程鈺涵 錢航

空間環(huán)境是一種高度復(fù)合環(huán)境，具有真空、干旱、溫度驟變、混合性空間輻射、微重力等特點，它能對進入其中的生物體誘發(fā)一系列生理生化反應(yīng)。近年來，人們根據(jù)在地球上的極端環(huán)境中（鹽湖、旱地、深海、極地、永久凍土等）發(fā)現(xiàn)的微生物，推測微生物也能在極端的空間環(huán)境中生存，并將微生物作為載人航天活動和空間生命探測的模式生物之一，用于開展空間生命科學(xué)研究，相關(guān)研究結(jié)果對于航天活動中的行星保護、生命起源探索、航天產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等具有十分重要的作用。

航天器的密閉環(huán)境也可能引起微生物的大量繁殖

科學(xué)家正在國際空間站艙內(nèi)工作（圖片來源 / NASA）

在航天器中安家的微生物

空間站或其他載人航天飛行器里面的氣溫一般維持在20℃左右，相對濕度在60%左右，同時由于空間站空間有限、密閉等特點，為了創(chuàng)造和維持航天員必需的合理空間環(huán)境，人類不可避免地為微生物提供了合適的棲息環(huán)境。長時間飛行的空間站，當密閉系統(tǒng)艙室內(nèi)的溫度、濕度達到微生物適宜生長的水平，就可能會引起艙室環(huán)境中各種微生物的大量繁殖。研究表明，航天器密閉環(huán)境中細菌和真菌的污染比地面明顯加強。

在艙內(nèi)環(huán)境，由于沒有重力，空氣無法形成地面上那樣的熱對流，灰塵也無法靠重力自然沉降，而各部分艙室中溫度、濕度及二氧化碳含量又因為設(shè)備運轉(zhuǎn)、人、植物和化學(xué)氧源的存在而有所不同。因此，為了使得艙室內(nèi)各個部分空氣的濕度、溫度及二氧化碳含量等達到該艙室功能所需范圍，艙室空調(diào)系統(tǒng)必須對各部分的空氣進行調(diào)節(jié)或通風。盡管空間艙室具有良好的通風系統(tǒng)，但仍存在一些通風不良區(qū)域，比如艙室通風管道設(shè)計中未曾注意到的死角、狹縫（這同我們居家生活中柜子后面藏污納垢的死角是一樣的）。在這些通風不良區(qū)域，一些灰塵和雜物會逐漸累積，為微生物的生長繁殖提供營養(yǎng)和基質(zhì)。歷史飛行資料顯示，微生物在這些通風不良的區(qū)域容易大量滋生。比如，在國際空間站的一個節(jié)點艙內(nèi)，由于通風不暢，存在大量的灰塵和微生物氣溶膠，并黏附在艙體內(nèi)壁上。

小小生物危害大

空間站密閉環(huán)境中，微生物的大量繁殖將會對航天員的表現(xiàn)以及航天器材或居住環(huán)境的安全性產(chǎn)生副作用。

航天飛行時，航天員自身的免疫系統(tǒng)功能會下降，大量繁殖的微生物無疑對航天員的健康存在潛在的威脅。在太空微重力環(huán)境下，航天器中的微生物可以長時間懸浮在艙內(nèi)空氣中，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。由于空間艙室中影響灰塵和雜物的只有流動空氣，如果灰塵沒被空氣凈化系統(tǒng)清除，就會隨著其他設(shè)備產(chǎn)生的流動空氣而擴散。艙室內(nèi)空氣中的細菌和真菌可能成為致敏原和感染源，在航天員吸入呼吸系統(tǒng)后引起過敏或感染反應(yīng)。

已經(jīng)影響太空的微生物

此外，設(shè)備內(nèi)部由于通風不暢、不易發(fā)現(xiàn)等特點，也是發(fā)生微生物污染的重要部位。有報道證實，在國際空間站上曾發(fā)生因微生物在設(shè)備內(nèi)部大量繁殖，破壞電路或電子部件造成通信設(shè)備和煙感器發(fā)生故障。研究表明，空間站上非金屬高分子材料可以滋生革蘭氏陰性桿菌和真菌。這些微生物從高分子聚合結(jié)構(gòu)材料中吸取維持自身生長繁殖的營養(yǎng)物質(zhì)，從而導(dǎo)致高分子材料發(fā)生降解。同時，這些微生物生長繁殖也會產(chǎn)生一些生物物質(zhì)，這些生物物質(zhì)可激起或誘導(dǎo)金屬材料腐蝕，造成硬件故障。在俄羅斯和平號空間站服役的15年（1976—1999）中，微生物對空間站的管道、通信、電纜等儀器設(shè)備造成了嚴重危害。最新研究表明，國際空間站微生物對材料設(shè)備的腐蝕程度依舊嚴重。

大量微生物繁殖也會使空間站供應(yīng)的飲用水、食品降級，大大增加了微生物侵入航天員消化系統(tǒng)的機會，有可能造成航天員的腸道外源性感染，或者使得航天員自身正常菌落失調(diào)，誘發(fā)內(nèi)源性感染。

抗菌有方法

由于空間站環(huán)境密閉、空間狹小，難以采用地面常用的噴灑一次性有機消毒劑、紫外線殺菌等方式進行微生物防護。因此，采用無機抗菌材料對航天材料進行抗菌處理是一種無需額外提供電源且相對安全的處理方式。在無機抗菌材料中，金屬離子如銀離子、鋅離子和銅離子等都具有抗菌活性，適時增加殺菌劑含量確保碘含量和銀含量保持在一定濃度的水溶液中，就可以在不直接檢測微生物數(shù)量的情況下確保微生物達到控制標準。

納米材料可以在一定程度上克服現(xiàn)有飲用水消毒劑的缺點

革蘭氏陰性桿菌

另一方面，當前國際空間站使用的飲用水消毒劑（銀離子、碘離子）存在諸如對人的毒性限量低、殺菌持效時間短、需要再補充、味道不好等缺點，所以美國航天局正在研究新一代飲用水系統(tǒng)抗菌技術(shù)。而納米材料可以在一定程度上克服上述缺點，科學(xué)家們對其抗菌性已經(jīng)開展了相關(guān)研究。

延伸閱讀

國際空間站曾在2017年利用微型基因擴增儀和納米孔測序儀，完成了從微生物樣品制備到基因測序的完整微生物鑒定流程。這項技術(shù)能夠?qū)崟r鑒定國際空間站上的微生物而無需將其帶回地面進行鑒定，這將改變空間探索過程中的微生物學(xué)研究方法。在空間站中鑒定微生物的能力有助于實時診斷和治療航天員的疾病，有助于鑒定其他行星上包含DNA的生命，同時有助于空間站上其他實驗的開展。

微生物控制有講究

實際上，航天員本身可能就是最大的微生物來源，因為在他們的身體內(nèi)包含了很多微生物。在人類的皮膚、呼吸道、鼻腔和黏膜表面，到處存在大量的微生物。航天員從選拔開始就要做系統(tǒng)全面的微生物和免疫學(xué)調(diào)查;在飛行前，航天員要執(zhí)行特殊的食物制度，嚴格控制與其他人員的接觸，并要使用針對個人的衛(wèi)生試劑;火箭發(fā)射前還要對航天器進行消毒;飛行中更是嚴格監(jiān)控微生物濃度，并定期使用抗菌措施清理環(huán)境。

國際空間站內(nèi)的生活場景（圖片來源/NASA）

而在軌飛行期間微生物控制措施主要分為兩大類：一是主動控制，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(nèi)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，航天員使用一種便攜式吸塵器、6種消毒濕巾（消耗型，每次任務(wù)補充）、以及去污劑和擦布等對艙內(nèi)環(huán)境進行清潔消毒。但是，并非艙內(nèi)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(shè)備內(nèi)部，這些部位必需在設(shè)計建造時就采取一些防護措施。第二種措施為被動控制，主要通過優(yōu)化艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計、選擇抗菌防霉材料、對艙內(nèi)表面進行處理等措施，達到抑制微生物生長，防范微生物可能導(dǎo)致的風險。

延伸閱讀

近年來，火星環(huán)境對微生物的作用也被廣泛關(guān)注。2020年是探測火星的時間窗口，包括中國在內(nèi)的多個國家和實體都準備發(fā)射火星探測器。由于火星表面缺少臭氧層，稀薄的大氣對太陽輻射的屏蔽能力極弱，這種環(huán)境與早期地球環(huán)境極為相似，由此科學(xué)家推測早期地球的生命體、火星上曾經(jīng)存在或現(xiàn)存的微生物可能也具有極強的抵抗紫外輻射的能力。因此，揭示地球上的微生物在火星表面環(huán)境的生存與繁衍方式，是尋找火星生命的重要研究途徑之一。但同時，空間微生物，特別是微生物孢子一旦在火星上生存下來，將對未來尋找過去或現(xiàn)存的火星生命造成干擾。航天歷史上，為了不讓地球微生物污染木衛(wèi)二，美國航天局的伽利略號探測器結(jié)束使命后有意安排撞擊木星。

在火星上尋找微生物

科學(xué)家們對空間微生物的重點關(guān)注始終伴隨著航天的發(fā)展，這些肉眼不可見的微生物既能幫助我們更好地認識宇宙，也提醒我們需要更清醒認識其危害從而采取更為科學(xué)的方法保護人類的太空飛行。

（責任編輯 /岳萌 美術(shù)編輯 /張志浩）