來自空間微生物的危害

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(diǎn)，它能對(duì)進(jìn)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(cè)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(dòng)和空間生命探測(cè)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(duì)于航天活動(dòng)中的行星保護(hù)、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(duì)濕度在60%左右，同時(shí)由于空間站空間有限、密閉等特點(diǎn)，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(zhǎng)時(shí)間飛行的空間站，當(dāng)密閉系統(tǒng)艙室內(nèi)的溫度、濕度達(dá)到微生物適宜生長(zhǎng)的水平，就可能會(huì)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(xì)菌和真菌的污染比地面明顯加強(qiáng)。

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(duì)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?yàn)樵O(shè)備運(yùn)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(gè)部分空氣的濕度、溫度及二氧化碳含量等達(dá)到該艙室功能所需范圍，艙室空調(diào)系統(tǒng)必須對(duì)各部分的空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)或通風(fēng)。盡管空間艙室具有良好的通風(fēng)系統(tǒng)，但仍存在一些通風(fēng)不良區(qū)域，比如艙室通風(fēng)管道設(shè)計(jì)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(fēng)不良區(qū)域，一些灰塵和雜物會(huì)逐漸累積，為微生物的生長(zhǎng)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(fēng)不良的區(qū)域容易大量滋生。比如，在國際空間站的一個(gè)節(jié)點(diǎn)艙內(nèi)，由于通風(fēng)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(huì)對(duì)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(shí)，航天員自身的免疫系統(tǒng)功能會(huì)下降，大量繁殖的微生物無疑對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)空氣，如果灰塵沒被空氣凈化系統(tǒng)清除，就會(huì)隨著其他設(shè)備產(chǎn)生的流動(dòng)空氣而擴(kuò)散。艙室內(nèi)空氣中的細(xì)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(fēng)不暢、不易發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)，也是發(fā)生微生物污染的重要部位。有報(bào)道證實(shí)，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(zhǎng)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(shí)，這些微生物生長(zhǎng)繁殖也會(huì)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(hào)空間站服役的15年（1976—1999）中，微生物對(duì)空間站的管道、通信、電纜等儀器設(shè)備造成了嚴(yán)重危害。最新研究表明，國際空間站微生物對(duì)材料設(shè)備的腐蝕程度依舊嚴(yán)重。

大量微生物繁殖也會(huì)使空間站供應(yīng)的飲用水、食品降級(jí)，大大增加了微生物侵入航天員消化系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，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(jī)消毒劑、紫外線殺菌等方式進(jìn)行微生物防護(hù)。因此，采用無機(jī)抗菌材料對(duì)航天材料進(jìn)行抗菌處理是一種無需額外提供電源且相對(duì)安全的處理方式。在無機(jī)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(shí)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(cè)微生物數(shù)量的情況下確保微生物達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。

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(diǎn)

革蘭氏陰性桿菌

另一方面，當(dāng)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(duì)人的毒性限量低、殺菌持效時(shí)間短、需要再補(bǔ)充、味道不好等缺點(diǎn)，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(diǎn)，科學(xué)家們對(duì)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(kuò)增儀和納米孔測(cè)序儀，完成了從微生物樣品制備到基因測(cè)序的完整微生物鑒定流程。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)鑒定國際空間站上的微生物而無需將其帶回地面進(jìn)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(shí)時(shí)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(shí)有助于空間站上其他實(shí)驗(yàn)的開展。

微生物控制有講究

實(shí)際上，航天員本身可能就是最大的微生物來源，因?yàn)樵谒麄兊纳眢w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(yán)格控制與其他人員的接觸，并要使用針對(duì)個(gè)人的衛(wèi)生試劑;火箭發(fā)射前還要對(duì)航天器進(jìn)行消毒;飛行中更是嚴(yán)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(chǎng)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(dòng)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(hào)空間站在軌運(yùn)行期間，每周會(huì)安排一天進(jìn)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(huì)安排4個(gè)小時(shí)進(jìn)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(bǔ)充）、以及去污劑和擦布等對(duì)艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)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(jìn)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(jì)建造時(shí)就采取一些防護(hù)措施。第二種措施為被動(dòng)控制，主要通過優(yōu)化艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)、選擇抗菌防霉材料、對(duì)艙內(nèi)表面進(jìn)行處理等措施，達(dá)到抑制微生物生長(zhǎng)，防范微生物可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

延伸閱讀

近年來，火星環(huán)境對(duì)微生物的作用也被廣泛關(guān)注。2020年是探測(cè)火星的時(shí)間窗口，包括中國在內(nèi)的多個(gè)國家和實(shí)體都準(zhǔn)備發(fā)射火星探測(cè)器。由于火星表面缺少臭氧層，稀薄的大氣對(duì)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(cè)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(qiáng)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(shí)，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(duì)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(hào)探測(cè)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(duì)空間微生物的重點(diǎn)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(rèn)識(shí)宇宙，也提醒我們需要更清醒認(rèn)識(shí)其危害從而采取更為科學(xué)的方法保護(hù)人類的太空飛行。

（責(zé)任編輯 /岳萌 美術(shù)編輯 /張志浩）