陳振鴻，劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

綜 述

太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響及作用機(jī)制

陳振鴻，劉長庭

解放軍總醫(yī)院 南樓呼吸科，北京 100853

伴隨太空事業(yè)的發(fā)展，一門新興的交叉學(xué)科-空間微生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。與地球相比，太空環(huán)境具有微重力、強(qiáng)輻射、超低溫、高真空和弱磁場等特殊的環(huán)境因素，這些環(huán)境因素對(duì)宇航員和其攜帶的細(xì)菌勢(shì)必產(chǎn)生影響。為了促進(jìn)空間微生物學(xué)科的發(fā)展，本文對(duì)國內(nèi)外關(guān)于太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響及其作用機(jī)制進(jìn)行綜述。

空間微生物學(xué)；細(xì)菌；太空輻射；微重力

自20世紀(jì)60年代開始，國外逐漸開展了太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌表型、代謝和遺傳變異等多方面的實(shí)驗(yàn)研究。近年來隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)也進(jìn)行了該領(lǐng)域的研究，如本課題組劉長庭等發(fā)現(xiàn)神舟八號(hào)飛船搭載的屎腸球菌基因重組介導(dǎo)蛋白dprA發(fā)生突變，褪色沙雷菌LCT-SM166和屎腸球菌LCT-EF18出現(xiàn)與代謝相關(guān)的多種蛋白差異表達(dá)，而且還發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境誘導(dǎo)α干擾素工程菌產(chǎn)量增加[1-5]。伴隨太空事業(yè)的發(fā)展，一門新興的交叉學(xué)科-空間微生物學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，為了促進(jìn)該學(xué)科的發(fā)展，本文在對(duì)太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響因素及作用機(jī)制進(jìn)行闡述。

1 太空輻射及對(duì)細(xì)菌的影響

太空輻射包含粒子流和電磁波。目前的載人航天活動(dòng)主要集中在距地面500 km以內(nèi)的近地球軌道上，該區(qū)域存在3種高能粒子輻射源，即銀河宇宙線、太陽粒子和地球輻射帶[6]。銀河宇宙線指銀河系超新星爆發(fā)產(chǎn)生的高能粒子，特點(diǎn)是能量高，尤其是宇宙線重核粒子(HZE)具有極強(qiáng)的殺傷力，且目前沒有有效的屏蔽材料。太陽粒子是太陽爆發(fā)產(chǎn)生的高能粒子流，持續(xù)時(shí)間從幾分鐘到幾天，主要成分是質(zhì)子，對(duì)航天員造成較大威脅，但具有隨機(jī)性，主要集中在極區(qū)附近。地球輻射帶是高能帶電粒子受到地球磁場捕獲而形成的強(qiáng)輻射區(qū)域，主要由高能電子與高能質(zhì)子構(gòu)成，集中在南大西洋異常區(qū)和極區(qū)電子帶，因能量不高，可被航天器的艙壁有效屏蔽。太空中各種天體除了輻射高能粒子外，還輻射電磁波，電磁波按頻率從低到高，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X線和γ射線等，其中X線和γ射線為電離輻射，其余為電磁輻射。

太空輻射對(duì)微生物的危害主要是引起DNA變異。其中太空粒子流對(duì)細(xì)菌等生物的生物學(xué)效應(yīng)與細(xì)胞核酸物質(zhì)直接吸收粒子流能量或因粒子流電離細(xì)胞水分子的間接作用有關(guān)，包括細(xì)胞染色體畸變、特定基因突變、DNA斷裂，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡等。Sch?fer等[7]研究發(fā)現(xiàn)暴露于外太空環(huán)境中的大腸埃希菌死亡率顯著增高，是因?yàn)镠ZE粒子輻射導(dǎo)致了大量的DNA雙鏈斷裂。還有研究發(fā)現(xiàn)HZE粒子導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂后細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)一些修復(fù)機(jī)制，如斷端連接、同源重組和非同源末端連接途徑(NHEJ)等[8]。

太空電磁波中的X線和γ射線為電離輻射，可電離細(xì)胞中H2O分子，分解出游離基H+，生成O2-、HO2和H2O2等強(qiáng)氧化基團(tuán)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞蛋白酶的硫基氧化。紫外線為電磁輻射，可造成DNA鏈相鄰兩個(gè)嘧啶發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，形成嘧啶共聚體，造成胸腺嘧啶變異，進(jìn)而影響DNA復(fù)制，導(dǎo)致細(xì)菌等微生物的高致死率[9-10]。1966年美國雙子星4號(hào)飛船(Gemini Ⅸ)任務(wù)研究發(fā)現(xiàn)噬菌體T1暴露于外太空環(huán)境16.8 h后存活率為3×10-5，但予0.4 mm鋁板保護(hù)的樣品存活量為暴露組的3 000倍，這說明殺傷噬菌體的紫外線和X線等是可以被有效防護(hù)的太空因子[1]。

2 太空微重力及對(duì)細(xì)菌的影響

微重力是指物體在重力加速度不超過10-5～ 10-4g時(shí)所受重力，太空環(huán)境即為微重力環(huán)境。地球環(huán)境下物體由于地球引力受到豎直的力叫重力，等于物體質(zhì)量與重力加速度(地面重力加速度為1 g)的乘積，它是萬有引力的一個(gè)分力，使物體具有重量并可使之豎直向下移動(dòng)，另一個(gè)分力是隨地球自轉(zhuǎn)的向心力。太空環(huán)境的重力加速度在10-6～10-3g，而航天器在地球軌道作慣性飛行運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力與離心力相抵消，航天器質(zhì)心處重力為零，即失重環(huán)境，質(zhì)心以外的部位為微重力環(huán)境；當(dāng)航天器加速上升和減速返回時(shí)，正負(fù)加速度使航天器處于超重狀態(tài)。太空的探索活動(dòng)中處于超重狀態(tài)是短暫的，主要為微重力和失重狀態(tài)。微重力和失重環(huán)境為物質(zhì)提供了一種獨(dú)特的環(huán)境，與重力環(huán)境相比，物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)一系列獨(dú)特的物理變化。太空探索和多種地面回旋模擬失重設(shè)備為人們研究重力對(duì)微生物的影響及作用機(jī)制提供了寶貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。

研究證實(shí)不論微重力還是模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)細(xì)菌，均為菌體提供了低剪切力環(huán)境，細(xì)菌培養(yǎng)環(huán)境發(fā)生改變，間接地對(duì)細(xì)菌造成影響，這利于細(xì)菌的培養(yǎng)[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)模擬微重力下大腸埃希菌抵抗酸性、熱應(yīng)力和滲透壓等能力增強(qiáng)，耐藥性也增強(qiáng)，這種變化與RNA聚合酶穩(wěn)定因子的編碼基因rpoS表達(dá)有關(guān)[13-14]。Arunasri等[15]發(fā)現(xiàn)大腸埃希菌出現(xiàn)了上百種基因的表達(dá)變化。Wilson等[16-17]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明微重力環(huán)境下鼠傷寒桿菌的毒力增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)鼠傷寒桿菌編碼轉(zhuǎn)錄蛋白、調(diào)節(jié)蛋白、細(xì)菌毒力和脂多糖等100多種基因的表達(dá)變化，而且認(rèn)為sRNA伴侶蛋白Hfq起到了關(guān)鍵作用。Crabbé等[18-19]發(fā)現(xiàn)伴侶蛋白Hfq在太空飛行對(duì)銅綠假單胞菌的多種基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達(dá)改變中起了關(guān)鍵作用，而AlgU因子調(diào)節(jié)了抗壓蛋白的表達(dá)。Kim等[20]證實(shí)太空微重力環(huán)境下銅綠假單胞菌的生物被膜生長速率明顯增加，Mauclaire和Egli[21]也證實(shí)模擬微重力環(huán)境下藤黃微球菌的生物被膜形成增強(qiáng)。

但也有研究發(fā)現(xiàn)微重力對(duì)細(xì)菌影響的結(jié)果并不一致。有研究發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下大腸埃希菌等細(xì)菌生長速率較對(duì)照組明顯增加；但也有研究認(rèn)為在微重力環(huán)境下銅綠假單胞菌的繁殖沒有變化[22-24]。另有研究發(fā)現(xiàn)微重力增加了大腸埃希菌細(xì)胞膜的流動(dòng)性[25]，但England等[24]的研究并未發(fā)現(xiàn)微重力造成銅綠假單胞菌膜流動(dòng)性的改變。Boever等[26]發(fā)現(xiàn)微重力環(huán)境下革蘭陽性菌之間存在質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移，而革蘭陰性菌之間未見此現(xiàn)象。Hensley[27]發(fā)現(xiàn)鮑曼不動(dòng)桿菌藥物敏感性在微重力環(huán)境下未發(fā)生改變。

Klaus等[11]揭示了出現(xiàn)上述差異的原因，認(rèn)為與細(xì)菌是否可以游動(dòng)有關(guān)，因?yàn)橹亓ψ饔貌粏螁尉窒拊诩?xì)菌上，應(yīng)該從細(xì)菌、培養(yǎng)液、容器和外部環(huán)境等整體層面考慮。微重力環(huán)境下不具有游動(dòng)性的菌體細(xì)胞懸浮于培養(yǎng)液中，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物相對(duì)靜止在細(xì)胞周圍，降低了懸浮細(xì)胞和其周圍液體間的質(zhì)量傳遞，微重力造成的細(xì)胞周圍特殊化學(xué)龕環(huán)境造就了細(xì)菌的繁殖增快。而具有鞭毛的細(xì)菌，其游動(dòng)性打破了周圍相對(duì)靜止的液體環(huán)境，不具有非游動(dòng)性細(xì)菌在微重力環(huán)境下的龕環(huán)境，因而未發(fā)現(xiàn)增殖速度的改變。Pollard[28]發(fā)現(xiàn)直徑＞10 μm的細(xì)胞可體驗(yàn)出太空微重力與地面重力的差別，而絕大多數(shù)細(xì)菌的菌體長度＜10 μm，這些細(xì)菌個(gè)體對(duì)微重力作用不敏感是因?yàn)榫w體積太小，細(xì)胞內(nèi)部密度均勻，重力加速度變化對(duì)之引起的震動(dòng)太過細(xì)微，菌體幾乎感知不到。而Kim等[29]發(fā)現(xiàn)太空微重力環(huán)境下培養(yǎng)基中磷酸鹽和氧等營養(yǎng)成分受限時(shí)，銅綠假單胞菌的生長速度較正常對(duì)照組增加，但營養(yǎng)成分充足時(shí)兩組未見差異。另外太空輻射和微重力相疊加對(duì)生物的作用更強(qiáng)，這與微重力環(huán)境下細(xì)菌對(duì)輻射導(dǎo)致DNA損傷的修復(fù)能力下降有關(guān)[30]。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和微重力模擬設(shè)備的漸趨先進(jìn)，微重力對(duì)細(xì)菌影響的研究將越來越深入。

3 太空高真空及對(duì)細(xì)菌的影響

真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。在低地球軌道環(huán)境中只存在少量的分子氧、氮和高活性的氧原子、氮原子，太空大氣壓下降至10-7～ 10-4Pa，而地球海平面平均大氣壓為105Pa，故人們習(xí)慣稱之為高真空環(huán)境。

太空真空環(huán)境對(duì)細(xì)菌的影響主要是引起細(xì)胞脫水，太空高真空可造成細(xì)胞脫水25% ～ 45%，進(jìn)而影響細(xì)胞膜通透性和蛋白酶活性，甚至誘發(fā)基因突變[31-32]。有研究發(fā)現(xiàn)太空真空導(dǎo)致枯草桿菌孢子發(fā)生了DNA損傷，其分子機(jī)制是DNA旋轉(zhuǎn)酶亞基A編碼基因gyrA12的第84位密碼子變異[33]。Moeller等[34]通過真空模擬裝置誘發(fā)枯草桿菌孢子出現(xiàn)DNA雙鏈斷裂，同時(shí)存在非同源末端連接的有效修復(fù)途徑，但長時(shí)間超強(qiáng)度真空狀態(tài)誘發(fā)的DNA損傷很難修復(fù)，導(dǎo)致孢子死亡率增加。有研究發(fā)現(xiàn)同時(shí)暴露于真空和紫外線環(huán)境的枯草桿菌孢子DNA損傷更為嚴(yán)重，是因?yàn)檎婵彰撍饔酶淖兞撕怂嵛镔|(zhì)吸收紫外線的波長范圍[35]。

此外，太空還存在極端溫度、弱磁場等因素，均對(duì)生命體產(chǎn)生影響。隨著航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，太空探索活動(dòng)日益增強(qiáng)，加強(qiáng)空間微生物學(xué)領(lǐng)域的研究，明確太空環(huán)境與地球環(huán)境的差別，并探明太空環(huán)境對(duì)細(xì)菌影響的機(jī)制，不僅可以保障航天員的健康，而且可以評(píng)價(jià)隨航天器返回地球細(xì)菌的毒力及耐藥性，保障人類健康。

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Effects and mechanisms of space environment on bacterial responses

CHEN Zhen-hong, LIU Chang-ting
Respiratory Diseases Department in South Building, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

LIU Chang-ting. Email：liuchangt@gmail.com

With the huge development of space industry, an emerging subject named Space Microbiology is coming with the tide of fashion. Compared with the earth's biosphere, there are some special environmental factors in outer space, such as cosmic radiation, microgravity, space vacuum, low intensity magnetic feld, ultralow temperature, thermal extremes and so on. These conditions of outer space present an environmental challenge for not only astronauts but also bacteria. Vast literatures in the effects and mechanisms of space environment on bacterial responses are reviewed in this article in order to promote the development of Space Microbiology.

space microbiology; bacteria; space radiation; microgravity

R 854

A

2095-5227(2014)07-0763-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.07.033

時(shí)間：2014-03-25 17:11

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140325.1711.003.html

2014-03-06

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2014CB744400)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81200059)；全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”課題重點(diǎn)項(xiàng)目(BWS12J046)；載人航天領(lǐng)域項(xiàng)目(040203)

Supported by National “973” Program for Basic Science Research Development of China(2014CB744400); National Natural Science Foundation of China(81200059); Military Special-purpose Program of "Twelfth Five-Year"(WS12J046); Program of Manned Spaceflight(040203)

陳振鴻，女，博士，主治醫(yī)師。研究方向：細(xì)菌耐藥及空間微生物學(xué)。Email：zhenhong_chen@hotmail.com

劉長庭，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師，973首席科學(xué)家。Email：liuchangt@gmail.com