細(xì)菌生物膜對(duì)航天器材料的危害及其防護(hù)簡(jiǎn)述

王大鵬，郭英華，劉 源，齊 欣，蘇曉磊，王俊峰，劉長(zhǎng)庭*

（1. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院 第二醫(yī)學(xué)中心，北京 100853； 2. 中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院，三亞 572000）

0 引言

近20 年來(lái)，細(xì)菌生物膜一直被認(rèn)為是太空飛行過程中航天器材料腐蝕持續(xù)存在的關(guān)鍵因素?？臻g環(huán)境中微重力、溫度交變和粒子輻射等因素可誘導(dǎo)細(xì)菌的生物學(xué)性狀發(fā)生改變，使得細(xì)菌的DNA 損傷修復(fù)能力下降、耐藥性增加和生物膜形成能力增強(qiáng)等，其中細(xì)菌生物膜形成能力增強(qiáng)對(duì)航天器材料的危害是目前的研究熱點(diǎn)之一。細(xì)菌生長(zhǎng)及代謝會(huì)在航天器材料表面形成生物膜，促成了對(duì)材料的腐蝕。研究表明：空間微重力環(huán)境會(huì)促使銅綠假單胞菌的生物被膜生長(zhǎng)速率加快，使大腸桿菌生物被膜的厚度增加；在空間環(huán)境下細(xì)菌生物膜厚度的增加可能與細(xì)菌胞外聚合物增多有關(guān)，而胞外聚合物可影響細(xì)菌生物膜的厚度和穩(wěn)定性。材料表面的細(xì)菌生物膜同時(shí)也是抗菌劑的天然屏障，可產(chǎn)生抗腐蝕阻抗效應(yīng)。生物膜中細(xì)菌的形態(tài)和生理作用均與浮游細(xì)菌不同，并且細(xì)菌生物膜對(duì)消毒劑的耐受性通常高出浮游細(xì)菌幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這是細(xì)菌生物膜危害性更強(qiáng)的主要原因。

細(xì)菌本質(zhì)上都是水生生物，存活的環(huán)境需要有液態(tài)水。細(xì)菌生物膜是細(xì)菌正常生長(zhǎng)周期的一部分，存在于多糖、細(xì)胞外基質(zhì)中。細(xì)菌生物膜的產(chǎn)生受到RpoS 基因編碼的產(chǎn)物σs 控制，細(xì)菌生物膜的相關(guān)信號(hào)分子一旦被激活，生物膜的形成和增厚過程就可能加快。航天器內(nèi)細(xì)菌生物膜的產(chǎn)生通常與水凈化系統(tǒng)和熱交換器有關(guān)，并可能通過儲(chǔ)箱中的冷凝系統(tǒng)污染或腐蝕存儲(chǔ)設(shè)施。 空間站中濕度及溫度等環(huán)境條件適宜，有利于細(xì)菌的迅速繁殖和生物膜的形成?！昂推教?hào)”空間站以及國(guó)際空間站都面臨細(xì)菌生物膜堆積帶來(lái)的工程挑戰(zhàn)。細(xì)菌生物膜不僅會(huì)腐蝕航天器設(shè)備材料，還可能會(huì)引起航天員的宿主免疫反應(yīng)受損，被感染的機(jī)會(huì)增加，從而威脅航天員健康。因此，了解細(xì)菌生物膜的形成機(jī)制并采取有效的監(jiān)控及防護(hù)措施有重要意義。

本文綜述細(xì)菌生物膜的形成機(jī)制以及可能對(duì)航天器材料造成的危害，給出細(xì)菌生物膜的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法，重點(diǎn)關(guān)注空間環(huán)境下細(xì)菌生物膜對(duì)航天器材料腐蝕相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 細(xì)菌生物膜的結(jié)構(gòu)與形成機(jī)制

細(xì)菌生物膜是細(xì)菌被包裹在其自身分泌的多聚物等物質(zhì)中所形成的膜狀細(xì)菌群體，是細(xì)菌抵抗外界復(fù)雜環(huán)境的一種自我保護(hù)形式。細(xì)菌生物膜是有三維結(jié)構(gòu)的細(xì)菌細(xì)胞群體（見圖1），主要成分為細(xì)菌細(xì)胞和細(xì)菌分泌的胞外聚合物（EPS），包括胞外多糖、蛋白質(zhì)及各類酶等。其中，胞外多糖猶如一個(gè)框架，維持細(xì)菌生物膜的完整性，支持菌體細(xì)胞、菌體之間互相黏連附著在框架表面，并支持細(xì)菌之間借助框架相互交流信息。細(xì)菌生物膜的結(jié)構(gòu)具有不同一性，這是因?yàn)榧?xì)菌所處微環(huán)境不同，導(dǎo)致相同的細(xì)菌其基因表達(dá)不同。因此，不同細(xì)菌或同種細(xì)菌所處環(huán)境不同時(shí)形成的細(xì)菌生物膜也會(huì)存在結(jié)構(gòu)差異。盡管人們做了很多關(guān)于細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)方面的研究，但對(duì)其結(jié)構(gòu)的變化仍不十分清楚。

圖1 細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)Fig. 1 The structure of biofilm

細(xì)菌生物膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，總的來(lái)說要經(jīng)歷黏附、發(fā)展和成熟3 個(gè)階段。在黏附階段，細(xì)菌缺乏成熟生物膜結(jié)構(gòu)保護(hù)，抗逆性不強(qiáng)。黏附對(duì)于細(xì)菌生物膜的形成尤為重要，因此在此階段更容易限制細(xì)菌生物膜的形成。發(fā)展階段是眾多浮游菌落形成進(jìn)而連接成大的擴(kuò)散性結(jié)構(gòu)的過程（見圖2）。當(dāng)浮游菌落擴(kuò)大到一定程度，細(xì)菌生物膜就進(jìn)入了成熟階段。該階段涉及多種信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控過程，需要多種遺傳因子參與。已發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌生物膜成熟過程中有大量的胞外多糖產(chǎn)生，這說明介導(dǎo)成熟階段菌體聚集的黏附因子可能是胞外多糖。黏附是生物膜形成的開始，但主動(dòng)擴(kuò)散不是終點(diǎn)，而是下一輪生物膜形成的開始。

圖2 生物膜形成機(jī)制Fig. 2 The formation process of biofilm

2 細(xì)菌生物膜對(duì)航天器材料的危害

細(xì)菌生物膜主要作用于航天器材料界面，對(duì)其造成腐蝕，腐蝕程度由界面的理化因素決定，如氧氣和鹽的含量、pH 值、氧化還原電位和電阻等，這些因素都受到生長(zhǎng)于界面上的細(xì)菌的影響，即細(xì)菌腐蝕——腐蝕體系中存在的與細(xì)菌作用有關(guān)的金屬腐蝕。細(xì)菌之所以參與腐蝕過程，是由細(xì)菌自身的特點(diǎn)決定的。細(xì)菌的生長(zhǎng)需要水、電子供體和受體、能量和碳源等。對(duì)于金屬材料而言，由于細(xì)菌新陳代謝，在金屬表面形成的膜電阻發(fā)生了變化，創(chuàng)造膜內(nèi)腐蝕環(huán)境。根據(jù)呼吸底物和電子受體的不同，可將腐蝕金屬的微生物進(jìn)行分類，如硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵細(xì)菌、錳細(xì)菌，以及產(chǎn)生有機(jī)物和胞外多聚物/薄膜的細(xì)菌。這些細(xì)菌常常共存于自然發(fā)生的細(xì)菌生物膜中，協(xié)同啟動(dòng)并影響到金屬材料的電化學(xué)過程。細(xì)菌生物膜的胞外基質(zhì)成分含有95%～97%的水，提供細(xì)菌群落穩(wěn)定的生存環(huán)境，在生態(tài)環(huán)境中占優(yōu)勢(shì)地位。細(xì)菌生物膜的存活方式是一個(gè)永無(wú)止境的循環(huán)，在這一動(dòng)態(tài)過程中，特定的酶參與了細(xì)菌生物膜的降解和重構(gòu)，不僅導(dǎo)致部分基質(zhì)降解，還導(dǎo)致生物膜的主動(dòng)擴(kuò)散和隨后的表面再聚集。這預(yù)示了細(xì)菌生物膜的持續(xù)再循環(huán)賦予細(xì)菌適應(yīng)各種極端環(huán)境的能力。因此，空間環(huán)境下航天器材料表面的細(xì)菌生物膜一旦形成，造成的腐蝕也會(huì)進(jìn)一步加快，大大縮短其使用壽命。

3 細(xì)菌生物膜的主要檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法

材料表面典型的細(xì)菌生物膜通常具有薄層、黏液狀、柔軟濕潤(rùn)、散發(fā)有機(jī)物味道和色澤變深等特征，但如果與腐蝕產(chǎn)物、碳水化合物及抗腐蝕物質(zhì)吸附在一起，這些典型的特征就很難辨認(rèn)。因此，能否精確檢測(cè)出是否存在細(xì)菌生物膜十分重要。排除存在細(xì)菌生物膜的基本條件包括：材料表面工作溫度超過80 ℃；表面干燥，不產(chǎn)生任何水汽；不存在有機(jī)/無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物；定期采用有效防污措施的部位。

對(duì)細(xì)菌生物膜的評(píng)估，一般采用定量或定性的方法。細(xì)菌生物膜（半）定量檢測(cè)方法分為直接方法和間接方法。直接方法包括通過平板計(jì)數(shù)活細(xì)胞（菌落形成單位，CFU 計(jì)數(shù)）、流式的細(xì)胞計(jì)數(shù)，或可能使用熒光染料的光學(xué)和熒光顯微鏡。間接方法包括結(jié)晶紫染色、dry mass 染色或resazurin 染色。對(duì)于細(xì)菌生物膜的定性分析，掃描電子顯微鏡（SEM）和共焦激光掃描顯微鏡（CLSM）通常是首選，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)菌生物膜結(jié)構(gòu)的放大化和可視化。另外，DNA 測(cè)序技術(shù)可以直接評(píng)估細(xì)菌生物膜的特性：對(duì)特定環(huán)境中提取的核酸進(jìn)行測(cè)序，通過獲得的DNA 序列可知有關(guān)細(xì)菌生物膜的特性以及他們?nèi)绾闻c其他已知細(xì)菌發(fā)出信息，同時(shí)也可以通過分子測(cè)定追溯到污染源。雖然細(xì)菌生物膜的評(píng)估方法有很多種，如果只選擇一種方法則結(jié)果會(huì)有一定的偏差。因此，為避免出現(xiàn)誤導(dǎo)性結(jié)果，建議至少使用兩種評(píng)估方法。評(píng)估方法的合理選擇和優(yōu)化，對(duì)于細(xì)菌生物膜的精確評(píng)估、其形成及形態(tài)變化的分析，以及可對(duì)抗細(xì)菌生物膜材料的選擇有非常重要的意義。

4 空間環(huán)境細(xì)菌生物膜的防控策略

對(duì)于空間環(huán)境下細(xì)菌生物膜的消殺措施主要有物理殺菌、化學(xué)殺菌和生物控制法。物理方法包括紫外線和電磁場(chǎng)殺菌方法：紫外線波長(zhǎng)較短，可殺滅細(xì)菌且對(duì)細(xì)菌繁殖、生長(zhǎng)等有抑制作用；電磁場(chǎng)殺菌是利用電磁場(chǎng)使細(xì)菌細(xì)胞中的原生質(zhì)產(chǎn)生劇烈振蕩，影響細(xì)胞的正常代謝，從而殺滅細(xì)菌?；瘜W(xué)殺菌方法是指使用氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑來(lái)殺滅細(xì)菌。氧化殺菌劑通過與細(xì)菌體內(nèi)代謝酶發(fā)生氧化作用來(lái)降低微生物活性，使得酶被破壞，從而抑制微生物的繁殖，其中最具代表性的強(qiáng)氧化劑是臭氧，其對(duì)于密閉環(huán)境中水系統(tǒng)的殺菌處理效果尤為明顯；非氧化性殺菌劑是以致毒劑的方式作用于微生物的特殊部位，從而破壞微生物的細(xì)胞，達(dá)到殺菌效果。生物控制法是目前非常有前景的防護(hù)措施，主要是采用噬菌體殺菌。噬菌體是一種病毒，可寄生在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，其殺菌原理可能是通過其兩性多肽結(jié)構(gòu)增加細(xì)菌外膜通透性，輔助酶解催化域進(jìn)入其中降解肽聚糖，使得細(xì)菌不易在表面定植形成生物膜。

在太空飛行背景下使用消殺策略，有兩個(gè)問題需要解決：一是質(zhì)量限制措施使得配備的殺菌劑都是高濃度的，如何使其可方便地在低濃度下使用；另外是對(duì)殺菌劑的使用，尤其是臭氧，作為氣態(tài)和揮發(fā)性化合物的代表，不僅需要考慮其對(duì)設(shè)備的殺菌效果，還要兼顧其對(duì)航天員安全的影響。

針對(duì)空間站等密閉艙室，開發(fā)和實(shí)施一種改進(jìn)的細(xì)菌生物膜控制方法是目前研究重點(diǎn)。國(guó)際空間站系統(tǒng)在運(yùn)行初始就控制住了水循環(huán)系統(tǒng)的生物膜生長(zhǎng)，而不是試圖通過破壞或分離現(xiàn)有生物膜來(lái)重新控制。雖然已確定大部分生物膜問題是與航天器水循環(huán)系統(tǒng)組件有關(guān)，但有部分研究認(rèn)為也可能是微生物在易于冷凝或吸收水的表面上生長(zhǎng)引起的，也就是說在航天器密閉艙內(nèi)一些表面易積水的材料上容易形成生物膜。為此有學(xué)者提出一種假設(shè)的防控策略——將具有揮發(fā)性的有機(jī)化合物凝結(jié)到容易積水的材料上來(lái)控制生物膜的生長(zhǎng)。因此，評(píng)估、預(yù)防或清除水分聚集，可以控制細(xì)菌生物膜的形成。

研究表明，細(xì)菌生物膜對(duì)單一的化合物有潛在的耐藥性及抵抗性，這可采用多種化合物的相容性策略來(lái)緩解。因此對(duì)于航天器密閉艙內(nèi)的設(shè)備，通過制作多種化合物合成的材料來(lái)降低細(xì)菌生物膜對(duì)設(shè)備及材料的腐蝕或是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

設(shè)備表面使用涂料可以控制生物膜的形成，減少生物腐蝕。目前對(duì)于空間環(huán)境下航天器設(shè)備與材料的細(xì)菌生物膜控制研究更多集中于潤(rùn)滑劑在設(shè)備材料表面的應(yīng)用。潤(rùn)滑劑具有兩種修飾結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅可以減少初始細(xì)菌的黏附，干擾表面的運(yùn)動(dòng)，還可以提高材料磨損表面的修復(fù)功能，增加材料表面的光潔度，尤為重要的是潤(rùn)滑劑通常不與含有微生物的液體結(jié)合。潤(rùn)滑劑在生物膜預(yù)防方面已顯示出廣闊前景，但目前的技術(shù)僅局限于在涂層中加入潤(rùn)滑劑來(lái)抑制化合物的釋放，而使用涂層技術(shù)所面臨的主要問題包括需要保持長(zhǎng)期有效性以及飲用水中所釋放的化合物的毒性問題，同時(shí)還需要兼顧到涂層材料與潤(rùn)滑劑的相容性。

細(xì)菌生物膜在不同環(huán)境中生長(zhǎng)代謝不同。環(huán)境中多種細(xì)菌生物膜相互作用的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致即使是同一種細(xì)菌生物膜也會(huì)出現(xiàn)對(duì)于同種材料的腐蝕行為不同。因此實(shí)際情況往往是幾種傳導(dǎo)途徑以不同的方式在腐蝕過程中共同起作用。這與代謝物所處的地點(diǎn)或周圍的環(huán)境條件密切相關(guān)。實(shí)際上，代謝互補(bǔ)在細(xì)菌生物膜的腐蝕過程中起著重要作用。例如，在缺氧環(huán)境下所發(fā)生腐蝕過程，就是由于發(fā)酵細(xì)菌和與嗜熱類δ 蛋白細(xì)菌一起的合成氫而引起的腐蝕（如圖3 所示）。在空間環(huán)境下，腐蝕性細(xì)菌形成的生物膜加快了腐蝕的發(fā)生。研究表明，細(xì)菌產(chǎn)生的EPS 可以在生物膜中保持較高的滲透壓，從而增強(qiáng)生物膜吸收外界養(yǎng)分的能力，驅(qū)動(dòng)生物膜擴(kuò)張。 因此，如何調(diào)節(jié)生物膜的滲透壓以控制有害生物膜的形成，同時(shí)增強(qiáng)有益生物膜的形成，應(yīng)成為航天器材料細(xì)菌生物膜腐蝕的控制策略之一，這也可能是未來(lái)新的研究重點(diǎn)。

圖3 金屬表面生物膜作用的描述模型Fig. 3 Descriptive model of biofilm acted on metal surface

5 總結(jié)與建議

隨著載人航天技術(shù)的飛速發(fā)展，空間載人密閉艙室內(nèi)由細(xì)菌生物膜引起的材料腐蝕問題越來(lái)越受到重視。深入研究細(xì)菌生物膜對(duì)航天器內(nèi)部材料的生物腐蝕機(jī)制，探索航天器在長(zhǎng)期空間飛行下的細(xì)菌生物膜的防控技術(shù)，有助于保障航天器的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，是載人航天的重大課題之一。細(xì)菌生物膜引起的污染或腐蝕可能與以下因素密切相關(guān)：航天器材料表面的化學(xué)成分，細(xì)菌生物膜固有的生物降解傾向，細(xì)菌生物膜與可能最終加速生物腐蝕過程的細(xì)菌的接觸。雖然CLSM、DNA 測(cè)序等技術(shù)為細(xì)菌生物膜的評(píng)估鑒別提供了高效的路徑，但是細(xì)菌生物膜引起的腐蝕問題仍是現(xiàn)階段研究難點(diǎn)之一。因此，針對(duì)細(xì)菌生物膜特點(diǎn)設(shè)計(jì)抗膜策略，可為防護(hù)細(xì)菌生物膜引發(fā)的航天器材料的腐蝕提供有效手段。

生物腐蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，關(guān)于細(xì)菌生物膜的形成機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。清楚地了解細(xì)菌生物膜形成過程的細(xì)節(jié)及其信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，有助于開發(fā)小分子、肽或蛋白質(zhì)抑制劑，以產(chǎn)生特殊的抗生物膜作用。通過設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)修飾的合成衍生物，可以開發(fā)更有效的抑制劑或改變應(yīng)用方法，實(shí)現(xiàn)有害生物膜的快速消除。綜合細(xì)菌生物膜的防控策略，主要有以下3 種：1）改變易感表面的特性以防止生物膜形成；2） 調(diào)節(jié)信號(hào)通路以抑制生物膜的形成；3） 施加外力以消除生物膜。未來(lái)對(duì)細(xì)菌生物膜控制的研究可能需要多學(xué)科、多專業(yè)協(xié)同開展，以探索更有效的細(xì)菌生物膜的預(yù)防、抑制和根除策略。