太空環(huán)境對細菌的影響及作用機制

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)境對細菌的影響及作用機制

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，一門新興的交叉學科-空間微生物學應運而生。與地球相比，太空環(huán)境具有微重力、強輻射、超低溫、高真空和弱磁場等特殊的環(huán)境因素，這些環(huán)境因素對宇航員和其攜帶的細菌勢必產(chǎn)生影響。為了促進空間微生物學科的發(fā)展，本文對國內(nèi)外關(guān)于太空環(huán)境對細菌的影響及其作用機制進行綜述。

空間微生物學；細菌；太空輻射；微重力

自20世紀60年代開始，國外逐漸開展了太空環(huán)境對細菌表型、代謝和遺傳變異等多方面的實驗研究。近年來隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)也進行了該領(lǐng)域的研究，如本課題組劉長庭等發(fā)現(xiàn)神舟八號飛船搭載的屎腸球菌基因重組介導蛋白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，而且還發(fā)現(xiàn)太空環(huán)境誘導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，一門新興的交叉學科-空間微生物學應運而生，為了促進該學科的發(fā)展，本文在對太空環(huán)境對細菌的影響因素及作用機制進行闡述。

1 太空輻射及對細菌的影響

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，特點是能量高，尤其是宇宙線重核粒子(HZE)具有極強的殺傷力，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)時間從幾分鐘到幾天，主要成分是質(zhì)子，對航天員造成較大威脅，但具有隨機性，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。

太空輻射對微生物的危害主要是引起DNA變異。其中太空粒子流對細菌等生物的生物學效應與細胞核酸物質(zhì)直接吸收粒子流能量或因粒子流電離細胞水分子的間接作用有關(guān)，包括細胞染色體畸變、特定基因突變、DNA斷裂，甚至導致細胞死亡等。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，是因為HZE粒子輻射導致了大量的DNA雙鏈斷裂。還有研究發(fā)現(xiàn)HZE粒子導致DNA雙鏈斷裂后細菌會啟動一些修復機制，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，可電離細胞中H2O分子，分解出游離基H+，生成O2-、HO2和H2O2等強氧化基團，進而導致細胞蛋白酶的硫基氧化。紫外線為電磁輻射，可造成DNA鏈相鄰兩個嘧啶發(fā)生共價交聯(lián)，形成嘧啶共聚體，造成胸腺嘧啶變異，進而影響DNA復制，導致細菌等微生物的高致死率[9-10]。1966年美國雙子星4號飛船(Gemini Ⅸ)任務研究發(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的太空因子[1]。

2 太空微重力及對細菌的影響

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分力，使物體具有重量并可使之豎直向下移動，另一個分力是隨地球自轉(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動時，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；當航天器加速上升和減速返回時，正負加速度使航天器處于超重狀態(tài)。太空的探索活動中處于超重狀態(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)提供了一種獨特的環(huán)境，與重力環(huán)境相比，物質(zhì)會出現(xiàn)一系列獨特的物理變化。太空探索和多種地面回旋模擬失重設備為人們研究重力對微生物的影響及作用機制提供了寶貴的科學實驗研究平臺。

研究證實不論微重力還是模擬微重力環(huán)境下培養(yǎng)細菌，均為菌體提供了低剪切力環(huán)境，細菌培養(yǎng)環(huán)境發(fā)生改變，間接地對細菌造成影響，這利于細菌的培養(yǎng)[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)模擬微重力下大腸埃希菌抵抗酸性、熱應力和滲透壓等能力增強，耐藥性也增強，這種變化與RNA聚合酶穩(wěn)定因子的編碼基因rpoS表達有關(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變化。Wilson等[16-17]通過動物實驗證明微重力環(huán)境下鼠傷寒桿菌的毒力增強，發(fā)現(xiàn)鼠傷寒桿菌編碼轉(zhuǎn)錄蛋白、調(diào)節(jié)蛋白、細菌毒力和脂多糖等100多種基因的表達變化，而且認為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在太空飛行對銅綠假單胞菌的多種基因轉(zhuǎn)錄和蛋白表達改變中起了關(guān)鍵作用，而AlgU因子調(diào)節(jié)了抗壓蛋白的表達。Kim等[20]證實太空微重力環(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]也證實模擬微重力環(huán)境下藤黃微球菌的生物被膜形成增強。

但也有研究發(fā)現(xiàn)微重力對細菌影響的結(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菌生長速率較對照組明顯增加；但也有研究認為在微重力環(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胞膜的流動性[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，認為與細菌是否可以游動有關(guān)，因為重力作用不單單局限在細菌上，應該從細菌、培養(yǎng)液、容器和外部環(huán)境等整體層面考慮。微重力環(huán)境下不具有游動性的菌體細胞懸浮于培養(yǎng)液中，營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物相對靜止在細胞周圍，降低了懸浮細胞和其周圍液體間的質(zhì)量傳遞，微重力造成的細胞周圍特殊化學龕環(huán)境造就了細菌的繁殖增快。而具有鞭毛的細菌，其游動性打破了周圍相對靜止的液體環(huán)境，不具有非游動性細菌在微重力環(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的細胞可體驗出太空微重力與地面重力的差別，而絕大多數(shù)細菌的菌體長度＜10 μm，這些細菌個體對微重力作用不敏感是因為菌體體積太小，細胞內(nèi)部密度均勻，重力加速度變化對之引起的震動太過細微，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，銅綠假單胞菌的生長速度較正常對照組增加，但營養(yǎng)成分充足時兩組未見差異。另外太空輻射和微重力相疊加對生物的作用更強，這與微重力環(huán)境下細菌對輻射導致DNA損傷的修復能力下降有關(guān)[30]。隨著分子生物學技術(shù)的發(fā)展和微重力模擬設備的漸趨先進，微重力對細菌影響的研究將越來越深入。

3 太空高真空及對細菌的影響

真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個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，故人們習慣稱之為高真空環(huán)境。

太空真空環(huán)境對細菌的影響主要是引起細胞脫水，太空高真空可造成細胞脫水25% ～ 45%，進而影響細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)太空真空導致枯草桿菌孢子發(fā)生了DNA損傷，其分子機制是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，同時存在非同源末端連接的有效修復途徑，但長時間超強度真空狀態(tài)誘發(fā)的DNA損傷很難修復，導致孢子死亡率增加。有研究發(fā)現(xiàn)同時暴露于真空和紫外線環(huán)境的枯草桿菌孢子DNA損傷更為嚴重，是因為真空脫水作用改變了核酸物質(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，太空探索活動日益增強，加強空間微生物學領(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)境對細菌影響的機制，不僅可以保障航天員的健康，而且可以評價隨航天器返回地球細菌的毒力及耐藥性，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”重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(2014CB744400)；國家自然科學基金項目(81200059)；全軍醫(yī)學科研“十二五”課題重點項目(BWS12J046)；載人航天領(lǐng)域項目(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：細菌耐藥及空間微生物學。Email：zhenhong_chen@hotmail.com

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