載人航天器AIT中心微生物分布特征分析

張?zhí)m濤，魏傳鋒，白梵露

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器為航天員長期駐留創(chuàng)造的良好環(huán)境，同樣也為微生物的滋生提供了有利條件[1]。致病微生物會導(dǎo)致航天員生病；霉菌會腐蝕和降解航天器材料，導(dǎo)致空間站設(shè)備故障。因此，微生物的控制是空間站工程設(shè)計中的一項重要工作[2]。在軌航天器內(nèi)部的微生物主要來源于發(fā)射前的地面環(huán)境，其中航天器總裝測試（assembly, integration and test, AIT）廠房環(huán)境是航天器地面制造過程中密切接觸的環(huán)境。研究 AIT中心的微生物分布特征可以指導(dǎo)后續(xù)的微生物控制相關(guān)設(shè)計[3]。

國外載人航天開展了大量微生物相關(guān)研究，獲取了在軌飛行期間和地面廠房的微生物數(shù)據(jù)。國內(nèi)目前尚無載人航天器廠房中微生物的相關(guān)研究。本文分別對北京、天津、酒泉 AIT中心的廠房空氣中的微生物菌落進行采樣分析和鑒定，旨在了解目前我國地面載人航天器研制過程中微生物控制狀況，并提出必要的控制措施。

1 材料與方法

1.1 主要試劑和儀器

試劑：普通營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基（nutrient agar, NA）；馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基（potato-dextrose agar,PDA）；PCR（polymerase chain reaction）試劑盒。

儀器：JWL-S6型PCR儀；SPX-250BSH-II型恒溫生化培養(yǎng)箱；MJ-160BS-III型霉菌培養(yǎng)箱；溫濕度計。

1.2 采樣方法

采樣時，北京和酒泉 AIT廠房在使用狀態(tài)，有航天器，有總裝測試人員；天津 AIT廠房未在使用狀態(tài)，無航天器，無總裝測試人員。

分別在北京、天津、酒泉AIT中心選取以下3個位置的地點進行采樣：1）距離廠房風(fēng)淋門5 m，靠近墻壁內(nèi)表面的位置；2）距離廠房風(fēng)淋門 15 m的中央位置；3）距離廠房內(nèi)航天器中心5 m的區(qū)域。

采用撞擊法，利用安德森采樣器，分別采集北京、天津、酒泉AIT廠房中3個不同采樣點空氣中的細菌和真菌，采樣流量為28.3 L/min，采樣時間10 min[4]；采樣時，將溫濕度計放置于采樣器旁，監(jiān)測采樣點周圍的溫濕度。

1.3 菌種培養(yǎng)和計算

將采集后的NA平板置于(36±1)℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h；將采集后的PDA平板置于(28±1)℃恒溫箱中培養(yǎng)7 d，之后分別進行細菌和真菌菌落計數(shù)[5]。

1.4 種屬鑒定

采用平板劃線法在培養(yǎng)后的平板中挑取不同形態(tài)菌落，劃線分離、純化。

采用細菌基因組DNA提取試劑盒提取細菌基因組DNA；采用植物基因組DNA提取試劑盒提取真菌基因組 DNA。對提取的基因組 DNA進行16SrDNA的序列擴增，引物和反應(yīng)條件如下：

細菌 PCR 引物：上游：5’ AGAGTTTGATCCT GGCTCAG 3’；下游：5’ AAGGAGGTGATCCAG CCGCA 3’。

真菌PCR引物：上游：5’-GGAAGTAAAAGTCG TAACAAGG-3’；下游： 5’-TCCTCCGCTTATTGATAT GC-3’。

PCR條件：94 ℃、3 min預(yù)變性；94 ℃、30 s變性，55 ℃、30 s退火，72 ℃、45 s延伸，共33個循環(huán)；72 ℃，5 min延伸。

PCR產(chǎn)物送北京博邁德測序公司進行測序，測序結(jié)果通過NCBI（National Center for Biotechnology Information）網(wǎng)站進行序列分析。

1.5 統(tǒng)計分析方法

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，實驗數(shù)據(jù)均以±s表示，不同組間比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果及分析

2.1 AIT中心微生物菌落數(shù)檢測結(jié)果

3個不同地區(qū)AIT廠房菌落數(shù)（colony forming units, CFU）檢測結(jié)果具體數(shù)值見表1，柱狀示意圖見圖1。

圖1 不同AIT中心空氣菌落數(shù)檢測結(jié)果Fig. 1 The concentrations of airborne microbes in different AIT centers

3個不同AIT廠房菌落數(shù)比較，北京AIT中心的菌落以細菌為主，細菌水平顯著高于其他地區(qū)AIT（P＜0.05）；天津AIT中心的菌落以真菌為主，真菌水平顯著高于其他地區(qū)AIT（P＜0.05）；酒泉AIT中心的總菌數(shù)在3個地區(qū)中最少（P＜0.05），且細菌和真菌所占比例基本持平。這種現(xiàn)象可能與以下因素有關(guān)：

1）與人員管理相關(guān)。人體外表攜帶的菌種多數(shù)為細菌，有研究顯示，人員數(shù)量與環(huán)境中的細菌水平呈現(xiàn)正比例關(guān)系[6]。在北京AIT中心主要進行飛行器的前期總裝測試，人員數(shù)量較多，這可能是導(dǎo)致北京AIT中心細菌數(shù)量明顯偏高的主要原因。與之相反，天津 AIT中心尚未投入使用，人員相對較少，因而該中心細菌水平在3個地區(qū)中最低。

2）與氣候條件相關(guān)。每個地區(qū)的氣候條件直接決定了本地區(qū)的菌落種類分布。天津AIT中心位于天津濱海新區(qū)，屬沿海地區(qū)，周圍氣候條件常年較為潮濕，適合真菌生長[6-7]。本研究中采樣時相對濕度為 50.3%，高于其他 2個地區(qū)，這可能是天津AIT中心真菌水平顯著高于其他AIT中心的主要原因。而酒泉AIT中心作為3個中心中最靠近西部沙化環(huán)境的地區(qū)，因?qū)俚湫偷膬?nèi)陸沙漠氣候，全年干燥少雨[8]，本研究中采樣時的相對濕度為 32.7%，因此其真菌水平顯著低于其他AIT中心。

3）與廠房設(shè)計相關(guān)。AIT廠房作為航天器總裝測試廠房，潔凈度為ISO 8級（原10萬級）[9]；早期飛行器均為短期飛行，微生物問題并未在型號任務(wù)中顯現(xiàn)出來。因此，前期型號研制中未開展廠房微生物控制設(shè)計工作，缺乏更衣間設(shè)置，未制定人員廠房內(nèi)操作規(guī)范，未設(shè)置專門參觀通道等，這些缺陷均增加了引入外界微生物的可能性[10]。

表1 不同AIT中心菌落數(shù)檢測結(jié)果Table 1 The concentrations of airborne microbes in different AIT centers

2.2 AIT中心微生物菌種鑒定結(jié)果

對3個AIT中心微生物菌種的鑒定結(jié)果見表2。其中，北京AIT中心測試廠房空氣采樣共分離出24株細菌和2株真菌。天津AIT中心測試廠房空氣采樣共分離出3株細菌和15株真菌。酒泉AIT中心測試廠房空氣中共分離出15株細菌和15株真菌。

從3個AIT中心菌種類別分析比較可以看出，北京AIT中心的優(yōu)勢細菌為微球菌屬和葡萄球菌屬等細菌，優(yōu)勢真菌為白假絲酵母菌；天津AIT中心的優(yōu)勢細菌為芽胞桿菌屬，優(yōu)勢真菌為曲霉屬和青霉屬等；酒泉AIT中心的優(yōu)勢細菌為芽胞桿菌屬和葡萄球菌屬，優(yōu)勢真菌為曲霉屬和球毛殼霉。

北京 AIT中心的優(yōu)勢菌為室外空氣中的常見細菌菌種，多數(shù)來自室外空氣和土壤，這與方志國等人[7]的研究發(fā)現(xiàn)一致。北京AIT中心沒有對工作服和工作鞋進行統(tǒng)一管理，工作人員進出廠房時，個人攜帶工作服和工作鞋等，又缺乏定期消毒措施，不可避免會導(dǎo)致外界環(huán)境中的細菌被帶入到廠房內(nèi)部，造成廠房污染。廠房內(nèi)的優(yōu)勢真菌白假絲酵母菌主要寄生在人體體表，也是由于大量工作人員進入廠房內(nèi)，但缺乏充分潔凈處理造成的。

天津 AIT中心的優(yōu)勢真菌主要為對濕度要求較高的霉菌類，這與該地區(qū)的潮濕氣候條件直接相關(guān)[11]。霉菌屬于真菌中常見的種屬，一般需要在50%以上的相對濕度環(huán)境才會生長，低于該濕度則處于孢子狀態(tài)，且耐旱能力較強。天津 AIT廠房內(nèi)的相對濕度達到50.3%，這可能是導(dǎo)致天津AIT中心優(yōu)勢菌為霉菌類的主要原因。而優(yōu)勢細菌枯草芽胞桿菌，則考慮是廠房建造時由外界引入的，加上廠房尚未投入使用，廠房內(nèi)清潔工作不到位。

表2 不同AIT中心微生物菌種分布情況Table 2 The distributions of airborne microbes in different AIT centers

酒泉 AIT中心的優(yōu)勢細菌芽胞桿菌屬，是在特殊惡劣環(huán)境下能夠生成芽胞休眠體的一類細菌，此類細菌的耐熱性、耐寒性、耐旱性均較其他常見細菌強，能夠適應(yīng)極端條件，有較強的抵抗力。酒泉地區(qū)常年早晚溫差大，相對濕度較低，較適宜耐高溫、耐低濕的芽胞桿菌屬等菌種的生存[12]。酒泉AIT中心的優(yōu)勢真菌為曲霉屬和球毛殼霉，但真菌總數(shù)顯著低于天津 AIT中心，可能是由于酒泉地區(qū)的低濕環(huán)境使得真菌多數(shù)僅存在處于孢子休眠狀態(tài)，未能萌發(fā)生長所致。

3 結(jié)論與建議

從3個AIT中心檢測數(shù)據(jù)可以看出，不同AIT中心的菌落數(shù)量和菌種類別都表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異。北京 AIT中心細菌水平較高，且優(yōu)勢菌為室外常見菌種；天津 AIT中心真菌水平較高，且優(yōu)勢菌為喜濕的霉菌；而酒泉 AIT中心總菌數(shù)水平較低，優(yōu)勢菌為耐極端條件強的菌種。而 AIT中心中微生物的出現(xiàn)主要緣于：1）人員進出廠房流程控制不嚴(yán)；2）廠房清潔工作不到位；3）廠房設(shè)計缺乏針對性消毒措施。這些因素在未來我國空間站的 AIT中心設(shè)計、建設(shè)和使用過程中必須采取措施加以控制。具體建議如下：

1）AIT中心設(shè)計。廠房設(shè)計要嚴(yán)格遵循潔凈廠房設(shè)計規(guī)范，潔凈度達到ISO 8級；廠房中設(shè)置二次更衣間，并嚴(yán)格控制更衣間的微生物水平；廠房內(nèi)設(shè)置洗消間，用于對日常工作服、工作鞋和工作帽的清潔；廠房內(nèi)設(shè)置獨立的更衣間和參觀通道，防止參觀人員污染工作人員更衣間和工作環(huán)境。

2）人員管理控制。制定人員進出廠房流程和人員進艙操作規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)，加強人員進廠房前和操作前的自身清潔管理，如操作前的洗手、洗臉、甚至洗澡等；此外，工作服、工作鞋和工作帽等也要進行統(tǒng)一管理，定期消毒處理。這是所有控制措施中最重要的一個環(huán)節(jié)。

3）全流程閉環(huán)控制。在未來我國空間站研制中，需針對AIT的每個環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的控制措施。產(chǎn)品存放時，加蓋無塵布；產(chǎn)品裝器前，采用對產(chǎn)品無危害的消毒劑進行表面擦拭；產(chǎn)品裝器時，人員戴手套操作（當(dāng)精細操作或戴手套無法完成時，在手部涂抹免洗消毒液）；裝器完成后，對整艙進行表面擦拭和氣體置換，然后封艙等待發(fā)射。

綜上所述，不同 AIT中心的微生物分布特征表明了目前地面載人航天器研制過程中微生物控制的不足之處。在 AIT過程中采取全面有效的微生物控制措施，是保證我國未來空間站在軌長期安全可靠運行的重要一環(huán)。

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