都清楚绝大多数细菌需要在有O2的情况下才能存活,虽然一些极端的细菌不依靠O2,但是也要有养分的供给才能够活下去。可是太空中是没有空气的啊,也同样没有养分,基本上都是无机的,因此在太空中除了发现部分有机的分子之外,发现活的细菌的可能性太小了。因此,这位宇航员的发现,或许会为我们发现其他星球生物或者是探索有机生物起源提供思路。

通过对采集的细菌进行分析后,研究员认为这些细菌很可能来自外太空,可是这种说法让很多人质疑,因为太空中没有保证细菌生存的环境,而且空间站的外壁温差可谓非常巨大,向阳的那一面外壁可以达到121度的高温,而背阴的那部分外壁则低至零下157度,这种条件下细菌出现在空间站,实在是有些可怕。

经过检测发现,这种目前称之为“太空细菌”的细菌对人没有威胁能力,也算是让空间站的研究员松了口气,只是未来这种细菌如何在太空辐射环境下变异,还未可知。因为此前人类也曾发射细菌到太空,在重力之下会使细菌发生改变,因此,对于出现在太空的细菌还是要警惕。

它或许与外星物种无关,但是一旦它变异到对人有威胁性,大量繁殖毁灭人类也并非不可能,那么那时候,它只能变成我们的敌人。大家觉得在外太空发现存活的细菌是好事还是坏事呢?欢迎留言评论。

小编查遍资料,得到一些具体的详解,如有不妥,请大家原谅并斧正。

正在太空中飞行的国际空间站中已经生存着上千种微生物,空间站中的宇航员人类仅仅是其中的一员。

国际空间站。阿特兰蒂斯号航天飞机于2011年7月飞离时回首拍摄。

《PeerJ》生物学综合性期刊发表的一项新研究报告称,拥有17年历史、位于400公里高度轨道的国际空间站内,至少存在着1000种,甚至会超过4000种微生物。研究报告共同作者大卫·科伊尔说,这是一个令人高兴的结果。

大卫·科伊尔是加里福尼亚大学戴维斯分校的微生物学家,他说:“存在着这么多的微生物,说明了国际空间站中的生物多样性很高,而生物多样性又代表了健康的生态系统。”

宇航器中能够居住着各种各样的微生物,恰恰说明这个宇航器是非常健康的,他补充说。人类正在计划着向更为遥远空间发射太空飞船,在太空中飞行18个月前往火星,为了实现上述目标,科学家认为,有必要搞清楚在国际空间站中生存的微生物到底是何种类。

科伊尔在撰写论文过程中使用了很多微生物样本,这些样本是由MERCCURI公民科学项目组织采集的。MERCCURI公民科学项目是由全美橄榄球联盟、美国全国篮球协会的支持者们发起的,他们本身也是科学家或工程师,曾经到几十个专业体育馆通过擦拭方式采集了很多细菌样本,并将细菌样本送到了国际空间站开展试验,确定这些细菌是否能够在国际空间站中茁壮成长。试验发现,在美国橄榄球联盟奥克兰突袭者队训练场上采集的阿亚哈太芽孢杆菌成长的最快。

参与这个科学项目的成员及科学家为国际空间站提供了不少帮助。

作为交换条件,参与MERCCURI公民科学项目的加里福尼亚大学戴维斯分校科学家也要求国际空间站的宇航员帮忙擦拭空间站的内壁,并将内壁采集样本送回地球进行研究。国际空间站同MERCCURI公民科学项目之间相互帮助,确实做到了平等互助。

科学家请求国际空间站的宇航员在空间站内部,包括音频终端单元麦克风、通风口、乘员睡眠舱隐私面板拉环等15个地点通过擦拭方式采集了大量样本。这些采集区域对应着地面房屋内的相应区域,音频终端对应着电话,能够吸收尘埃及垃圾的通风口对应着经常集聚灰尘的门槛,乘员睡眠舱隐私面板拉环非常形象地对应着地球卧室门的门把手。

国际空间站的微生物样本提取打包后送回了地球,加利福尼亚大学戴维斯分校的科学家对这些样本进行了基因测序。科学家在每一份样本中发现了1036-4294个操作分类单位。

这里需要对操作分类单位解释一下:通过提取样品的总基因组DNA,利用16S rRNA或ITS的通用引物进行PCR扩增,通过测序以后就可以分析样品中的微生物多样性,那怎么区分这些不同的序列呢,这个时候就需要引入操作分类单位,一般情况下,如果序列之间,比如不同的 16S rRNA序列的相似性大于98%就可以把它定义为一个操作分类单位,每个操作分类单位对应于一个不同的16S rRNA序列,也就是每个操作分类单位对应于一个不同的细菌(微生物)种。

1036-4294个操作分类单位的意思就是说,可能发现了1000-4000种不同的微生物。科学家将空间站微生物研究结果同普通家庭中的微生物群系调查情况进行了比较。

结果发现,宇航员并没有受到什么天外来菌的危险,国际空间站中存在的微生物在地球人类的家中也能够发现,人体皮肤表面繁殖的微生物在国际空间站存在很多。但应当指出的是,科学家目前用于进行基因测序的技术设备,仅能识别早已为人所知的微生物种类,因此,这项研究并没有排除国际空间站中存在天外来菌的可能性,虽然这种可能性非常小。

科幻电影《天外来菌》:犹他州的皮德蒙特小镇,一对男女情侣正在山上约会,突然一颗人造卫星掉落。好奇的两人将卫星带回小镇,却不知道也将可怕的遭难带回了小镇。突然间小镇上爆发了可怕的病毒,人们纷纷不明原因地死去。为防止病毒扩散到其他城市,军队封锁了小镇,并派出了代号为“仙女座”的科学小组前去查明病源。科学小组发现了一个不可告人的秘密。

“坦率地说,我对本次研究的所有结果并不感到吃惊,”研究报告首席作者、微生物学家珍娜·郎说。所有进入太空的仪器设备都要经过消毒杀菌,因此,能够在空间站中殖民的微生物,肯定都是跟随宇航员进入国际空间站的。

“我非常希望国际空间站的舱壁表面能够看起来像人类的皮肤、上呼吸道一样,现在,我们在空间站中的很多地方都发现了微生物,空间站舱壁对微生物来说,真是越来越像人体皮肤了”珍娜·郎说。

主要差别在于微生物种类之间的相对丰富程度。例如,葡萄球菌在国际空间站中的数量就要比普通家庭的多。但珍娜·郎提醒说,这项研究的样本基础数量相对很小,而且还是在短时间内在国际空间站这样的单点空间内采集的。国际空间站进行成员轮换时,空间站的微生物很有可能会相应变化。

科伊尔说,应当密切关注国际空间站中细菌的循环轮换情况。国际空间站中不健康的微生物群系将会很快导致宇航员出现健康问题。科伊尔指出,俄罗斯和平号空间站停止工作后发现,设备背板后及空调设备中疯狂生长着黑色霉菌,散发着恶臭。

有研究人员甚至还担心,和平号空间站的微生物可能已经发生突变,具有了生物危害性。和平号空间站2001年返回地球时,有可能会对地球造成威胁。实际上这种担心是没有必要的,和平号空间站坠落在南太平洋,没有造成任何危害。

和平号空间站是苏联建造的一个轨道空间站,苏联解体后归俄罗斯。它是人类首个可长期居住的空间研究中心,同时也是首个第三代空间站,经过数年由多个模块在轨道上组装而成。

“现在,这个问题就更加微妙了,”科伊尔说:“微生物群系科学已经取得了长足进展。”科学家希望研究发现宇航员身体上的有益微生物在太空中会发生那些变化,这些有益微生物包括了帮助消化的肠胃细菌,这些细菌会与太空微生物群系发生怎样的相互作用。

“很多正在进行中的重大科学项目,正在研究着很多重大问题,”科伊尔说:“我们的这次研究,仅仅是一个初步的数据分析研究。”

空间站在运行中,具有密闭、控温控湿等特点,在给宇航员提供适宜生活环境的同时,也给微生物的生长繁殖提供了条件。微生物通过地面组装、宇航员携带等途径进入空间站内部,在站内的空气、材料表面和冷却水系统等处大量繁殖。太空中的微重力环境、宇宙射线等会对微生物的生理活动造成影响,影响微生物的繁殖能力和代谢能力。微生物对材料的腐蚀作用通常是通过其代谢产物和生物膜进行的,在失重环境下,微生物的繁殖、代谢能力,以及生物膜与材料表面的交互作用会增强。因此,在航天器实际运行当中,微生物对材料的腐蚀倾向较地面环境更为严重。因此从空间站运行初期开始,就应该对舱内材料表面的微生物进行监测,同时开展相关的微生物腐蚀研究。目前,对于微生物腐蚀问题,已经开展了一系列的研究,但是空间站环境下的微生物腐蚀试验,则相对较少。因此,开展空间站环境下微生物材料腐蚀行为的研究具有重要意义。

2 空间站微生物腐蚀危害

微生物会利用高分子材料作为碳源,在其表面生长繁殖,直接降解高分子材料。微生物生成的生物膜会在冷凝水系统内表面附着,破坏金属表面,危害金属材料的安全性能。微生物在航天器内的繁殖会造成循环水系统、绝缘橡胶、空调系统等的破坏。例如,霉菌的繁殖可能造成电路板等电子元器件的短路,引起电子设备的失效,细菌在冷凝水系统中繁殖,产生的有机酸会腐蚀材料,造成泄露。图1为国际空间站上拍摄到的,微生物在多种材料表面的繁殖情况,图2为国际空间站内某设备内部霉菌腐蚀情况。

国际上,俄罗斯、美国、德国和日本等国已经先后开展了一系列航天器及空间站内微生物多样性的研究,研究对象包括Apollo( “阿波罗”号飞船) 、Skylab( “天空实验”号空间站) 、Space Shuttle( 航天飞机) 、Mir( “和平”号空间站) 和ISS( 国际空间站) 等。Novikova 等对和平号空间站和国际空间站的微生物多样性进行了长达10 ~15 年的追踪研究,结果表明,在空间站内,材料表面附着的真菌主要以青霉属Penicillium、曲霉属Aspergillus 和枝孢霉属Cladosporium 为主,三者在地球环境中均广泛分布,且对材料有腐蚀倾向。细菌主要以葡萄球菌属Staphylococcus、棒状杆菌属Corynbacterium、芽孢杆菌属Bacillus 和微球菌属Micrococcus 为主,主要来源于人体和地表大气。相关优势菌种信息见表1。

Ott 等对Mir 的冷凝水进行微生物分析研究,结果显示,真菌中,枝孢霉属、镰刀菌属Fusarium 和青霉属占主要优势,三者在地表环境均占优势,同时,三者有潜在的材料腐蚀作用。而细菌则以芽孢杆属Bacillus 和微球菌属为主。相关菌种信息见表2。Castro 等对初期运行的ISS 进行微生物检测发现,不同位置获取的水样,菌种分布有所不同,并能检测到鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas和甲基杆菌属Methylobacterium。水循环系统中的菌种分布,可能与其所处的位置有关。航天器内的细菌主要来自于地表和人体环境,优势菌种与地表和人体环境占优势的菌种有相关性。

3 航天材料微生物腐蚀机理研究进展

空间站内常用的航天材料包括不锈钢、铝合金、镁合金、钛及多种高分子材料。微生物腐蚀研究中,主要采用传统培养法获取目标分离源的菌种用于后续腐蚀试验。

3.1 霉菌对材料的腐蚀作用

霉菌对金属材料腐蚀作用的研究,主要以曲霉属和枝孢霉属为主,其中以曲霉属中的黑曲霉Aspergillus niger居多,枝孢霉属次之。Umesh 等对黑曲霉的代谢产物研究发现,温度、摇床转速等因素会影响柠檬酸的分泌量,培养过黑曲霉的离心培养基上清液对Sn,Al 等金属有腐蚀作用,且柠檬酸是起腐蚀作用的主要成分。Qing等研究了镁合金在含有黑曲霉的人造海水中的腐蚀行为,结果表明镁合金在含有黑曲霉的人造海水中,自身的腐蚀电流密度增大、腐蚀速率加快,黑曲霉起到了加速金属腐蚀的作用。Dai 等研究表明,黑曲霉的存在会大大加速铝合金在大气环境中的腐蚀速率,当材料表面薄液膜内含有Cl-时,腐蚀速率更快。

霉菌对材料的腐蚀作用机理可分为3 大类: ①霉菌的直接腐蚀,霉菌利用材料作为碳源进行生理活动,直接导致材料发生降解,主要发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霉菌的代谢产物腐蚀作用,霉菌在材料表面的代谢活动会中会产生一系列有机酸,如柠檬酸、乙二酸、草酸和乳酸等,有机酸可以直接作用于金属材料表面使得金属材料被腐蚀; ③霉菌的附着会改变材料表面的局部环境条件,如改变局部含氧量造成氧浓差腐蚀,或改变局部pH值等。

3.2 细菌对材料的腐蚀作用

对于细菌的研究主要以硫酸盐还原菌( Sulfate-Reducing Bacteria,SRB) 、硝酸盐还原菌( Nitrate-ReducingBacteria,NRB ) 铁氧化细菌( Iron-Oxidizing Bacteria,IOB) 、锰氧化细菌( Manganese-Oxidizing Bacteria,MOR)产酸细菌( Acid-Producing Bacter,APB) 等为主。芽孢杆属是人类生活中分布最为广泛的细菌之一,广泛分布与自然界中,Mcnamara 等证实,部分芽孢杆菌在一定条件下,可以加速铝合金的腐蚀。Deen 等证实,巨大芽孢杆菌Bacillus Megaterium 可以加速Al-Cu 合金点蚀,降低其力学性能。在国际空间站俄罗斯段( Russian-ISS) ,曾出现过红球菌属Rhodococcus spp.,该属主要分布于土壤中,对高分子材料具有腐蚀作用。

通常,生物膜的形成会加速材料的局部腐蚀。当细菌在材料表面繁殖时,可以在材料表面形成一层生物膜。生物膜是影响金属材料微生物腐蚀的主要因素,其主要成分为含水量95%以上的凝胶相,同时含有细胞外聚合物( Extracellular Polymeric Substances,EPS ) 和悬浮颗粒等。

4 空间站及模拟环境微生物腐蚀试验研究进展

4. 1 空间站内环境微生物腐蚀研究现状

目前,对于空间站内微生物腐蚀的研究,主要以地面实验室条件下开展的相关试验为主。可以从混合菌种和单一菌种对材料的腐蚀作用这两方面进行研究。

Alekhova 等进行过一系列地面模拟环境腐蚀试验,其试验方法是将在空间站内分离得到的霉菌孢子喷洒在被试验材料的表面,在地面实验室环境中,进行材料微观形貌的表征或腐蚀试验。结果表明,从ISS 俄罗斯舱段表面筛得的多种霉菌混合在一起时,会对铝镁合金和高分子材料产生腐蚀作用,随着与霉菌接触时间的延长,材料腐蚀加重。同时进行了单一菌种的腐蚀试验,结果发现不同单一菌种造成的腐蚀程度有所不同。其中,黑曲霉、黄曲霉Aspergillus flavous 和蜡叶芽枝霉Cladsporium herbarum 对材料的腐蚀作用最强,细菌中最强的是微球菌属。而聚多曲霉Aspergillus sydowii 和红球菌属对金属的腐蚀作用最弱。

Reidt 等对4 种常用航天材料在ISS 俄罗斯舱段内135 天的搭载暴露实验表明,高分子材料表面附着的微生物最多,其次为铝合金和印制电路板( Printed CircuitBoard,PCB) 。微生物附着量通常与材料种类和表面状态有关,高分子材料可以提供碳源且粗糙度较大,因此附着的微生物最多,铝合金和PCB 表面粗糙度相对较低,因此附着的菌种较少,同时,阳极化处理会使材料耐微生物腐蚀作用增强。

不同种类、表面状态的材料对微生物腐蚀的耐蚀能力有所不同,而不同菌株对材料的腐蚀作用也有所不同。

通常认为,提高耐微生物腐蚀材料的使用比例、降低材料表面粗糙度,可以整体增强航天器耐微生物腐蚀的能力。

4.2 地面模拟环境下腐蚀试验方法

人们在获得特定菌种后,需要研究在一定温度、湿度和养分的情况下,微生物的腐蚀行为。用模拟环境的方法,可以在先期开展材料耐腐蚀性的研究及评价,为空间站及相关航天器的长期运行提供技术支持。对于常用的微生物腐蚀试验。基本方法分为3 大类: 上清液腐蚀法,液体培养基法和固体培养基法。

(1) 上清液腐蚀法: 将微生物在液体培养基中进行培养,一段时间后,将悬浊液过滤,留下不含菌种的上清液,在特定条件下与金属材料进行腐蚀反应。该方法主要着眼于微生物代谢产物对金属材料的腐蚀作用。优点是可以快速地分析微生物活动对材料的影响,无菌操作要求比较低。但其缺点是不能直接用于研究菌体与材料表面的交互作用。

(2) 液体培养基法: 该方法是微生物腐蚀领域中使用最广泛的研究方法,可以研究液体环境中微生物对材料的腐蚀行为。采用含有微生物的菌悬液作为接种液,将其接种于模拟液中,设置温度、湿度和溶氧度等条件,培养4~15 d 左右。该方法可以在模拟溶液环境中进行微生物对材料腐蚀行为的研究。但该方法的主要缺点是操作较繁琐,对于无菌操作要求较高。

(3) 固体培养基法: 将材料放置于固体培养基中,喷洒霉菌孢子悬液,并放置于合适的培养条件下。该方法可以最大程度地模拟大气环境下微生物对材料的腐蚀行为。该方法可以应用于霉菌对材料腐蚀行为的研究,试验操作简单。但其缺点是孢子悬液喷洒可能不均匀,试验随机性较大。

4.3 微生物控制方法

在空间站设计时,在兼顾整体设计之上选用相应的抗霉菌材料以减少霉菌的生长速度。在地面组装、准备发射阶段应控制相应场地、人员和设备的微生物含量,以减少空间站初始运行阶段的微生物携带量。在运行过程中,应对空气进行净化,定期用消毒剂清洁舱内材料表面,对循环水系统进行消毒等。但由于空间站处于相对密闭的条件,灭菌手段又必须对宇航员身体无害,因此,在实际运行中对微生物防护手段提出了比较高的要求。

4.4 微生物腐蚀试验特点

微生物腐蚀与传统材料的腐蚀研究相比,对实验人员的要求有以下几点:

(1)微生物试验自身波动性大,需要实验人员了解微生物筛选、纯化、培养、保藏等操作,并依据微生物试验的思路和特点设计合理的实验方案;(2)对操作者本身的无菌理论和技术提出了较高的要求;(3)对电化学技术和材料表征手段都提出了更高的要求;(4)细菌与霉菌因其生理结构不同,在无菌操作、实验方法上有所不同,需要实验人员在实际操作中加以区分。

针对航天器的微生物腐蚀问题,美国国家航空航天局和俄罗斯航空局等对国际空间站和“和平号”空间站航天器的微生物多样性进行了20 余年的研究,涵盖地面组装到初期运行,再到长期运行,建立了较为完善的微生物多样性检测手段,并对微生物腐蚀的机理进行了初步的探究,提出了空间站运行的微生物控制指标。目前,我国在航空航天领域取得了突飞猛进的发展,但是对于航天站环境下微生物腐蚀检测技术及机理研究,还处在开始的阶段。从航天站的运行到长期维护的角度来看,有必要在微生物腐蚀领域开展相关研究,填补国内相关领域的空白。

随着我国载人航天工程发展战略的逐步实施,未来将面临长期载人飞行中的微生物安全问题。国外经验表明,空间载人环境非常有利于微生物的生存。登上过“和平”号空间站的太空人都曾在控制器后、空气调节器及空间站的各个角落发现许多变种真菌。这些真菌在太空环境下变得极具破坏力,能释放酸性腐蚀性物质,甚至会在空气中释放毒素。在长期载人飞行任务中,如果不对这些微生物加以控制,将会对航天员的生命健康和航天器的长期安全运行造成以下风险。

首先,微生物的滋生会产生毒素,污染舱内空气、水源和食物,致病微生物会导致航天员生病或造成感染。在长期飞行条件下,航天员免疫功能会受到一定程度的抑制,某些致病微生物的感染毒性可能会增强。美国研究表明,鼠伤寒沙门氏菌在搭载航天飞机飞行12 天后,对小鼠的毒性几乎增为地面对照菌的3 倍。绿脓杆菌,一种能够引起伤口感染的常见细菌,在太空培养环境下可以形成一种具有独特结构的生物膜,其拥有的活细胞数、生物量和厚度都明显高于地面对照,这种改变可能会对病原菌的致病能力和耐药性产生重要影响。

其次,微生物能够腐蚀破坏空间材料,形成生物膜堵塞管道,导致技术设备故障。“和平”号空间站在长达15 年的运行期间曾发生多次由微生物导致的设备故障。例如,其第3 批航天员曾发现一扇舷窗因为霉菌的生长造成能见度降低,光学性能下降。第5 批航天员进驻期间氧气电解装置因真菌的繁殖而出现堵塞。第14、15 批宇航员在轨期间其温控系统曾发生故障,经调查发现是被真菌繁殖形成的胶状物质堵塞了管道。第24批宇航员进驻期间曾发生由于真菌腐蚀造成的电子通讯设备故障。在国际空间站的运行期间,也曾多次报道发生微生物腐蚀事件。如,在2001年,俄罗斯舱的一个烟感器故障,返回地面后调查发现是由真菌对电子部件的降解引起的。俄罗斯在“和平”号空间站上的实践表明,真菌和细菌经空间飞行后,其对材料的腐蚀破坏能力会显着增强。

此外,在太空孤立环境下发生变异的微生物变种,如果被活着带返地球,可能会对人类和地球生态构成威胁。在“和平”号空间站坠毁之时,其携带的各种变异真菌是否会逃脱被销毁的命运,而进入地球的生物圈,曾引起科学界的广泛关注。

因此,为保障长期载人飞行人员健康和系统的运行安全,需要对空间微生物及其风险进行控制。俄美等国在“和平”号空间站和国际空间站的建造及运营过程中非常重视微生物控制工作,并针对空间微生物的监测、控制、防护等技术开展了大量研究,已经积累了大量的技术和经验。我国载人航天事业开展较晚,在前期神舟系列飞船任务中,由于飞行时间短,微生物控制的重要性未得到体现,导致我国空间微生物控制技术水平相对薄弱。随着我国空间站工程的启动实施,在2020 年前后,我国将建成和运营空间站,并将独立开展长期有人参与的空间科学实验。

空间微生物控制已成为我国空间站工程面临的一个重大挑战,开展空间微生物控制技术研究是我国载人航天工程发展的重大需求。

2 空间微生物控制

空间微生物控制是指通过在航天器设计、建造和飞行过程中采取一系列的微生物监测、控制、防护措施,控制空间飞行环境中的微生物水平,防范微生物可能对航天员或飞行系统造成的潜在风险。( 对于一些需要返回地球或着陆外星球的航天器,其携带的微生物可能会对地球或外星球的生态或环境造成潜在威胁,因属于“行星保护”考虑范畴,不在本文讨论之列。)

2.1 空间微生物来源和特点

航天员的活动,以及航天器组成和地面建造发射过程的复杂性,造成空间微生物的来源途径多样,控制难度大。空间微生物最主要来源是航天员的自体微生物,在航天员体表和体内通常生活着大量微生物,它们是人体微生态平衡系统的重要组成,在正常情况下,有益于人体健康。航天员在轨期间,这些微生物会通过呼吸或其他途径源源不断地传播到舱内环境。其次,航天器的结构组件、设备载荷,携带的货物、食品和水等,以及地面总装测试、发射准备过程都可能引入微生物污染。许多环境微生物的生命力非常顽强,特别是一些细菌的芽孢和真菌的孢子,一般的消毒灭菌措施很难完全消除,这些逃脱并进入太空舱的微生物或孢子,遇到适宜的条件,就会继续生长繁殖,并扩散到舱内各个角落。

舱内的微生物种类复杂,且一直处于动态变化之中。俄罗斯生物医学研究中心曾先后从“和平”号空间站分离出234 种微生物,包含126 种真菌和108 种细菌。与地面相对一致的微生物生活环境不同,舱内的微生物通常生活在各种局部微环境中,如,控制面板背面、通信设备内部、空调管道系统、各种材料表面等。这些局部微环境中生存条件差异很大,且经常发生变化,如温度、湿度波动,冷凝水形成,材料老化和有机物累积等。造成适宜生活微生物种群的多样性,及种类、数量的经常性变化。在舱内密闭环境下,这些生活在不同生境中的微生物群落,一方面发生自身演变,群落内不同种群相互依存、相互竞争,优势种群不断演替; 另一方面,不同的微生物群落之间通过空气以及其他传播途径进行种群交流,最终演化形成一种独立的空间微生物生态系统。这种微生物生态系统也是动态变化的,当发生环境变化或外源种群进入时,原有生态平衡即被打破,并向新的平衡演变。此外,微生物处于太空辐射、微重力等环境下,还可能会发生菌群性状和生理遗传等方面变化,如,生物膜的形态结构,微生物的生长速度、适应性和抗性,真菌的腐蚀性和破坏性,病原菌的致病性和毒性等。这些变化会导致空间微生物风险和控制难度的增大。

2.2 空间微生物控制任务分析

空间微生物的以上特点,决定了空间微生物控制的复杂性。按航天工程的不同阶段微生物控制任务可划分为: ①航天器设计阶段。在舱内环境设计、材料选择等过程中,需要尽量减少有利于微生物生长的环境或表面,避免使用易受微生物腐蚀破坏的工程材料,对可能发生的微生物风险采取预先防护或对抗措施。②地面建造阶段。在航天器的总装测试、发射准备过程中,需要采取消毒灭菌、洁净组装、微生物监测等一系列措施,严格控制航天器和设备载荷等携带的微生物污染。③在轨飞行阶段。需要定期监测飞行中舱内环境的微生物污染及变化,并通过清洁消毒等操作降低微生物水平,以及在发现微生物风险后采取应对措施。

由于不同航天任务的微生物危害性不同,微生物控制任务要求也不尽相同。①人造卫星、月球或行星探测器等无人航天器。由于内部无大气存在,微生物不能生长,不会对航天器造成危害,无需进行飞行微生物风险防护。但是,如果航天器需返回地球或着陆外星球,需考虑“行星保护”相关要求。②神舟飞船等短期载人航天器。由于在轨时间短,微生物对材料设备的危害较小,主要风险是病原微生物对航天员的感染。所以,微生物控制重点为地面阶段的消毒灭菌和病原微生物的检验检疫,以及在轨微生物采样监测。③空间站等长期载人航天器。由于在轨时间长,微生物的滋生不仅威胁航天员的生命健康,还会对舱内材料设备造成潜在危害。所以,不仅需要在航天器地面阶段严格控制微生物污染的引入,在轨阶段对舱内微生物水平进行长期监测和控制,还需要在航天器的设计阶段对潜在的微生物风险采取预先防护措施。④与空间站对接的载人或货运飞船。主要防范对接过程中将外源微生物引入空间站舱内。所以,其地面阶段应执行与空间站类似的微生物控制标准,并在发射前进行采样检测。

3 国外空间微生物控制发展现状

3.1 国际空间站发射前和在轨运营微生物控制要求

国际空间站是一个长期在轨飞行的近地载人航天器,在国际空间站医学操作要求文件( ISSMORD) 中,包含了对空间站发射前和在轨运营期间微生物控制的相关要求。

国际空间站各舱段在发射前,需依据ISSMORD“国际空间站飞行前微生物控制和监测要求”对舱内的表面、空气和水进行微生物采样检测,分析细菌、真菌的数量和种类。与空间站对接的航天飞机、“联盟号”飞船和“进步号”货运飞船在发射前也需要进行微生物检测。如果发现细菌或真菌水平超标,需采取适当措施进行处理,将其降低到允许范围之内。

国际空间站在轨运营期间,需按照ISSMORD“国际空间站在轨飞行微生物控制和监测要求”对舱内表面和空气进行定期微生物采样,并对舱内表面材料和金属部件受微生物腐蚀破坏的情况进行评估。

需要同时采用两种手段对微生物样品进行分析:

1) 在轨微生物计数,分析细菌和真菌的数量与动态变化;

2) 返回地面分析,将飞行期间和人员返回前采集的样品带回地面,在实验室中对样品中的微生物进行分离鉴定,分析微生物的种类和性状变化。

如果发现舱内空气或表面微生物水平超标,可通过向地面传送视频或照片,由美国NASA/JSC 和俄罗斯RSA/IBMP 的微生物专家对微生物风险进行评估,并将结果通知参与飞行任务的医生; 同时,尝试鉴定污染源,并协调相关人员采取适当的控制措施。对于表面微生物污染,可根据情况采用清洁或消毒拭巾进行擦拭。

3.2 国外空间微生物控制技术介绍

3.2.1 航天器设计微生物防护技术

在航天器设计中,常用的微生物防护措施有:在舱内空气循环系统中加入HEPA( 高效空气粒子过滤) 装置,用以去除空气中的微生物和颗粒物; 调整舱内环境设计,控制空气相对湿度及均匀度,防止湿气在某些部位积累并形成冷凝水。“和平”号空间站和国际空间站还装备了等离子发生装置,用于净化空气和杀灭微生物。美国NASA 还十分重视航天工程材料的抗菌防霉性能筛选和抗菌涂料研究,在上世纪70 年代曾委托哥伦布实验室开展抗菌材料和涂料的实验研究。

3.2.2 航天器硬件消毒灭菌技术

航天器零部件在出厂前,需要进行清洗消毒,NASA 常用的方法有: 70% 异丙醇或超纯水擦拭法、多重有机溶剂清洗法等。航天器部组件在组装完成后,还需要进行灭菌处理。干热灭菌为NASA 早期“行星保护”计划的主要灭菌方法,但是,长时间热处理会引起某些材料的降解,影响材料设备的性能或可靠性,仅适用于航天器一些耐热金属零部件的灭菌。航天飞机等现代航天器,含有大量有机合成材料和电子元器件等热敏感部件,干热灭菌法很难完全适用。所以,NASA 一直在积极需找可以替代的常温灭菌技术,已报道的有: 环氧乙烷( ETO) 、低温甲醛蒸汽、过氧化氢蒸汽( VHP) 、低温等离子体等气体灭菌技术。其中,VHP 是最新经过NASA认可的常温灭菌技术,NASA 喷气推进实验室( JPL) 已完成了VHP 与系列航天材料的兼容性试验,并对过氧化氢浓度、灭菌时间、温度等各项灭菌参数进行了系统优化研究。现代VHP灭菌技术由于灭菌温度低、无害无残留、对大部分航天材料有很好的兼容性,非常适合载人航天器表面及组件设备的灭菌处理。

3.2.3 航天器洁净组装技术

经过消毒灭菌的航天器零部件需要在洁净环境中进行总装测试和发射准备,以避免微生物二次污染。在国际空间站的地面组装过程中,装配车间对微生物控制的要求远高于外科手术间的要求,以避免人员或环境对航天器硬件的污染。目前,国外航天器装配车间通常采用层流系统控制空气微生物水平,并制定例行的清洁消毒、微生物监测和人员操作规程。例如,在JPL 的灭菌组装与研发实验室( SADL) ,进入人员必须经过鞋子清洁处理和风淋除菌后,才能进入实验室前厅( 更衣室) ,然后穿上实验室提供的全套无菌操作装备,包括鞋子、袜子、外罩、帽子、手套等才能进入实验室进行操作。实验室同时配有专业的微生物控制人员,包括: 微生物工程师、微生物技师、质控工程师等,定期进行清洁消毒和检测防护,以保证实验室的洁净度。

3.2.4 航天器装配及发射前微生物监测技术

NASA 制定了一系列的标准方法和程序,用于对航天器装配环境和硬件设备的微生物监测。对装配车间的空气沉降微生物水平,一般采用灭菌不锈钢片或灭菌特氟龙条带法进行监测。其中,灭菌不锈钢片法是将一系列灭菌不锈钢片放置于待检测区,每隔一段时间,回收部分钢片,检测上面的微生物水平。这种检测方法已证明比传统的容积式空气取样器更灵敏可靠。灭菌特氟龙条带法与灭菌不锈钢片法操作类似,区别在于用特氟龙条带替代了不锈钢片。对地板和工作台面等坚硬平整表面,采用RODAC 接触平板印压法进行采样,对航天器硬件或其他表面使用无菌棉签或无菌布擦拭法进行采样。对装配车间空气微生物样品,采用狭缝撞击法进行采样,对一些狭小空间,如飞船指挥舱内及周围区域的空气微生物样品,则采用过滤膜取样器进行采集。在样品分析方面,琼脂平板培养法仍然是最常用的微生物检测方法,其他的方法还有ATP 荧光检测法、内毒素水平检测法( LAL) 、PCR 检测法等。

航天器在发射前,还需对其携带的微生物水平进行监测。在航天飞机项目( SSP) 中,要求分别在航天飞机到达发射场( 通常为发射前15-25天) 和发射前2 天对驾驶舱、中舱和空间实验室的空气和表面进行采样。空气微生物采样使用一种带电池的小型便携式采样器,表面采样需与空气采样同时进行。除了检测细菌和真菌的水平之外,还需对微生物的种类进行分析。在早期航天飞机项目中,还要求在航天飞机着陆后立即在同样部位进行采样,但在后来的项目中,着陆后和发射2 天前采样都被取消了。

3.2.5 在轨微生物监测技术

在载人航天发展的早期阶段,人们即已认识到飞行中微生物监测对保证航天员健康的重要性。自人类首次载人航天飞行起( 尤里·加加林,1961) ,美苏就开始采用传统的培养方法对飞行舱内的微生物进行监测。在美国航天飞机项目中,宇航员常用一种小型便携离心式采样器对舱内空气进行采样,空气中的微生物被撞击到琼脂平板上,细菌和真菌分别采用不同的培养平板。

10 年间14 次任务的监测结果表明: 飞行中,空气中的细菌水平通常随飞行时间的延长趋于增加,并经常会超过1000 CFU/m3,真菌水平一般会很低,并在飞行中呈降低趋势,可能受低湿、缺乏自由态水等因素影响。空气中的常见细菌为金黄葡萄球菌、微球菌、芽孢杆菌和肠杆菌,主要为人和环境相关的典型菌群; 常见的优势真菌为曲霉、青霉和丝孢菌。“和平”号空间站运营近15年,为研究长期载人飞行环境下微生物组成、种群选择和适应的动态变化提供了绝佳的机会。1995—1998 年间,作为美俄国际空间站合作计划的一部分,美国共有7 名宇航员登上“和平”号空间站。

美俄合作开展了从75 天到209 天在轨飞行发射前、在轨和返回后的微生物采样分析工作,采样对象包括机组人员、“和平”号空间站和航天飞机环境等。其中,空气微生物采样用的是Burkard 撞击式采样器,“和平”号空间站内四个取样点空气细菌平均水平为200 ~ 425 CFU/m3 ( 俄罗斯限值为500 CFU/m3 ) ,空气真菌平均水平为175 ~ 325CFU/m3 ( 俄罗斯限值为100 CFU/m3 ) 。空气中常见细菌为金色葡萄球菌、芽孢杆菌和棒状杆菌,常见真菌为青霉、曲霉和枝孢霉。“和平”号空间站表面微生物采样用的是拭子和接触培养板,平均细菌水平不高于2700 CFU/100cm2,平均真菌水平不高于500 CFU/100cm2。表面常见细菌为金色葡萄球菌、芽孢杆菌和微球菌,常见真菌为青霉、念珠菌和曲霉。目前在国际空间站,每90天,宇航员就要用一种在轨工具包对各舱段的空气、水和表面进行采样,工具包中含有多种基于培养的采样分析工具,包括表面采样工具( SSK) ,空气微生物采样器( MAS) ,水样收集工具( WSCK)等。样品分析主要有两种方式: ①在轨培养,通过观察进行菌落计数; ②样品返回地面,在实验室中进行更复杂的分析。

国外前期经验表明,基于传统培养方法的在轨微生物检测技术简单实用、稳定可靠,可以为分析空间环境微生物的种类和分布提供重要数据。但是,由于这些方法主要基于微生物在培养基上的生长能力,所以存在一些不足: ①超过95% 的微生物种类不能在传统的培养基上生长,不能被培养法检测; ②分析时间长,在轨培养分析需3—5 天,返回地面分析则要长达几个月; ③培养板内容易结雾,不利于菌落观察统计; ④培养可能会导致有害微生物的生长,用完必需进行安全处理,以防造成污染。

因此,近年来欧美等国一直在积极改进或研究免培养基的在轨微生物检测技术。在“和平”号空间站的EuroMir95 项目中,意大利航天局开展的“MIRIAM-T2”空间站微生物监测实验的主要目的之一,就是验证两种简单快速的在轨微生物检测技术。①荧光分析仪,是一种半自动、实时的分析技术,利用一种“生物荧光”反应测定样品中的ATP( 三磷酸腺苷,细胞反应的主要能源分子) 水平,来评价微生物生物量。②“微培养”技术,这种技术基于传统的菌落培养方法,用浸有营养液的灭菌纸片代替琼脂培养基。先用一种滤膜采集微生物样品,然后放在营养纸片上,再用无菌的透明样品袋密封后直接在轨培养。优点为: 方便在轨操作,培养菌落半径小,易于计数,污染风险低。在国际空间站,目前正在使用一种手持式微生物检测设备“LOCAD-PTS”,它是从用于制药和卫生行业的一种便携式内毒素检测系统( Endosafe-PTS) 发展而来,NASA 的Marshall 空间飞行中心联合相关研究机构将其改进以适应空间环境使用。检测器自身重2. 2 磅,集成了分光光度计、加热器、微泵等功能,可以与多种可互换的测试卡配合使用,用于检测多种微生物分子。目前在国际空间站上有三种不同的LOCAD-PTS 测试卡,分别用于检测内毒素、葡聚糖和脂磷壁酸,相对应于革兰氏阴性细菌、真菌和革兰氏阳性细菌的水平。“LOCAD-PTS”系统还附加有与之相配合的表面采样、样品处理工具。宇航员可以利用这些工具进行表面采样和样品处理,然后在轨利用LOCAD-PTS 对其定量分析,整个过程15 分钟内即可完成。LOCAD-PTS 于2006 年12 月由“发现号”航天飞机送往国际空间站,并于2007年3 月开始第一次使用,之后,被广泛地用于空间站内微生物污染的监测。

3.2.6 在轨微生物控制和防护措施

在轨微生物控制措施主要分为两大类: ①主动控制,主要包括使用空气过滤装置去除空气浮游微生物,使用吸尘器和浸有去污剂或消毒液的擦布清洁舱内表面等。“和平”号空间站在轨运行期间,每周会安排一天进行大扫除( 通常为周日) ,所有人员必须参与。在国际空间站美国舱段,每周会安排4 个小时进行清洁,使用一种便携式吸尘器,6 种消毒湿巾( 消耗型,每次任务补充) ,以及去污剂和擦布等,对舱内环境进行清洁消毒。但是,并非舱内的所有部位或表面都可以用擦布进行清洁消毒,如一些死角或设备内部。这些部位必需在设计建造时采取一些防护措施。②被动控制,主要通过优化舱内环境设计、选择抗菌防霉材料、对舱内表面进行处理等措施,抑制微生物生长,防范微生物可能导致的风险。

3.2.7 水微生物控制技术

航天器饮用水微生物污染会严重威胁航天员健康,并诱导对硬件的生物腐蚀。微生物可以在饮用水储箱或输送管道内形成生物膜,这些附着的微生物菌落可以提高致病菌的持留性和微生物对消毒剂的抗性。因此,需要采用适当的消毒措施对其进行控制。美国航天飞机饮用水主要通过添加碘离子进行消毒。航天飞机飞行前,水箱中饮用水来自于城市用水,先使用0. 1 μm 滤膜滤除微生物污染,然后添加2 ~ 3 ppm( 终浓度)的碘离子作为消毒剂。航天飞机空间飞行阶段,饮用水主要由燃料电池提供,并添加2—3 ppm 的碘离子进行消毒。俄罗斯“和平”号空间站饮用水采用银离子作为消毒剂,其饮用水主要来自于经水处理系统净化的空气冷凝水,也有部分来自于地面,需要在地面运送之前或在轨添加银离子( 0. 5 mg /L) 进行消毒。国际空间站饮用水有多种来源,包括: 地面运送的饮用水,航天飞机飞行阶段燃料电池产生的水,以及空间站在轨回收再生的饮用水( 主要来自于空气冷凝水、尿液的蒸馏水等) 。国际空间站饮用水主要通过在地面运送之前或在轨添加0. 5 mg /L 银离子进行消毒,航天飞机飞行阶段燃料电池产生的水,则先添加碘离子( 2 ~ 5 mg /L) 进行消毒,在输送至空间站饮用水系统之前,去除碘离子,再添加银离子代替。航天飞机在飞行前和返回后,需对饮用水的细菌总数和大肠杆菌数进行检测,细菌总数限量为50 CFU/100mL,大肠杆菌为低于1 CFU/100mL。国际空间站需定期对不同来源的饮用水质量进行检测,利用美国提供的水微生物分析试剂盒,在轨对水的异养微生物进行定量,美国舱段饮用水还需额外检测大肠杆菌数量。国际空间站还要定期对水微生物样品进行存档,供返回地面后分析。

由于碘离子作为消毒剂与国际空间站的银离子消毒系统不兼容,所以,航天飞机燃料电池产生的水在输送至国际空间站之前,需要通过离子交换去除碘离子。此外,碘离子会使饮用水产生一种不好的味道,并可在甲状腺中积累,导致有机化合物卤化形成细胞毒性物质,对长期飞行的航天员健康造成风险。因此,NASA 已决定以氟化银替代碘离子作为下一代航天器饮用水系统的消毒剂。但是,氟化银会在溶液或湿润金属表面发生离子相互作用,银离子会快速从溶液中析出,并逐渐失去抗菌作用。由于当前国际空间站使用的饮用水消毒剂( 银离子、碘离子) 存在的缺点,如: 对人的毒性限量低,杀菌持效时间短,需要再补充,具有不好的味道等。NASA 正在研究新一代的饮用水系统抗菌技术,如: 使用具有杀菌作用的UV-C 发光二极管作为点端消毒装置; 联合使用UV-A 发光二极管与光催化材料( TiO2等) 对饮用水系统进行消毒; 采用多种抗菌或具有表面拓扑结构的材料,杀死水中微生物,阻止生物膜的形成; 保持银离子的溶解性,延长其杀菌持效时间等。

4 对我国空间微生物控制技术发展的建议

空间微生物控制技术是长期载人航天的关键技术之一,是保障航天器长期安全运行和航天员生命健康的重大需求。美俄等航天大国在航天技术发展的早期( 上世纪50 - 60 年代) 即已开始重视航天活动相关的微生物控制工作。经过长期实践,已经积累了大量的技术与经验,并建立了较完善的空间微生物控制技术体系。我国由于载人航天事业发展较晚,相关研究和技术试验开展较少,技术基础薄弱,目前尚未建立空间微生物控制的基本技术体系。为促进我国空间微生物控制技术的快速发展,尽快满足我国载人航天工程的微生物控制需求,我国应立即开展空间微生物控制技术体系建设和相关技术研究。

4.1 空间微生物控制技术体系

建设空间微生物控制是一项非常复杂的系统工程,贯穿于载人航天器设计、建造和运营的整个过程,涉及微生物监测、控制、防护等多种技术手段,任何一个环节上的纰漏,都可能导致严重的安全问题。只有建立系统全面的微生物控制技术体系,才能有效保障载人航天工程安全。美国NASA 虽未明确提出统一的微生物控制技术体系,但在航天器设计、建造和运营的相关技术文件中包含了对微生物的控制要求或技术标准(表3),并针对微生物的监测、控制和防护建立了标准化的技术流程或规范,实际上形成了比较完备的空间微生物控制技术体系。我国在航天器设计、建造和运营过程中涉及微生物控制内容较少。为了快速建立系统有效的技术体系,以满足当前载人航天工程对微生物控制的迫切需求,需要进行系统性设计、统一规划。根据对载人航天工程微生物控制任务的分析,空间微生物控制技术体系的基本构成如图1 所示。除了应围绕航天工程各阶段的各项微生物控制任务,建立标准化的技术流程和控制标准,还需要建立一个统一的空间微生物风险管理系统,对航天工程中发现或潜在的微生物风险问题进行分析、鉴定和评价,并提出相应控制方案,同时为空间微生物控制技术规范和标准的制定或修改提供依据。

4.2 空间微生物控制技术研究

空间微生物控制涉及多种不同的专业技术,如抗菌防霉、消毒灭菌、洁净组装、微生物监测、微生物分析鉴定等,这些技术或产品在载人航天工程中应用,还必需考虑载人航天工程环境及约束条件。空间微生物控制涉及的各项技术或产品,在技术复杂度、应用成熟度,及工程需求的迫切程度等方面存在显着差异。所以需要优先发展那些技术较为简单、成熟度高、开发周期短,航天工程迫切需要的技术或产品,满足近期工程需求。这类技术包括: 航天材料抗菌防霉性能评价技术、地面微生物采样监测技术、航天器硬件的消毒灭菌技术等。同时,还要逐步研究和开发一些具有一定前瞻性、先进性,难度较高、研发周期较长的关键技术或产品,以满足载人航天工程未来发展的更高需求。目前国外研究较多的有: 在轨微生物快速检测技术、在轨消毒灭菌技术、航天材料抗菌防霉技术等。

5 结束语

空间微生物控制技术是我国载人航天工程未来发展所必需具备的关键技术之一,开展空间微生物控制技术研究和体系建设对于保障我国空间站长期安全运行,及未来载人登月、载人火星等航天任务的微生物安全有重要意义。此外,为空间微生物控制研发的一些新技术或产品也可在其他行业进行应用,如: 空气、水源、食品、药品等的微生物污染检测,医疗卫生和公共场所的病原菌监测和消毒灭菌,环境设施、家居用品的抗菌防霉等。

来源:今日头条、知网、网络资料等综合整理

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