空间舱室内易滋生微生物的部位特点和在轨防控措施

2019-01-10霍天翔付玉明

载人航天 2018年6期

霍天翔，付玉明，刘红*

(1. 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京 100191； 2. 北京航空航天大学环境生物学与生命保障技术研究所，北京 100191； 3. 空天生物技术与医学工程国际联合研究中心，北京 100191)

1 引言

空间有人舱室中微生物几乎无处不在。空气中、水中和各种物体表面都发现了微生物的踪迹。和平号空间站上发现的微生物曾达234种[1]。在国际空间站的俄罗斯部分收集的经过8～12年累积的尘埃样品中共培养和鉴定了85种细菌物、17种非致病性分离物(不同的物种)和1种真菌[2]。另外，除了灰尘中的微生物，根据Checinska等人的研究，ISS样品中最常见的真菌分离株是黑曲霉以及曲霉属真菌，青霉属是第二主要属[3]。

虽然这些微生物是生态系统中必不可少的一部分，但是如果它们过量繁殖，会对空间飞行任务造成负面影响。首先，微生物会对舱体和设备造成腐蚀，导致舱体受损、设备发生故障。其次，载人密闭舱室中的致病微生物会危及航天员健康。由于在太空舱室环境中航天员免疫力降低，微生物诱发疾病对航天员及任务的危害极大，轻则导致任务失败，重则导致航天员死亡。在国际空间站Expedition 30和Expedition 31号任务中曾有过航天员因微生物发生过敏反应的报告[4]。再者，一些微生物还会分泌毒素，污染舱室空气、食物、水源；密闭舱室中由于微生物繁殖，产生异味，影响舱室空气质量和航天员健康。另外，微生物积累下来的物质会堵塞通气管道或是液体管道，造成污染并扩散。因此，载人密闭舱室内的微生物防控是航天器环境控制的一个重要方面。

为了减少空间舱室内微生物产生的负面影响，各个航天大国在航天器微生物防控领域进行了大量研究，这些研究对空间舱室中的微生物的种类、滋生条件等进行了阐述。本文在这些研究的基础上就空间舱室内微生物的滋生部位特点和在轨清除的措施进行分析，提出我国空间舱室微生物在轨防控的建议,以期为我国的空间站等载人航天器建设和运营提供参考。

2 空间舱室内易滋生微生物的部位特点

2.1 通风不良的区域及设备内部

在空间站及其他载人宇航飞行器环境下，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CO2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CO2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。例如，在国际空间站，其内部加压容积为915 m3，通风速率11 m3/min[5]。这样的风速有利于舱室空气中微生物和杂物随气流进入空气净化系统被过滤清除。

尽管空间舱室具有良好的通风系统，但是仍然存在一些区域通风不良，比如舱室通风管道设计中未曾注意到的死角、狭缝。在这些通风不良的区域，一些灰尘和杂物就会逐渐累积，为微生物的生长繁殖提供营养和基质[5]。资料显示，微生物在这些通风不良的区域容易大量滋生。比如在国际空间站节点3的机舱内由于通风不畅，存在大量的灰尘和微生物气溶胶，并粘附在舱体内壁上[3]。

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，图1为最近公布的空间站背侧壁板狭缝处一电子设备冷却风扇的入口[5]，可以看出有大量杂物和灰尘。此外，设备内部由于因通风不畅、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[3,6]。

图1 电子设备冷却风扇的入口[5]Fig.1 Inlet of avionics cooling fan[5]

2.2 易凝结冷凝水的低温面

国际空间站气温维持在22 ℃左右，相对湿度在60%左右，大多数与环境相关的细菌在ISS和地球上的行为非常相似[7]，空间站上的真菌和细菌也会像地面一样，滋生在潮湿的地方。而且，许多微生物能够粘附到大多数物体表面并形成生物膜。这一过程提高了微生物污染的持久性和微生物对环境的适应性，使之难以清除[8]。

水是微生物生存的必要物质，同时水溶液会加速金属的化学腐蚀。由于近地轨道的航天器，其外表面温度可达-70 ℃[9]，空间站内舷窗等部位的温度就会很低，形成一些低温面。而国际空间站内维持相对湿度在60%左右[7]，水汽容易这些低温面上达到结露点凝结。微生物可利用这些水进行生命活动，通过新陈代谢会产生有机酸腐蚀材料。而有机材料中的碳元素等可为微生物提供构成细胞的化合物，金属腐蚀过程中的能量可以被微生物利用。因此，舱内易凝结冷凝水的低温面是微生物滋生的又一重点部位。比如，在“和平号”空间站第3批航天员曾发现结露的舷窗上霉菌滋生造成能见度降低，光学性能下降[1]。

2.3 航天员手和皮肤经常接触的地方

大量关于国际空间站的微生物的研究都证明航天员是国际空间站微生物群落的主要来源[10]。Checinska等研究的结果更是证明特定的人类皮肤相关微生物在国际空间站的微生物组成中占了大多数[3]。由于人体是太空舱中主要的微生物来源，而且人体的汗水等体液和皮肤角质也可成为微生物繁殖的基质，与人体经常接触的地方比较容易留下人的体液和皮肤角质，微生物得以在这些地方生长。而最近的研究同样发现，国际空间站内俄罗斯Zarya 舱段航天员经常触摸的把手和侧壁上生长了大量微生物，如图2所示[11]。日本学者对国际空间站日本舱段(Kibo-ISS)人员工作经常触摸的区域如培养箱外侧、把手等的微生物含量进行检测，同样证实了上述区域存在大量与人相关的微生物[12]。另外，虽然不是直接接触，航天员携带的微生物也可以通过讲话、咳嗽、打喷嚏等方式在空间站扩散[13]。

图2 国际空间站俄罗斯Zarya 舱段内把手和侧壁上生长的微生物 (航天员经常把衣服挂于该侧壁此处) [11]Fig.2 Microbes growing on the handle and side wall of Russian Zarya module on ISS[11]

3 在轨防控的措施

3.1 空气中微生物的清除措施

3.1.1 ISS使用的细菌过滤元件BFE(Bacterial Filter Elements)

空气中的微生物会污染空气，严重时造成航天员的呼吸道感染，而且微生物可以通过空气扩散传播，进而在舱室内的材料表面繁殖，从一处转移到另一处。空气中的悬浮颗粒是微生物在空间站内传播的最主要途径。气体中的微生物会附着在悬浮颗粒物上，有时悬浮颗粒本身就是微生物，例如真菌孢子，因此对悬浮颗粒物的控制就是对气体中微生物的控制。气体中悬浮颗粒物的控制采用的方式是过滤。为了过滤掉空气中的灰尘颗粒物，一般采用HEPA过滤器，对于有效直径在0.3 μm左右的微颗粒能进行有效的滤除[3]。BFE是在ISS上使用的包含HEPA的过滤器，有6个BFE安装在通风系统中[5]。图3是空间站上的细菌过滤元件BFE，左图是未使用干净的BFE，右图是使用8天后的情况，可以看出空间站中存在大量悬浮颗粒。因此，空气中微生物控制主要是通过设计减少通风死角以及对于滤膜上的微生物的清除[14]。

图3 国际空间站细菌过滤元件[5]Fig.3 The ISS bacterial filter elements[5]

3.1.2 便携式除菌装置

在航天器建造完成后，针对设计时没有考虑到的通风死角可以通过便携式除菌装置进行处理。比如，从2001年开始俄罗斯专家在国际空间站采用一种叫做POTOK 150MK的微生物控制设备，其原理是利用脉冲电产生等离子体杀菌结合过滤网过滤[15]，用于国际空间站的空气微生物控制，保证ISS的空气微生物浓度维持在卫生上限(细菌低于1000 CFU/m3、真菌低于100 CFU/m3[10])以下[16]。目前在国际空间站(ISS)上，开发了一款干湿两用的吸尘器，该吸尘器使用一次性袋子作为一级过滤装置，收集潮湿或者干燥的颗粒物。该吸尘器的第二级过滤是一种HEPA过滤器。一级过滤器可以收集直径大于0.6 μm的颗粒，二级过滤装置可以过滤直径大于0.3 μm的颗粒。另外该吸尘器还包括针对缝隙的清洁工具、刷子工具、灵活的模块化工具和表面工具。该吸尘器风机由直流无刷电机驱动，旨在降低在ISS高氧环境下产生火花的可能性，如图4所示[17]。

图4 国际空间站使用的吸尘器[17]Fig.4 Vacuum cleaner on the ISS

3.1.3 吸附式颗粒滤池

在空间站可以应用的空气清洁方法中，吸附式颗粒滤池是最简单的方法，包括HEPA、ULPA、活性炭、静电吸附等类型。在这些方法中，比较有效的是HEPA、ULPA，在造成20～50 mmAq压降的条件下，HAPA的过滤效率可以达到99.97%，ULPA 的效率可以达到99.999%[18-19]。虽然这些吸附过滤方法可以过滤微生物，但是却无法杀死微生物，而是将微生物留在滤材中，这就需要定期更换滤材，提高飞船运行成本。为此，人们在设备中加入了紫外线进行杀菌，为了提高杀菌效率，这类装置的过滤介质与气流方向成一个较小锐角，可以增大其被紫外线照射的面积和过滤面积，但是由于暴露在紫外线下的时间不够长，还是难以清除微生物。即使使用高能紫外线，过滤介质中的微生物仍然会因为紫外线照射不到而存活下来。一些空气过滤装置采用了臭氧灭菌的方式，但是在密闭舱室中，臭氧作为污染物，无法使用。为了进一步提高过滤介质杀菌效果，可在过滤介质上覆盖一层杀菌材料，或是在介质被一层紫外线激活的金属氧化物晶体覆盖。金属氧化物晶体被激活后，可以氧化分解各种化学和生物物质[20]。

3.2 来自航天员的微生物的控制

3.2.1 颗粒物及细小垃圾处理

作为航天器中主要微生物的来源，航天员携带着大量微生物。而且国际空间站上存在大量的尘埃颗粒，人类是这些尘埃主要的来源(通过皮肤脱落、打喷嚏、咳嗽、进食、运动等)，这些尘埃颗粒带有大量微生物[3]。这些航天员散播到空气中的微生物主要由空气过滤装置除去。

3.2.2 排泄物处理

人在航天器中的新陈代谢活动会产生汗液、尿液以及粪便等排泄物。这些排泄物中都是微生物容易生长的环境，而且排泄物中可能携带着致病菌，必须对排泄物进行收集和处理。NASA一项叫做《Solid And Liquid Waste Drying Bag》[21]的专利中，干燥袋包括一个气体和液体都无法透过的外层和一个只能透过气体的内层，固体废物进入内袋后，其中的液体通过蒸发变成蒸汽，进入内袋和外袋之间的夹层。之后再将蒸汽抽离，通过这样的方法将固体废物中的水提取出来；水进入水处理系统，固体废物则密封后由补给船运回地面；上完厕所后，航天员用湿巾清洁厕所，然后将湿巾放在旁边的一个容器中，以防止污染。

3.2.3 航天员身体清洁

航天员在空间站如果长时间不洗澡，身上难免会有细菌滋生，而且也会产生异味。为了避免这样的情况，航天员通常先用蘸有清洁液的毛巾擦拭，之后用蘸有清水的毛巾擦拭，来清理皮肤表面[22]。

3.3 舱内材料表面微生物的预防和清除措施

3.3.1 控制液态水在舱内表面附着

NASA对空间站内表面微生物卫生清洁规定是不大于10000 CFU/m2[10]。载人航天器的内表面上悬挂着各种仪器设备，这使得一旦发生微生物污染，清理将变得十分困难。在长期载人航天器的设计中，要尽可能消除通风不畅的区域，对一些低温面进行保温处理避免水汽凝结，微生物滋生。因此在进行航天器舱内设计和运行管理时，要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，即控制水的积累，包括湿度控制、水漏出控制和冷凝水控制。

3.3.2 舱内使用抑菌材料

在载人航天器的材料使用上也要十分慎重，对空间站上所使用的材料进行严格的筛选，尽可能使用具有良好抗菌防霉性能的材料。因此，首先要根据材料的抗菌防霉特性，禁止或限制使用抗菌防霉性能差的材料，以减少微生物的生长。其次，对所选用的材料进行抗菌防霉处理，提高材料的抗菌防霉性能，减缓微生物的生长。例如，银离子对于微生物的生长有很强的抑制作用，只需微量银离子即可杀灭微生物，在复合材料中添加银，或者一些材料表面覆盖一层银，即可得到有良好抑菌性能的材料。与此类似，将其他小分子杀菌剂复合在材料中也可以提高材料的抑菌性能。例如经实验证明高分子聚合材料表面微生物的数量高于金属材料，通过前述方法即可抑制高分子聚合材料表面的微生物。另外除了在材料中添加小分子杀菌剂以外，也可以在材料表面涂布一层超疏水层，通过减少材料表面水的含量来抑制微生物生长。Guridi等提出了一种由银和钌组成的表面涂层AgXX®，该涂层材料已经成功通过了国际空间站使用测试[23-24]。该材料的抗菌效果优于传统银涂层，避免了高浓度银离子对真核细胞的毒副作用，使用寿命长，而且无须外加能量。

3.3.3 舱内检测及定期清洁

目前，国际空间站上使用了一种“电子鼻”装置，用来测试材料表面的微生物沉降，可以发现未形成菌斑的微量微生物，预防大块菌斑腐蚀的形成[25]。另外，如果发生微生物污染，国际上在空间站采用的材料表面微生物菌斑清除的方法主要为用湿巾或棉签擦拭。不论是之前的和平号空间站还是正在运行的国际空间站，进行舱室清洁的频率均为一周一次，通过这样的清洁工作来降低舱室内微生物水平。目前国际空间站美国舱段在清洁过程中使用的主要是6种消毒湿巾、去污剂和擦布等消耗品(需要通过货运飞船进行补充)[26]。舱室内的消毒剂主要采用的是双季铵盐杀菌剂和过氧化氢的混合物[8]。季铵盐类很早即在医学外科或食品加工方面用作消毒剂，对其进行的研究表明双季铵盐杀菌剂具有杀菌速度快，药效时间长等优点。在双季铵盐杀菌剂的杀菌实验中验证了，30 mg/L的双季铵盐作用四小时后杀菌率在94%以上，48 h之后，灭菌率达到99%以上，具有持续效果。另外，季铵盐是阳离子表面活性剂，对物体表面的细菌污垢有剥离能力[27]。但是并非舱内的所有部位或表面都可以用湿巾或棉签进行清洁消毒，如一些死角、机箱背板及设备内部[28]。

4 空间站舱内微生物在轨防控的建议

4.1 空间站设计

当前，我国已经开始了空间站设计和构建。为了能够有效控制空间舱内的微生物，降低微生物污染，建议我国空间站在设计时考虑：

1)内壁采用一些抗菌防腐蚀的材料，提高微生物在舱室内壁附着生存的难度；

2)减小舱室内壁低温面的总面积，对设计上必须存在的低温面进行处理，可设计实验对低温面温度、处理条件、舱室内湿度等参数进行优化，研究低温面最小水汽析出条件，以在实际运行时控制温湿度；

3)合理设计舱内空调通风系统，使其能及时过滤空气中的悬浮颗粒，并减少通风死角；

4)对于易滋生微生物的表面做好防护处理。

4.2 运行期间微生物清洁控制

在我国空间站的运行过程中，需要定期对易滋生微生物的表面做好防护处理，并定期清洁。同时应在舱内材料表面的菌斑清除后及时对材料表面进行修护处理，防止其再次发生腐蚀。微生物以非常复杂的方式与材料相互作用，微生物腐蚀产生的不是单一形式的局部腐蚀，可造成包括点蚀、缝隙腐蚀、沉积膜下腐蚀以及选择性腐蚀的综合性腐蚀，提高应力腐蚀敏感性，还能增加电偶腐蚀和冲刷腐蚀[29-30]，而且微生物还可以破坏金属材料表面有保护性的非金属覆盖层的稳定性。同时，被微生物腐蚀过的材料部位，由于微生物的代谢产物破坏了原来材料表面的钝化层，打破了钝态层的稳定性[31]，腐蚀后产生的微孔使得水汽更加容易凝聚在腐蚀区，这些都更加有利于微生物再次附着生存，如果不对材料腐蚀部位进行修护，只是将菌斑进行清除，发生过腐蚀现象的材料部位会更容易再次发生腐蚀。

国际空间站上采取的清除微生物菌斑的措施主要是用消毒湿巾或者棉签擦拭，然而采用湿巾或者棉签擦拭方法很难触及背板和缝隙中的菌斑，且消耗性材料使用较多，工作量大，也无法有效快速地杀灭菌斑和修复发生腐蚀的材料表面。需要建立更简单易行的舱室内材料表面菌斑清除效率与材料修护设备和方法。俄罗斯、美国已经意识到航天器材料表面微生物防控的重要性，正在加紧研制载人航天器舱内材料表面菌蚀斑在轨清除和材料表面修护技术。

4.3 材料表面菌斑定向清除设备

我国即将建成空间站，为有效控制载人航天器舱室内微生物污染和材料腐蚀问题，北航刘红等借鉴国际空间站在微生物方面的经验，研制了模拟空间舱室特殊环境材料生物安全实验箱，对空间环境中的材料生物腐蚀进行模拟研究[32]。针对现有的方法很难触及背板和缝隙中的菌斑，消耗性材料使用较多，且工作量大，不能快速有效地杀灭菌斑的问题，提出了“舱室内材料表面菌斑定向清除设备”等设备设计方案[33-35]，研制了地面实验样机。但是尚须开展大量研究，对利用其对空间舱室微生物清除及腐蚀斑修护技术进行优化和完善，建立可用于空间微重力条件下使用的材料表面菌斑清除和修护技术和设备。