来自空间微生物的危害

2020-07-07程钰涵钱航

知识就是力量 2020年5期

程钰涵钱航

空间环境是一种高度复合环境，具有真空、干旱、温度骤变、混合性空间辐射、微重力等特点，它能对进入其中的生物体诱发一系列生理生化反应。近年来，人们根据在地球上的极端环境中（盐湖、旱地、深海、极地、永久冻土等）发现的微生物，推测微生物也能在极端的空间环境中生存，并将微生物作为载人航天活动和空间生命探测的模式生物之一，用于开展空间生命科学研究，相关研究结果对于航天活动中的行星保护、生命起源探索、航天产业应用等具有十分重要的作用。

航天器的密闭环境也可能引起微生物的大量繁殖

科学家正在国际空间站舱内工作（图片来源 / NASA）

在航天器中安家的微生物

空间站或其他载人航天飞行器里面的气温一般维持在20℃左右，相对湿度在60%左右，同时由于空间站空间有限、密闭等特点，为了创造和维持航天员必需的合理空间环境，人类不可避免地为微生物提供了合适的栖息环境。长时间飞行的空间站，当密闭系统舱室内的温度、湿度达到微生物适宜生长的水平，就可能会引起舱室环境中各种微生物的大量繁殖。研究表明，航天器密闭环境中细菌和真菌的污染比地面明显加强。

在舱内环境，由于没有重力，空气无法形成地面上那样的热对流，灰尘也无法靠重力自然沉降，而各部分舱室中温度、湿度及二氧化碳含量又因为设备运转、人、植物和化学氧源的存在而有所不同。因此，为了使得舱室内各个部分空气的湿度、温度及二氧化碳含量等达到该舱室功能所需范围，舱室空调系统必须对各部分的空气进行调节或通风。尽管空间舱室具有良好的通风系统，但仍存在一些通风不良区域，比如舱室通风管道设计中未曾注意到的死角、狭缝（这同我们居家生活中柜子后面藏污纳垢的死角是一样的）。在这些通风不良区域，一些灰尘和杂物会逐渐累积，为微生物的生长繁殖提供营养和基质。历史飞行资料显示，微生物在这些通风不良的区域容易大量滋生。比如，在国际空间站的一个节点舱内，由于通风不畅，存在大量的灰尘和微生物气溶胶，并黏附在舱体内壁上。

小小生物危害大

空间站密闭环境中，微生物的大量繁殖将会对航天员的表现以及航天器材或居住環境的安全性产生副作用。

航天飞行时，航天员自身的免疫系统功能会下降，大量繁殖的微生物无疑对航天员的健康存在潜在的威胁。在太空微重力环境下，航天器中的微生物可以长时间悬浮在舱内空气中，导致空气质量下降。由于空间舱室中影响灰尘和杂物的只有流动空气，如果灰尘没被空气净化系统清除，就会随着其他设备产生的流动空气而扩散。舱室内空气中的细菌和真菌可能成为致敏原和感染源，在航天员吸入呼吸系统后引起过敏或感染反应。

已经影响太空的微生物

此外，设备内部由于通风不畅、不易发现等特点，也是发生微生物污染的重要部位。有报道证实，在国际空间站上曾发生因微生物在设备内部大量繁殖，破坏电路或电子部件造成通信设备和烟感器发生故障。研究表明，空间站上非金属高分子材料可以滋生革兰氏阴性杆菌和真菌。这些微生物从高分子聚合结构材料中吸取维持自身生长繁殖的营养物质，从而导致高分子材料发生降解。同时，这些微生物生长繁殖也会产生一些生物物质，这些生物物质可激起或诱导金属材料腐蚀，造成硬件故障。在俄罗斯和平号空间站服役的15年（1976—1999）中，微生物对空间站的管道、通信、电缆等仪器设备造成了严重危害。最新研究表明，国际空间站微生物对材料设备的腐蚀程度依旧严重。

大量微生物繁殖也会使空间站供应的饮用水、食品降级，大大增加了微生物侵入航天员消化系统的机会，有可能造成航天员的肠道外源性感染，或者使得航天员自身正常菌落失调，诱发内源性感染。

抗菌有方法

由于空间站环境密闭、空间狭小，难以采用地面常用的喷洒一次性有机消毒剂、紫外线杀菌等方式进行微生物防护。因此，采用无机抗菌材料对航天材料进行抗菌处理是一种无需额外提供电源且相对安全的处理方式。在无机抗菌材料中，金属离子如银离子、锌离子和铜离子等都具有抗菌活性，适时增加杀菌剂含量确保碘含量和银含量保持在一定浓度的水溶液中，就可以在不直接检测微生物数量的情况下确保微生物达到控制标准。

纳米材料可以在一定程度上克服现有饮用水消毒剂的缺点

革兰氏阴性杆菌

另一方面，当前国际空间站使用的饮用水消毒剂（银离子、碘离子）存在诸如对人的毒性限量低、杀菌持效时间短、需要再补充、味道不好等缺点，所以美国航天局正在研究新一代饮用水系统抗菌技术。而纳米材料可以在一定程度上克服上述缺点，科学家们对其抗菌性已经开展了相关研究。

延伸阅读

国际空间站曾在2017年利用微型基因扩增仪和纳米孔测序仪，完成了从微生物样品制备到基因测序的完整微生物鉴定流程。这项技术能够实时鉴定国际空间站上的微生物而无需将其带回地面进行鉴定，这将改变空间探索过程中的微生物学研究方法。在空间站中鉴定微生物的能力有助于实时诊断和治疗航天员的疾病，有助于鉴定其他行星上包含DNA的生命，同时有助于空间站上其他实验的开展。

微生物控制有讲究

实际上，航天员本身可能就是最大的微生物来源，因为在他们的身体内包含了很多微生物。在人类的皮肤、呼吸道、鼻腔和黏膜表面，到处存在大量的微生物。航天员从选拔开始就要做系统全面的微生物和免疫学调查;在飞行前，航天员要执行特殊的食物制度，严格控制与其他人员的接触，并要使用针对个人的卫生试剂;火箭发射前还要对航天器进行消毒;飞行中更是严格监控微生物浓度，并定期使用抗菌措施清理环境。

国际空间站内的生活场景（图片来源/NASA）

而在轨飞行期间微生物控制措施主要分为两大类：一是主动控制，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（通常為周日），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，航天员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就采取一些防护措施。第二种措施为被动控制，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，达到抑制微生物生长，防范微生物可能导致的风险。

延伸阅读

近年来，火星环境对微生物的作用也被广泛关注。2020年是探测火星的时间窗口，包括中国在内的多个国家和实体都准备发射火星探测器。由于火星表面缺少臭氧层，稀薄的大气对太阳辐射的屏蔽能力极弱，这种环境与早期地球环境极为相似，由此科学家推测早期地球的生命体、火星上曾经存在或现存的微生物可能也具有极强的抵抗紫外辐射的能力。因此，揭示地球上的微生物在火星表面环境的生存与繁衍方式，是寻找火星生命的重要研究途径之一。但同时，空间微生物，特别是微生物孢子一旦在火星上生存下来，将对未来寻找过去或现存的火星生命造成干扰。航天历史上，为了不让地球微生物污染木卫二，美国航天局的伽利略号探测器结束使命后有意安排撞击木星。