空间腐蚀微生物研究意义与目标

    一、空间微生物腐蚀研究的意义

    载人航天是人类认识宇宙、拓展生存空间和开发太空资源的伟大实践。载人航天技术是现代科学技术革命的重要领域之一，它的发展对人类社会生产生活产生了深远影响。空间站是一种在近地轨道长时间运行，可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器，是人类科学研究和开发太空资源、建立太空基地迈出的第一步，可以为人类提供一个长期在太空轨道上进行空间观测、地球遥感、天文观测和生物医学实验的机会。 因此，有效保障航天器的长期安全运行、延长在轨使用寿命，是我国载人航天事业实现跨越式发展的重大课题。其中，环境控制与生命保障系统是载人航天器和航天员的安全保障。但是，国外载人航天器在轨经验和国内地面研究的初步结果表明，微生物会严重威胁航天员健康和平台设备安全。我国在该领域的研究尚处于初级阶段，亟待开展空间环境下微生物腐蚀机理研究，深化对微生物风险的认识和专业技术储备，探索更加有效的载人航天器微生物综合控制措施，为载人航天器的研制和运营提供技术支撑。 2、实践证明微生物（腐蚀）严重威胁航天员健康和平台设备安全 航天器内的微生物安全的防护主要是针对由于微生物污染造成的微生物腐蚀（Microbiologically influenced corrosion, MIC）的问题。在地面上微生物几乎是无处不在的，一般健康人体携带有至少10亿个微生物（如细菌、真菌、病毒等），大多数正常存在于人类皮肤、口腔、鼻咽部和胃肠道。尽管载人飞船、航天服、装船产品等经过非常严格的真空消毒，微生物还是不可避免会随着航天员的身体、人体分泌物或航空部件等途径进入航天器。“和平”号运行十余年来空间站内检测到234种微生物。载人航天器密闭环境条件下容易滋生细菌和真菌等微生物，这些微生物能在密闭舱室内的金属或合金材料器件、高分子复合材料、无机非金属等电路板和仪表盘以及宇航服装等材料上形成生物膜，它们的生长繁殖和代谢会腐蚀这些材料，严重威胁空间站的长期在轨运行安全，缩短空间站的服役时间（如图14-2所示）。总之，国外载人航天器在轨经验表明，微生物（腐蚀）会严重威胁航天员健康和平台设备安全。

    图14-2. “和平号”的实践证明微生物（腐蚀）严重威胁航天员健康和平台设备安全。①微生物容易在铝镁合金器件表面形成生物膜并产生明显腐蚀；②微生物腐蚀聚酰亚胺高分子材料和复合材料表面；③微生物腐蚀仪表盘和电路板的绝缘材料，容易引起电路故障；④微生物可能会滋长在宇航服装上，宇航服的侵蚀可能导致气体泄漏等事故，威胁宇航员生命安全。 3、我国亟待开展长期空间环境下微生物腐蚀机理和抗菌材料研究

    图14-3.长期空间环境下微生物腐蚀材料的影响因子、作用机理和材料抗菌性能评价。①离子辐射、原子氧、电磁辐射等可能导致微生物遗传变异；②微重力影响微生物遗传变异；③温湿度影响微生物生长繁殖；④氧气和二氧化碳等气体组分和舱室压力影响微生物种群及其生长；⑤挥发性有机污染物等作为基质促进微生物生长；⑥舱内异味（硫醇等）等污染物作为基质影响微生物生长。材料特性在一定程度上决定微生物腐蚀的机理和控制途径。

    二、空间微生物腐蚀的研究目标

    空间微生物腐蚀的研究需紧密围绕“空间环境下的微生物腐蚀机理及控制方法研究”这一重大科学问题，利用航天器内微生物采集、“神舟”系列飞船搭载微生物，并结合地面模拟研究，明确载人航天器内微生物的分布和种类，并提出适合航天器内的采样方法；针对空间环境胁迫后的微生物，综合运用空间微生物学、材料科学与系统生物学的研究思路与方法，利用核酸分析、经典基因功能研究和生物信息学分析等技术手段，揭示微生物在空间环境作用下的菌种演化变异特性；通过对航天器所用材料进行菌种腐蚀实验等，阐明空间环境影响下微生物的腐蚀机理；获取材料对空间环境下微生物的抗腐蚀性能，设计、改良和构建新的抗腐蚀材料；从物理、化学和生物学角度初步建立空间站材料表面的微生物控制体系。 利用我国发射神舟飞船与目标飞行器的契机，在轨采集目标飞行器舱内的材料表面微生物样本和冷凝水样本，下行后进行菌种鉴定分析。借助“神舟飞船”平台，以空间搭载的腐蚀性微生物为研究对象，研究空间环境对腐蚀菌的作用，特别是观察太空环境下腐蚀菌形态学和腐蚀相关特性的变化；通过地基微重力模拟对照和空间实验相结合，采取基因组学的研究策略，探讨空间环境诱导微生物遗传改变的生物学意义。同时对下行微生物进行腐蚀特性研究。 另一方面需建立地面模拟空间环境微生物腐蚀加速测试平台，考察包括温度、湿度、空气组分、风速和微重力等因素对材料微生物腐蚀速率的影响，获得模拟舱内环境参数。参考相关实验内容的国标和国军标选择模式微生物及其对应的实验材料，针对空间站舱内环境条件，建立符合空间环境条件下的材料微生物腐蚀评价方法。基于以上测试平台和评价方法，利用模式微生物以及下行、搭载微生物等，开展微生物腐蚀实验研究，通过腐蚀失重、电化学、表面形貌和成分分析等方法，测试材料腐蚀速率、材料机械性能变化和材料多尺度结构表征与微生物腐蚀之间的关系，揭示微生物腐蚀材料的机理，总结材料与微生物对应的腐蚀规律。 设计合成有机/无机纳米复合抗腐蚀涂层材料，以及高分子体相抗菌材料，利用以上测试平台和评价方法，测定评价其抗微生物腐蚀性能。按照航天器微生物源通过空气和接触传播分别污染流动相和固定相表面，从微生物源、流动相和固定相等协同控制的方式进行。基于以上微生物腐蚀研究结果、前期研究成果和我国空间站未来运行期间的实际工况，对航天材料选用、产品研制、运输、试验、在轨运行等环节进行分析，提出整体微生物控制策略和关键环节微生物控制的技术和方法。

    空间腐蚀微生物的研究现状及进展

    一、国外研究现状及进展

    早在1891年，Garrett等发现细菌代谢产物引起铅电缆腐蚀，提出了微生物腐蚀的概念。目前，将由于微生物生命活动引起或促进的材料腐蚀现象统称为微生物腐蚀。微生物吸附在材料表面形成生物膜，可使不锈钢、碳钢、铜、铝及其合金、混凝土、高分子材料等遭受严重的腐蚀。这个过程也通常需要营养、水和氧气等多因素参与，为维持微生物存活提供能量、碳源、电子供体、受体和水。 在空间载人密闭舱室中，虽然航天服、装船产品等都要经过严格的消毒，微生物仍会随航天员的身体、人体分泌物或航空部件等途径进入。载人太空舱的密闭环境为大量微生物的生长创造了适宜条件。此外，空间环境具有地面环境中所不具备的一些特殊环境因素，包括微重力、高真空、极度温差、弱磁场和粒子辐射等。在空间特殊环境中，微生物还会产生变异，导致它们对生存环境的要求很低，更加容易生长和繁殖。美国和俄罗斯等国家已经对在“和平号”空间站和国际空间站的微生物污染和微生物腐蚀问题开展了一系列的研究。 。

    图15-1. 利用“和平号”和国际空间站分离菌株对复合纤维（A）和铝镁合金材料（B）的严重腐蚀的电镜照片。

    二、国内研究现状及进展

    中国人民解放军总医院刘长庭教授团队在国内最早的开展了空间微生物相关系列的研究，并取得一定成果。最近与北京航空航天大学、中国人民解放军军事医学科学院微生物流行病研究所、中国航天员科研训练中心等联合开展了“921”载人航天领域预先研究项目-长期空间环境下微生物腐蚀机理研究。借助“神舟”系列飞船平台，以空间搭载的腐蚀性微生物为研究对象，研究了空间环境对腐蚀菌的作用，特别是观察了太空环境下腐蚀菌形态学和腐蚀相关特性的变化；通过地基微重力模拟对照和空间实验相结合，采取基因组学的研究策略，对下行微生物进行了腐蚀特性研究。建立了地面模拟空间环境微生物腐蚀加速测试平台，考察包括温度、湿度、空气组分、风速和微重力等因素对材料微生物腐蚀速率的影响，获得模拟舱内环境参数。针对空间站舱内环境条件，建立了符合空间环境条件下的材料微生物腐蚀评价方法。基于以上测试平台和评价方法，利用模式微生物以及下行、搭载微生物等，开展了微生物腐蚀实验研究，通过腐蚀失重、电化学、表面形貌和成分分析等方法，测试了材料腐蚀速率、材料机械性能变化和材料多尺度结构表征与微生物腐蚀之间的关系，揭示了微生物腐蚀材料的机理，总结了材料与微生物对应的腐蚀初步规律。利用以上测试平台和评价方法，测定评价了目前载人航天器所用材料的抗微生物腐蚀性能。设计合成了有机/无机纳米复合抗腐蚀涂层材料，高分子体相抗菌材料，利用以上测试平台和评价方法，测定评价了其抗微生物腐蚀性能。

    三、小结

    综上所述，关于空间腐蚀微生物的相关研究方兴未艾，随着航天事业的大力发展，未来关于这一领域的研究进展将得到国内外学者们的更大关注；我们也期待我国相关部门针对该领域的研究投入可持续增加，并加强其转化应用，真正服务于我国的航天事业。

    空间腐蚀微生物的腐蚀机理及研究方法

    空间站的地球轨道高度一般在240-450km。处于微重力、高真空和温度交变的空间环境，受到太阳射线、原子氧等侵蚀以及微流星和空间碎片的碰撞。由于空间环境要求苛刻，因而对所用材料的要求也较高。具体包括：高的比刚度和比强度、低的热膨胀系数、优良的导热性、耐火性好、放气少、和原子氧反应小、抗微流星体和空间碎片的性能好、耐辐射性能好等。现在的航空航天领域多采用铝合金、钛合金、不锈钢、工程塑料等材料，具有一定的抗菌性，但是不能抵御长期的微生物侵蚀。目前，主要有两种方法使材料具备微生物抗性。一种是在材料表面做抗性处理，使消毒剂掺人材料，使其具有抗菌性；一种则是在其表面加载具有抗菌特性的膜。

    一、材料的微生物腐蚀机制

    由于各种微生物的生命活动而造成的材料腐蚀过程统称为微生物腐蚀（Microbiologically influenced corrosion，MIC）。微生物腐蚀现象很早便被人们发现并加以描述，到20世纪80年代，研究方法的发展和多样化使得微生物腐蚀机制的研究日益深入。根据材料的不同，可以将微生物腐蚀分为三大类，分别是对金属和合金材料的腐蚀，对有机材料的腐蚀，以及对无机材料的腐蚀。除水泥和石料等无机材料之外，不锈钢、铝和铝合金等金属材料，工程塑料等有机高分子材料均在航空航天领域有很广泛的应用。 习惯上常根据是否有氧气参与了腐蚀过程，将细菌对金属的腐蚀分为厌氧腐蚀和好氧腐蚀，实际上在生物膜与细菌群体之中，多种菌类是共处一起的，好氧腐蚀、厌氧腐蚀往往同时存在、协同作用。

    （一） 好氧菌腐蚀机理

    1.产酸腐蚀：微生物在新陈代谢过程中会产生一些酸性代谢产物，包括各种无机酸和有机酸。在两类酸中尤以无机酸的影响最为显著，这些代谢产物造成了材料表面恶劣的腐蚀环境，从而加剧了金属材料的腐蚀。常见的产酸菌如醋酸梭菌代谢产生醋酸，硫氧化菌氧化环境中的元素硫、硫代硫酸盐和亚硫酸盐等，产生硫酸，使周围环境的pH 值降低。还有氧化铁杆菌，它可以加速金属电化学，使Fe2+氧化成Fe3+形成氧化物沉淀，从而加速钢铁腐蚀的阳极过程。

    2. 形成氧浓差电池：好氧菌腐蚀的重要途径之一，在金属表面产生氧浓差电池。微生物附着处表面的氧相对缺乏而成为阳极，附近表面的氧含量相对较高而成为阴极。EPS 可以阻止腐蚀性阴离子向阳极区扩散，此时，如果微生物呼吸耗氧的速率大于氧气向金属表面扩散的速率，阴极反应的机理就会发生改变，而氧浓度差的存在恰好满足了局部腐蚀的初始条件，使得腐蚀得以发生和发展。

    （二）厌氧菌腐蚀机制

    硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）是微生物腐蚀中最重要的一类细菌，在自然界分布很广。SRB为典型的专性厌氧菌，无氧状态下可将SO42-还原为S2-，从而自身获得能量并繁殖。SRB的腐蚀机制主要有以下4种理论：阴极去极化理论、硫化物诱导阳极溶解、Fe/FeS 微电池和阳极区固定理论等。

    1.阴极去极化理论： Kühr 于1934 年首先提出了硫酸盐还原菌阴极去极化作用，随后Booth 等证实了SRB 细胞中氢化酶的存在。理论认为氢化酶能够利用金属表面产生的氢使SO42-还原为H2S，从而在腐蚀过程中起到阴极去极化的作用，加速腐蚀，如图1所示。该理论有一定的局限性，目前的研究证明腐蚀过程主要由速率步骤控制，且反应具有不可逆性，氢化酶的具体作用机制受到质疑。在后续的研究中又陆续发现了不少新的去极化作用机制，如H2S，FeS 和磷化物等，使去极化剂理论得到发展，不断充实。 图15-1 硫酸盐还原菌氢化酶阴极去极化机理（Kuhr V, Corrosion Science）

    2. 硫化物诱导阳极溶解：硫酸盐还原菌在代谢过程中生成大量的硫化物，恶化腐蚀环境，增加了腐蚀电池的电动势和金属腐蚀的敏感性，腐蚀加速。King 等12发现，在一定范围内，溶液中浓度较高的Fe2 +能提高SRB 的活性，促进其对低碳钢的腐蚀。Kuang 等人的研究也表明，SRB 在对数期和稳定期产生多种含硫化合物，加速了碳钢的阳极溶解，对腐蚀过程起主导作用。

    3. Fe/FeS 微电池作用：SRB 代谢产生的S2-与铁作用生成FeS 吸附在其表面作为阴极，与铁阳极形成腐蚀电池，同时，阴极去极化的析氢反应也能在FeS 表面进行，使腐蚀发生。

    4. 阳极区固定理论：Pope 等人认为大部分微生物都固定在由细菌引起的腐蚀坑周围，这使得腐蚀电池的阳极区得以固定，从而解释为何微生物腐蚀主要以孔蚀为特征。

    （三）几种金属的微生物腐蚀

    不锈钢、铜及其合金、铝及其合金、镍及其合金均在空间密闭飞行器中较为常用，对这些金属材料腐蚀的地面研究目前已较为成熟。

    1. 铁和低碳钢 铁细菌可以将二价铁氧化成三价铁，并以鞘的形式沉淀下来，并与产生的粘液形成铁瘤。由于铁细菌好氧，生成的铁瘤阻碍氧的扩散，铁瘤下的金属经常处于缺氧状态，构成氧浓差电池，从而引起钢铁的腐蚀。此外，铁细菌也可使腐蚀性物质（如FeCl3 与MnCl4）富集而导致腐蚀。 好氧菌对氧的消耗可间接为硫酸盐还原菌提供厌氧条件，而硫酸盐还原菌可使碳钢与低碳钢发生点蚀，并生成黑色硫化铁沉积物。硫氧化菌可把单质硫和其他还原态硫化物氧化成硫酸，从而降低介质的pH 值。排硫杆菌和氧化硫硫杆菌能分别将介质的pH 降到4.73 与1.35 左右，因而具有很强的腐蚀性。其他好氧菌如能产生有机酸，也会产生不同程度的腐蚀作用。

    2. 不锈钢 微生物引起的不锈钢腐蚀是非常严重的，即使含钼量达到4.5%的奥氏体钢（20%Cr，25%Ni，4.5%Mo，1.5%Cu，0.02%C，其余为Fe）也会发生微生物腐蚀。 好氧微生物生长过程消耗氧，释放二氧化碳，从而形成氧浓差电池与碳酸，造成不锈钢腐蚀。有些微生物在生物膜下产生的有机酸对不锈钢具有腐蚀性。其他一些微生物能把亚铁离子氧化成高铁离子，把二价锰离子氧化成四价锰离子，并使Cl-富集而形成酸性的FeCl3 和MnCl4 溶液，使不锈钢产生点蚀或缝隙腐蚀，蚀孔一般产生在铁瘤下面或者几个铁瘤的连接处。 研究发现，微生物引起的不锈钢腐蚀的特征是点蚀，点蚀最常发生在不锈钢的焊件上。微生物有时能使不锈钢的腐蚀从晶间腐蚀开始，并最终由于氯化物的应力腐蚀而破裂。蚀孔与裂痕主要发生在焊缝的热影响区与应力区，靠近腐蚀位置常有不连续的局部沉积物。焊缝处易发生微生物腐蚀是因为表面粗糙度和化学成分的差异促进微生物繁殖。

    3. 铜与铜合金 铜腐蚀产生的铜离子与铜盐具有一定的生物毒性，因而能够一定程度上抑制微生物生长。然而研究发现也存在耐铜离子的微生物，例如氧化硫硫杆菌可在浓度达2%的铜离子溶液里生长。此外还有一些微生物能够逐渐对铜离子产生免疫力。 假单胞菌能够将铜合金在海水里的腐蚀速度提高大约20 倍。那些能使细菌粘附于金属表面的细胞分泌物对液相中的铜离子具有饱和键合作用。能够分泌高活性分泌物的菌落能够与低活性的邻近区域形成浓差电池。铜与铜合金也可被硫酸盐还原菌腐蚀，海水管道中铜镍合金的焊缝区以及热影响区可发生硫酸盐还原菌引起的点蚀和选择性腐蚀。 目前有以下几种解释铜合金腐蚀机理的理论：①微生物生成的腐蚀性代谢产物（如二氧化硫）可作为腐蚀反应的去极化剂、催化剂；②某些微生物产生的腐蚀性物质能腐蚀铜，例如H2S、NH3、有机或无机酸；③微生物分泌大分子物质能捕获金属阳离子并形成离子浓差电池；④微生物产生的黏泥，形成氧浓差电池。

    4. 铝和铝合金 在航空油箱与含盐量不同的水溶液热交换管中，经常发生铝及铝合金的微生物腐蚀。在这些事例中，均发现了微生物引起的点蚀。目前发现细菌中的绿脓杆菌、芽孢梭菌、产气杆菌以及黄曲霉菌、枝孢菌等，其中腐蚀性较强的是枝孢菌，其次为绿脓杆菌。此类微生物的代谢活动能够产生多种有机酸，可使介质pH 值显著降低，氧化还原电位升高，铝合金的点蚀电位也随之降低。 研究认为含铜铝合金有时还会发生晶间腐蚀，原因在于贫铜区与富铜区的更迭能够促进晶界上缝隙状的腐蚀产生。此外，硫酸盐还原菌的生长也能促使铝表面阴极去极化，进而加速铝的腐蚀。微生物造成铝合金腐蚀的几条主要途径：生成腐蚀性化合物；消耗水中的缓蚀剂；形成浓差电池；微生物细胞外酶的活性；阴极去极化作用。

    5. 镍和镍合金 尽管镍合金具有较强的耐微生物腐蚀能力，但仍存在发生严重孔蚀的可能性。某些嗜热菌可使Ni20 发生严重腐蚀。在20~80℃范围内，随着温度的升高，微生物腐蚀会加重。

    （四）高分子材料的微生物腐蚀机制

    微生物在自然界中无处不在，包括物体表面，但是物体附着表面的微生物明显不同于其他浮游态微生物。在适宜的条件下，如微生物的自身性质（种类、培养条件、浓度、活性等）、载体表面性质（表面亲水性、表面负荷、表面化学组成、表面粗糙度等）以及环境条件（pH、离子强度、水流剪切力、温度等），大量微生物附着在材料表面形成一层菌膜，并进一步形成微型生物黏膜，即微生物膜，这种生物膜污染不仅影响材料腐蚀过程，同时也在很大程度上影响了设备的使用性能。 对于高分子而言，膜生物污染过程一般可分为两个阶段：第一阶段是微生物（包括各种细菌和真菌）通过向膜面的传递（可以通过扩散、重力沉降、主体对流）而能动地积累在膜面上形成生物膜。当生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时便是第二阶段——生物污染，几乎所有的天然和合成高分子材料都易于被细菌吸附并在上面生长繁殖，即使是表面自由能很低的憎水性材料也会被大量的细菌所吸附。形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量的细胞外聚物，它们将黏附在膜面上，形成黏度很高的水合凝胶层，进一步增强了污垢与膜的结合力。 高分子材料的微生物腐蚀或降解主要取决于聚合物分子的大小和结构、微生物的种类以及微生物的生活环境条件。对高分子材料丽言，一般可微生物腐蚀的化学结构顺序为：脂肪族酯键、肽键>氨基甲酸酯>脂肪族醚键>亚甲基。另外，相对分子质量大、分子结构排列有规则、疏水性大的聚合物，不利于微生物的生长和定殖。高分子材料微生物腐蚀的优势菌群和降解途径通常由环境温度和湿度等条件决定的，腐蚀性微生物一般可分为好氧型和厌氧型，当有氧条件下，好氧微生物是破坏复杂材料的主要因素，最终产物为微生物生物量、CO 2、H2O等；相反，在缺氧条件下，厌氧共生菌对高分子物质的腐蚀起了关键作用，无氧呼吸的最终电子受体不是氧，其最终产物为微生物生物量、CO2、CH4和H2O（在有甲烷生成条件下）或H2S、CO2和H20（在硫酸还原条件下）。相比厌氧条件下，有氧过程能产生大量能量，可以供微生物生长，并且好氧条件在自然环境很常见，在实验室中也易模拟。目前已知有两类细胞酶参加了高分子材料的腐彬降解：胞外和胞内解聚酶。在降解/腐蚀过程中，微生物胞外酶破坏高分子，产生小短链或更小的分子（如单体、二聚体和低聚物）以至于能通过细菌的半透膜，被细菌作为碳源和能源加以利用，这种就叫解聚作用，当分解产物为无机物质（如CO2、H2O）或CH4则叫矿化作用。高分子的结构越接近天然分子，就越容易被降解和矿化，如纤维素、几丁质和聚口一羟基丁酸酯（PHB），可以完全迅速地被抑氧微生物在自然条件下降解。对于化学合成高分子物质，虽然降解速率极低，但是在特定环境或特殊用途中，由于对微生物敏感性增加从而加速了高分子的微生物FDSD腐蚀。

    （五）几种高分子材料的微生物腐蚀

    1. 航空航天结构复合材料 纤维增强复合材料（FRPCMs）因其高强、轻质等特性，成为航空航天领域中的新宠，开拓应用于军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等航天航空结构材料中。然而出于航天航空飞行及其安全的考虑，迫切需要对其抗生物降解性能作出评价。研究表明，FRPCMs对微生物污染是非常敏感的，从腐蚀的聚合材料中分离出的混合真菌，能够在FRPC-Ms表面形成生物膜，致使材料对环境变化的抵抗力减少。久之就会导致材料的腐蚀。研究发现，有两类微生物可以腐蚀FRPCMs：一类混合细菌包括硫酸还原细菌，另一种是从被腐蚀的高分子材料中分离的真菌聚生体。真菌聚生体包括杂色曲霉（Aspergil1us versicolor）、毛壳霉（Chaetomium sp.）等。虽然细菌和真菌均能够在FRPCMs的石墨纤维中生长，但是仅真菌能够导致腐蚀（接种实验350 d以上）。此外，许多真菌能够利用聚合材料生产过程添加的增塑剂、表面活性剂等物质作为营养物，也是聚合材料可被生物腐蚀的一个重要原因。 运用微生物学方法可以检测到FRCPMs拥有足够的有机碳源以供微生物生长繁殖，但是电化学阻抗谱法（EIS）却更灵敏且检测范围广泛，具有降解特性的活性真菌接种于FRCPMs表面，运用EIS法检测，发现其电阻率明显下降。

    2. 电绝缘聚酰亚胺 聚酰亚胺是一种耐热性极好的聚合物，耐辐射、抗降解、力学性能和电性能突出，广泛用于航空航天、军事、电子等领域，其稳定性的问题已经引起了广泛关注。将从被腐蚀绝缘材料表面分离的真菌接种于聚酰亚胺薄膜和绝缘硅晶片表面，运用EIS方法检测薄膜表面的变化，结果显示它们对真菌腐蚀很敏感，并且聚酰亚胺的介电性能可以由于微生物在其上面的生长彻底改变。聚酰亚胺腐蚀过程可分为两步骤：部分高分子基质中进入了水分和离子导致了涂层抗性的降低，接着由于真菌的活性而导致高分子物质的进一步腐蚀，电阻率大幅度下降。这些真菌包括杂色曲霉（A. versicolor），芽枝状枝孢（Cladosporium cladosporioides）和毛壳霉（Chaetomium sp.）。虽然从被腐蚀的聚酰亚胺中能够分离到某些细菌，但是没有进一步研究证明这些细菌能够腐蚀高分子聚酰亚胺。但是聚酰亚胺的介电性能可以被生长的微生物膜彻底改变。

    3. 苯二甲酸二甲酯及其异构体 3种苯二甲酸二甲酯异构体——邻、间和对苯二甲酸二甲酯（DMP、DMI、DMT）类化合物是世界上生产量大、应用面广的人工合成化合物，主要应用于化学工业作为增塑剂和生产聚酯的原材料。Vega等研究了一个由节杆菌（Arthrobacter sp.）和少动鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas paucimobilis）两种细菌构建的菌群对邻苯二甲酸二甲酯（DMP）的降解能力，发现Arthrobacter sp.能够将DMP转化为邻苯二甲酸单甲酯（MMP），但不能将MMP进一步转化为邻苯二甲酸（PA），但是这个菌株却有PA的降解能力。而另一个菌株少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis）能够将MMP转化为PA，并且能完全降解PA，但是却不能完成DMP到MMP的转化。因此，利用由这两个菌株构建成的菌群能够很好地完全矿化DMP。所以由于结构上的差异，在特定的环境条件下，对苯二甲酸二甲酯和问苯二甲酸二甲酯的完全矿化可能需要2种或者2种以上的菌株合作才能完成，或者是需要添加另外的碳源，依靠细菌特有的共代谢过程进行完全矿化，这种菌株间的协作以及共代谢作用不但能矿化有机物，同时对自然界中细菌的生物多样性及代谢多样性具有重要意义。另外，不同菌源对苯二甲酸酯的降解性能也不同，少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis）是能够降解苯二甲酸的一类非常重要的菌种。 刘长庭等在神舟飞船的返回舱冷凝水中分离到少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis），并完成了菌株的基因组测试分析。空间环境中少动鞘氨醇单胞菌（S. paucimobilis）可能也作为一类重要腐蚀菌对密闭飞行器使用的高分子材料等产生腐蚀作用。

    二、腐蚀微生物的研究方法

    进入20 世纪90 年代，各种表面分析技术（ EDAX，XPS，XRD）、电化学技术（ EIS，EMPA）、微观成像技术（ AFM，ESEM，SECM，SVM）和生物技术（ PCR，16S rRNA）等都被应用到微生物腐蚀领域，在腐蚀界掀起了一股研究热潮。 （一）现代生物学技术 细菌在微生物腐蚀过程中具有极其重要的作用，有关微生物腐蚀的机理研究、腐蚀监控和杀菌剂效果的评定等都需要能及时对影响腐蚀过程的微生物进行检测。多年来，对微生物的检测仍广泛采用传统的培养法，如SRB计数的MPN法等，尽管其使用可靠性高，但操作繁琐、耗时长、工作量大，不易推广使用。目前已报道了多种用于微生物快速检测的新技术，主要包括气相色谱技术、放射测量法、阻抗测量法、微量量热法和生物发光法等物理化学方法，以及放射免疫测定法和酶联免疫吸附测定法等免疫学方法，并将这些技术与计算机结合而发展了多种微生物自动化检测仪器和简易检测系统。这些技术主要应用于微生物分类学、临床医学、食品科学和环境检测等领域。SRB的检测技术从原理上可分为显微镜直接计数法、细菌构成物定量法和代谢物的检测等，这些方法快速、高效，但仍存在一些不足，如显微镜直接计数法无法分辨细菌的死活、ATP测试仪受到检测范围的限制等等。 （二）现代表面分析技术 结合表面原位或非原位的观察来实证表面的腐蚀形貌和腐蚀特征，称为腐蚀图像学。由于具有直观性和实证性，甚至具有获取信息的唯一性，腐蚀图像学使生物膜的观察及厚度测量等成为可能，对腐蚀研究也是极其重要的，并且变得越来越重要。用于腐蚀表观形貌分析的方法包括金相分析、扫描电镜或环境扫描电镜（SEM 或ESEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）等，用于腐蚀产物和表面膜特征分析的有X-射线衍射（X-Ray）、X-射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、傅立叶转换红外光谱（FTIR）等，而荧光显微镜、扫描共聚焦显微镜（CSLM）在微生物研究中发挥着重要作用。 （三）电化学方法 微生物腐蚀本质上是电化学过程，微生物的附着可以改变金属表面的电化学状态，因此可用电化学方法研究微生物腐蚀的详细过程及其腐蚀机制、监测微生物腐蚀的发生和发展。电化学测量方法的目的在于分析研究金属电极在各瞬间表面状况下的电化学行为及其与腐蚀的相互关系。当金属电极表面吸附有微生物时，由于附着不均匀或微生物生命活动如呼吸、新陈代谢、胞外分泌物等引起金属表面状况的变化，必然引起电化学行为的变化。从腐蚀电化学的角度来研究、记录各种腐蚀参数的变化，包括通过电位（自然腐蚀电位、孔蚀电位、电化学噪声电位等）、电流（腐蚀电流密度、稳态与亚稳态孔蚀电流、电化学噪声电流、氢渗透电流等）、电阻（极化电阻等）等信号的变化来反映材料、环境的相互作用机制和特征，统称为腐蚀信号学。 在微生物腐蚀研究中，极化曲线的方法可以：1）判断微生物附着对腐蚀速率的影响。在其它条件完全相同的情况下，初始电位差愈大，其腐蚀电流也愈大。也就是说，如金属的阳极极化较小，当阴极反应及其极化曲线相同时，即金属的平衡电位愈负，腐蚀电流愈大。2）判断微生物腐蚀的控制因素。把腐蚀金属电极的阳极反应和阴极反应的理想极化曲线画在一个坐标系上得到的Evans腐蚀极化图，可用于确定影响腐蚀的控制因素。阻抗谱的方法可以判断微生物附着对腐蚀速率的影响，也判断微生物膜的情况。采用交流阻抗谱方法测试获得一系列数据后，为了便于量化分析，通常需根据一定的物理意义建立相应的等效电路模型，如等效电路模型与测量数据拟合结果能很好的吻合，则可利用电路模型中各电路元件的参数值的变化分析腐蚀的动力学及其机理。在考察微生物对腐蚀的影响机制时，通常采用对比的方法进行，即分别测试研究对象在一定种类微生物溶液中和不含微生物的溶液中的阻抗谱，比较它们的差异，分析微生物对腐蚀的影响。四）模拟微生物膜的方法

    为了很好地理解微生物膜的特性和微生物的活动对材料腐蚀的影响规律，学者们在实验室通过制备特种凝胶建立模拟微生物膜，利用人工生物培养方法增加电极表面细菌数量，开展了各种研究。Roe在低碳钢上沉积细胞外生物高分子（藻酸钙Ca-Alg和琼脂糖）来模拟微生物腐蚀，研究了溶解氧、pH值及电极电位在电极表面的分布情况。王庆飞以含羧酸官能团的 β-D-甘露糖醛酸单元等构成的天然高分子多糖凝胶沉积于电极表面而建立模拟生物膜环境，探讨了模拟海水NaCl溶液中生物膜对10CrMoAl、E2低合金钢和1828不锈钢腐蚀行为的影响。

    细菌生物膜与空间微生物腐蚀

    细菌生物膜是自然环境中细菌对抗外界营养匮乏或应激的重要生存策略，由吸附于固体表面的同质或异质性细菌群体其分泌的胞外多聚物构成，为细菌的定植和繁殖提供生存环境。生物膜广泛存在，且不易清除，目前已发现不少慢性感染的急性发作与生物膜形成密切相关。与此同时，生物膜的形成能力也很大程度上决定了微生物腐蚀发生的进程。生物膜形成增加了细菌在空间，特别是长期空间环境，这一独特环境中的生存能力。在空间密闭环境中，水汽易于凝结在材料表面，造成细菌的附着，进而在材料表面定居和繁殖，而几乎所有的天然和合成高分子材料都易于被细菌吸附，细菌则利用材料及其周围环境中的碳源和能量，在空间站中各类材料或涂层表面形成生物膜。生物膜的形成进一步造成细菌的滋生，一旦对饮水或空气循环系统造成污染，必将严重威胁宇航员健康。此外，细菌生物膜的形成将加速空间站和航天器材料的腐蚀，缩短服役材料的寿命，对空间站运行造成危害。由于胞外基质的存在，生物膜内的细菌对外界环境抵抗力、抗生素和消毒剂抗性增强，给宇航员的长期健康维护和材料表面的微生物控制带来了巨大挑战。

    一、空间密闭环境中细菌生物膜的发现

    在空间载人密闭舱室中，虽然航天服、装船产品等都要经过严格的消毒，微生物仍会随航天员的身体、人体分泌物或航空部件等途径进入。载人太空舱的密闭环境为大量微生物的生长创造了适宜条件。苏联“和平号”空间站内曾检测到108种细菌，自1985年来，多次发现很多细菌甚至包括能引起严重感染的病原菌，在水循环系统中发现了大量生物膜的存在，给宇航员健康带来严重威胁，并严重危害与空气和水直接接触的空间材料完整性。从过去多个NASA任务中都检测到铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等。铜绿假单胞菌可能参与了“和平号”空间站多聚材料的腐蚀降解。在多次太空飞行任务中，空间环境加速铜绿假单胞菌生物膜的形成，与地面对照相比，形成厚厚的伞状生物膜。经过太空飞行后，沙门氏菌可能通过细胞外基质形成增加致使毒力增强。大量地面研究也同样支持此结果，大肠杆菌等多种细菌在模拟微重力条件下生物膜形成能力增加。因此，细菌生物膜的存在将是长期太空任务无可争议的事实。研究人员从空间站带回的小块聚合纤维板观察后发现，细菌和微生物对它的破坏已经相当严重。NASA和俄罗斯宇航局规定：在空间飞行任务中使用的材料应评估其生物膜形成情况才能被采用。因此，深入了解细菌生物膜形成机制，对于制定针对性的空间微生物防控策略至关重要。

    二、细菌生物膜的组成及特性

    最早列文霍克等人用普通光学显微镜在牙齿上发现了细菌生物膜的存在。过去三十几年间，人们已经利用先进的显微技术和微生物培养技术，在工业、生态和医学领域取得了巨大进展，如细菌生物膜超微结构的解析和粘附与生物膜相关基因的发现。在适当条件下，细菌都易于粘附于活组织、内置医疗器件、工业/饮用水管道或自然水系统等各种类型的表面，形成细菌生物膜。根据周围环境的不同，细菌生物膜的非细胞成分还可能包括矿物结晶、腐蚀颗粒、黏土/泥沙颗粒或血液成分等。与浮游细菌相比，生物膜内的细菌生长速度减慢，某些特定基因发生表达变化。 （一）生物膜的组成。  微生物腐蚀本质上是一个界面过程，其进程由界面的生理生化微环境决定，如氧气、盐、pH值、氧化还原电位和导电性等，而所有这些参数都与界面上的微生物有关。体外培养条件下，细菌多呈均匀、悬浮生长，单个细菌以浮游状态存在。然而，在某种特殊条件下，细菌引发特异的机制粘附并聚集于固体表面，分泌基质成分形成微菌落，逐渐形成一个具有结构性、协调性和功能性的高度组织群体，即成熟的细菌生物膜，可以是单层或多层。在合适条件下，部分细菌从生物膜上脱落，释放出浮游细菌，在新的部位定植形成新群落，引起下一轮定植或感染。生物膜还为基因水平交换提供了一个理想的环境，充分的基因交换有利于生物膜结构维持和稳定。与浮游细菌不同的是， 生物膜中的细菌环境适应能力更强。细菌生物膜主要是由细菌和其聚集产生的胞外聚合物（EPS）基质组成，提供最适环境用于细胞间信息交换。胞外基质是生物膜的主要成分，包括胞外多糖、蛋白质、DNA、RNA、脂类等生物分子， 其中以胞外多糖和蛋白质研究居多。生物膜内部不同部位的营养摄取需求和方式不同，如生物膜中心或底部的细菌由于处于静止状态，对营养的需求降低；生物膜存在水流通道，可增加生物膜的表面积和对流转运能力；生物膜外层的小块生物膜释放和单个细胞脱离， 从而获得更多的营养。因此，细菌生物膜的特点是内部细菌的异质性（heterogeneity）， 即生物膜内不同部位的细菌呈现不同的基因表达模式， 发挥不同的功能。细菌生物膜的结构按从外到内依次分为：生物膜主体层（bulk of biofilm）、连接层（linking film）、调节层（conditioning film）、基质层（substratum）。形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用会产生大量的细胞外多糖，它们将粘附在膜面上， 形成粘度很高的水合凝胶层，进一步增强细菌与膜的结合能力，是一个高度自发的过程。

    （二）生物膜的类型。依据固体表面与细菌细胞间的作用特点，将生物膜分为单层和多层生物膜两种。单层生物膜更为突出地表现为细菌与表面的直接相互作用，参与这类生物膜形成的主要是细菌粘附相关的结构（如鞭毛、菌毛）和粘附素。多层生物膜除了细菌与表面的相互作用外，增加了细菌间的相互作用。然而，细菌表面在多数情况下互斥的。例如，革兰阴性菌表面的化学特性是由表面的O抗原决定的，通常是带负电荷的。为形成生物膜，需要将负电中和，如下调或失活O抗原表达、加入二价离子或合成胞外多聚物等。

    三、细菌生物膜形成的调控机制

    经过长期的进化，细菌细胞已经发展出了一套精密的调节系统，在感应外界环境变化时，能通过调节基因的表达，迅速适应环境的变化。在合适条件下，细胞的环境信号应答系统首先被激活，调控蛋白的表达发生改变，进而影响胞外多糖、鞭毛、菌毛以及淀粉样蛋白纤维组成蛋白的合成，细胞表面的结构改变，促进细菌在固体表面的粘附。一旦粘附成功，且细菌达到一定的数量，诱发细胞产生并分泌信号分子，避免细菌因过度生长而造成空间和营养物质缺乏，更重要的是可以控制并协调整个细菌群体行为，对周围环境刺激做出协同反应，极大增强了整个细菌群体的生存能力。

    生物膜的基本形成过程

    在固体表面形成生物膜主要包括细菌的初始附着（可逆）、生物膜早期结构形成（不可逆）、生物膜成熟和生物膜细菌脱落为游离状态四个步骤（图1A）。细菌可以粘附有生命和无生命的固体材料表面。无生命的材料包括金属、玻璃、塑料和医疗内置器械等；有生命的材料包括上皮细胞、人类皮肤和动物组织表面等。尽管材料表面温度、pH值、离子环境、静电斥力和水动力微环境不利于生物膜形成，然而细菌已经进化出鞭毛动力装置，主动克服这些阻力，形成了细胞初始粘附的动力。当然，除了有动力的细菌，目前也发现，有些无动力的细菌也能通过粘附因子的表达实现细菌的初始粘附，该过程是可逆的。在经过初始粘附之后，鞭毛动力装置被抑制，细菌被固定在固体表面，逐渐形成早期的生物膜。此时，第二信使分子c-di-GMP产生，在转录后水平调节多糖的合成，细菌由原有的游离状态变为静止状态。此外，菌毛也在细菌的初始粘附和早期生物膜形成中发挥重要作用。一旦早期生物膜牢固地附着于固体表面，细菌则通过细胞间相互作用聚集在一起，分泌胞外基质成分，形成具有三维结构的成熟生物膜。细菌的自转运系统和胞外多聚物在生物膜成熟过程中不可或缺。自转运系统能辅助细菌间的粘附、促进细菌聚集和三维结构形成。胞外多聚物是生物膜区别于游离细菌的主要特征，有利于细菌间和细菌-材料表面的相互作用，作为细菌生物膜的支撑物，起到保护三维结构的作用。分泌到基质的胞外多糖维持生物膜的形状和结构，主要包括β-1，6-N-乙酰-D-葡萄糖胺多聚体（PGA）、纤维素和克拉酸三种多糖。脂多糖和荚膜是形成成熟生物膜的重要因子。生物膜成熟后，发生基质的酶解或密度感应效应，部分细菌解离，形成游离细菌，鞭毛蛋白上调，定植到其他部位，形成新的生物膜。

    参与生物膜调控的信号感应系统

    研究中发现铜绿假单胞菌IV型菌毛介导的蹭行运动（twitching motility）参与了生物形成，当蹭行运动丧失， 铜绿假单胞菌就不能形成生物膜。细菌形成生物膜是一个复杂的多因素调控过程，主要由信号感应系统负责传递外界环境信号，引起应答反应。信号感应系统包括：二元调控系统（TCS）、胞质外信号感应通路（ECF）和密度感应系统（QS）。

    1. 二元调控系统与生物膜形成

    二元调控系统主要组分包括组氨酸激酶（HK）和反应调节蛋白（RR）。组氨酸激酶能感应外界信号，包括N端的配体结合域、C端激酶结构域，通过将ATP的磷酸基团的转移到激酶特定的组氨酸残基上，实现信号的传导。接下来，组氨酸激酶再将获得的磷酸基团转移到调节蛋白的天冬氨酸残基上，激活转录因子。下面分别以革兰阴性菌铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌为例简要介绍二元调控系统在细菌生物膜形成中的作用。GacS（HK）/GacA（RR）参与铜绿假单胞菌生物形成，该系统诱导RsmY和RsmZ的表达，浮游细菌向静止聚集状态过渡。此外，还有两个组氨酸激酶RetS、LadS与Gac系统相关，分别抑制或激活生物膜形成相关基因。革兰阳性菌则感应修饰的寡肽，实现二元系统的激活。金黄色葡萄球菌二元调控系统GraS（HK）/GraR（RR）促进生物膜的形成，增加对万古霉素的抗性。金黄色葡萄球菌可产生多聚糖胞间粘附素（PIA）依赖或非依赖的多层生物膜。PIA由ica操纵子编码，其中，icaADBC编码基因负责生物膜合成，IcaR则负调控生物膜形成。

    2. 胞质外信号感应通路与生物膜形成

    胞质外信号感应通路也在生物膜形成过程中发挥重要作用，参与该通路主要成分是细胞膜上的σ（Sigma）因子和抗σ因子。此外，有些外膜和周质蛋白也参与该过程。周质蛋白感应外界信号后，抗σ因子降解，释放σ因子，生物膜相关基因转录。铜绿假单胞菌中，AlgU属于σ因子，负责胞外多糖中褐藻糖的生物合成，进而影响到生物膜形成。感应某种未知信号，抗σ因子MucA的C末端周质结构被蛋白酶AlgW切割，从而解除对AlgU抑制。AlgU激活algUmucABCD操纵子，促进褐藻糖合成和IV型菌毛的组装，进而形成生物膜。

    3. 密度感应系统与生物膜形成 密度感应系统中，信号分子由单个细胞产生，并释放到细胞外环境中，随着细菌密度的上升不断累积增加，信号分子积累到一定的浓度，即超过细胞所能承受的阈值，这些信号分子就会结合到细菌的转录激活因子上，进而引起细胞内一系列相关应答反应，如分泌毒力因子、调节宿主免疫反应和增加遗传物质交换频率等。在革兰阴性菌中，群体感应信号分子主要是N-乙酰化的高丝氨酸内酯（AHL）的衍生物。以铜绿假单胞菌为例，存在2个级联QS信号系统（控制细胞外毒力因子表达的LasR-LasI系统和控制几种二级代谢所需产物的RlhR-RlhI系统），前者对后者有调控作用。铜绿假单胞菌野生株形成的高度结构化、较厚且抗性强，而 LasI变异株形成的生物膜结构简单、相对较薄且对杀菌剂敏感。革兰阳性菌则利用自身分泌修饰后的寡肤类物质作为信号分子，其调控方式不同于革兰阴性菌，通过磷酸化及去磷酸化的双组分感应蛋白来调控基因的表达。还有一种信号分子呋喃酰硼酸二酯（AI-2型信号分子），由luxS基因编码合成，该基因在革兰阳性及阴性细菌中普遍存在且有较强的保守性，多数种类的IuxS同源序列与Al-2合成相关， 表明Al-2可能是广泛存在的细菌种间信号分子，负责种间细菌的信号传导。此外，调控基因自身也受到周围微环境的调节，如锰、铁、碳源、氧浓度和代谢产物等。

   四 细菌生物膜改变材料的降解或腐蚀。

    腐蚀是使材料破坏的主要形式之一，主要作用于界面上，由界面的理化因素所决定，如氧气、盐、pH值、氧化还原电位和电阻等，而所有这些参数都受生长于界面上的微生物所影响。微生物腐蚀是指微生物引起的腐蚀或受微生物影响的腐蚀。微生物之所以参与腐蚀过程，是由微生物自身的特点决定的，微生物的生长需要水、电子供体和受体、能量和碳源等。对于金属材料而言，由于细菌新陈代谢，改变了金属表面膜电阻，创造了生物膜内腐蚀环境，属于电化学性质。根据呼吸底物和电子受体的不同，可将腐蚀金属的微生物进行分类，如硫酸还原细菌、硫酸氧化细菌、铁氧化还原细菌、锰氧化细菌和产生有机物和胞外多聚物/薄膜的细菌。这些细菌常常共存于自然发生的细菌生物膜中，协同启动并影响到电化学过程。细菌生物膜的胞外基质成分含有95-97%的水，提供了细菌群落的稳定生存环境，在生态环境中占优势地位。因此，微生物腐蚀实际上是一个生物膜的问题。 目前航天器内常采用高分子材料。在一定的时间和一定的条件下，高分子材料的生物被微生物产生的分泌物或酶降解为低分子化合物，最终分解为二氧化碳和水等无机物。即便对于难以发生生物降解的化学合成高分子材料，如果长期置于某种环境中，也存在着微生物腐蚀的风险。因为微生物具有极强的变异性，在特定条件下，也可能产生能利用这些高聚物的酶类，使之能作为碳源或能源生长，尽管这种降解速率极低，但仍存在这种可能。然而，几乎所有的天然和合成高分子材料，即使是表面自由能很低的疏水性材料，都易被细菌所吸附，并在表面生长繁殖。由于自身代谢和聚合作用会产生大量的胞外多聚物，形成粘度很高的水合凝胶层。除了材料本身特性外，微生物腐蚀主要取决于微生物的种类及环境条件。微生物腐蚀的优势菌群一般可分为好氧型和厌氧型两种。

  五   材料表面生物膜形成的影响因素。

    生物膜的形成包括细菌附着、细菌间的吸附与增殖、生物膜的成熟和细菌的解聚四个阶段。形成细菌生物膜首要的步骤就是粘附，影响粘附的因素除了细菌自身特性外，还包括固体界面的理化特性（硬度和疏水性）和周围微环境（水流体动力学、介质特性）。 影响细菌生物膜形成的细菌自身特性包括细菌细胞表面疏水性、特殊菌体结构和胞外多糖聚合物。尽管细菌大多带负电荷，但细胞表面也会含有疏水成分，这种疏水特性对细菌粘附于固体表面十分重要。研究发现，大多数细菌菌毛就含有大量的疏水性氨基酸，克服了界面的静电斥力，有利于形成细胞表面的疏水性和细菌的粘附。鞭毛是细菌的动力装置，在细菌粘附早期也起到与菌毛类似的作用。与此相一致的是，有动力的细菌较无动力的细菌更加容易粘附于固体表面。然而，脂多糖（LPS）的O抗原则增加了革兰氏阴性菌的亲水性。因此，去除了O抗原的生物细菌膜形成能力增加。此外，胞外多糖聚合物在细菌粘附过程中也起重要作用。 影响细菌生物膜形成的固体界面的自身理化特性包括材料的质地/硬度、疏水性和条件层。然而，影响细菌生物膜形成的微环境则包括温度、湿度、pH值、营养、离子、气体、流体动力学及有无抗菌剂等。   

   六  细菌生物膜的主要检测与风险评价方法

    细菌生物膜的检测方法主要包括直接观察法、原位杂交分子生物学检测、报告基因检测和PCR检测。直接观察法主要是利用上位荧光、激光共聚焦等显微镜和电镜技术，进行表面和内部的形态、超微结构和数量的观察。直接观察法结果准确、可靠，是检测细菌生物被膜形成能力的“金标准”。激光共聚焦扫描显微镜法是近年来发展起来的一项新技术，可以对细菌生物进行分层扫描拍摄，观察其立体结构形态。此外，结晶紫染色、刚果红以及试管法都可用于细菌生物膜的定性和定量观察。结晶紫染色法通常是利用微孔板进行生物膜检测的一种传统方法，可进行半定量的检测。刚果红特异性地结合细菌胞外多糖，可作为快速定性检测生物膜的方法。玻璃管法则广泛运用于细菌生物膜初步定性的检测方法，适用于大批量细菌生物膜的初筛。 原位杂交检测与共聚焦显微镜配合使用，在维持细胞形态的基础上可检测鉴定生物膜的细菌种类、立体结构和分布情况，操作简单、快速。报告基因融合技术用于了解生物膜基因的表达情况，该方法容易定量，便于样品的大量分析。PCR法是检测生物膜相关基因非常有效的诊断技术，可以大大提高细菌生物膜检出率。 材料表面典型的细菌生物膜通常薄层、粘液状、柔软湿润、散发有机物味道和色泽变深等特征。然而，有时与腐蚀产物、碳水化合物及抗腐蚀物质吸附在一起，这种典型的特征就很难辨认了。因此，是否存在细菌生物膜的可能性对于微生物腐蚀风险评估就很重要了。存在以下条件基本上可以排除细菌生物膜存在的可能性。（1）材料表面工作温度超过80°C；（2）表面干燥，不产生任何水汽；（3）不存在有机/无机营养物；（4）定期采用有效防污措施的部位。细菌生物膜的风险评价方法包括采用碳水化合物（多糖）和蛋白质的测定，都使用分光光度计法。

   七 细菌生物膜的防控策略

    对于空间环境中细菌生物膜的防控措施从细菌和材料两个角度进行，包括物理化学杀菌、改变介质环境和生物控制法（图1B）。粘附是细菌形成生物膜的第一步。因此，抑制细菌在材料表面的粘附可有效地控制生物膜可能带来的损害。物理方法包括紫外线和电磁场杀菌方法。利用短波紫外线的杀菌作用，可以在一定程度上抑制细菌的生长繁衍，减少微生物腐蚀的发生。脉冲高压电场和磁场同样可以杀灭细菌。化学杀菌剂降低微生物的活性，破坏微生物中的酶，从而抑制微生物的繁殖，是种简单、有效的方法。使用杀菌剂是目前常用的材料表面消毒方法，然而，若杀毒不彻底存活的细菌或后期定植的细菌形成生物膜，会产生对杀菌剂更强的耐受性，给将来的杀菌措施带来困难。目前非常有前景的防控措施还利用特殊生物体产生的化学物质，使得细菌不易在表面定植。 细菌生长对环境有特定的要求，改变环境介质的pH 值、温度，可减少细菌的数量。材料表面加入抗生素单体、修饰四乙醚脂可使其具有适当的抗生物膜特性，比传统的方法更加环保、有效。由于生物膜自身特性，完全清除是很困难的，而生物膜达到一定程度才能造成对材料的破坏。因此，有效的办法是控制生物膜的规模，其中一个有效的办法是加入特异的酶，以降解细胞间通信的信号分子。 生物控制法多采用噬菌体方法。噬菌体是一种病毒，可寄生在细菌细胞内，并裂解细菌，达到防止微生物对材料进行腐蚀的目的。某些菌则能选择性抑制其他细菌的感染，如当表皮葡萄球菌定植于皮肤和鼻孔粘膜，由于其产生胞外丝氨酸蛋白酶，能够选择性抑制金黄色葡萄球菌在鼻粘膜的定植和生物膜形成。同样，摄取乳酸杆菌除了能调节免疫外，还能减轻肠道内需氧肠杆菌的生物负担。因此，可利用上述特性，采取预防接种的方式降低宇航员的感染风险。除了能引起腐蚀和致病，细菌生物膜也可用于生物治理，利用微生物数量多和能固定某些化合物的特点，用于某些顽固化合物的处理，如用于国际空间站废水处理的再生系统。

    空间腐蚀微生物的中和控制策略

    空间载人密闭舱环境条件下，滋生的细菌和真菌等微生物能在密闭舱室内的金属或合金材料器件、高分子复合材料、无机非金属等电路板和仪表盘以及宇航服装等材料上形成微生物膜，它们的生长繁殖和代谢会腐蚀这些材料，产生微生物腐蚀（Microbiologically influenced corrosion, MIC）问题，这会严重威胁空间站的长期在轨运行安全，缩短空间站的服役时间。 “和平号”空间站在长达15年的运行期间曾发生多次由微生物导致的设备故障。例如，其第3批航天员曾发现一扇舷窗因为霉菌的生长造成能见度降低，光学性能下降。第5批航天员进驻期间氧气电解装置因真菌的繁殖而出现堵塞。第14、15批宇航员在轨期间其温控系统曾发生故障，经调查发现是被真菌繁殖形成的胶状物质堵塞了管道。第24批宇航员进驻期间曾发生由于真菌腐蚀造成的电子通讯设备故障。 此外，发现细菌和真菌对密闭舱中使用的聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚乙烯、合成树脂、有机玻璃、聚丙烯、橡胶和聚四氟乙烯等高分子材料，以及铝镁合金等金属材料产生了明显可见的腐蚀现象，它们用于管道、仪表盒、循环水仪、热控器、空调、氧气点解器、电绝缘套、开关链接器和取景窗等（图17-1）。 图17-1A所示为“和平号”空间站带回的一个观察窗中的聚四氟乙烯的密封圈被微生物腐蚀，结构金属材料也被腐蚀形成了一个2 mm的凹陷。这些微生物腐蚀会导致密封性能降低和结构强度下降，最终影响空间站的可靠运行，缩短空间站的使用寿命。图17-1B所示为“和平号”空间站上拍摄的冷凝水塑料水管中的微生物膜。冷凝水中含有丰富的有机物和微生物，非常适合微生物的生长。微生物分泌的酸等二次代谢产物会腐蚀冷凝干燥器的中的金属材料材料，造成换热器泄漏。图17-1C所示为“和平号”空间站的电缆、半导体器件和电路板上都滋生了大量的微生物。这些微生物会加速电缆绝缘皮、铜线和线路板材料的腐蚀，导致出现短路、断路。国际空间站上曾经有过一台通信设备发生故障后反复查找不出原因，后打开设备机盖，发现设备内部电路板、电缆及接插件长满霉菌，绝缘遭到破坏。此外，如图17-1D所示，滋长在宇航服上的微生物，会加速某些材料的老化。微生物腐蚀一些有机材料的过程中还可能伴随有害气体的释放，导致密封舱内有害气体超标，危害航天员的生命安全。

    图 17-1 “和平号”的实践证明微生物（腐蚀）严重威胁平台设备安全和航天员健康 A. 微生物容易在铝镁合金器件表面形成微生物膜并产生明显腐蚀；B. 微生物腐蚀聚酰亚胺高分子材料和复合材料表面；C. 微生物腐蚀仪表盘和电路板的绝缘材料，容易引起电路故障；D. 微生物可能会滋长在宇航服装上，宇航服的侵蚀可能导致气体泄漏等事故，威胁宇航员生命安全。[引自：Klintworth 1999和Novikova 2004]

    国际空间站运行期间也曾多次报道发生微生物腐蚀事件（图17-2）。如图17-2A所示，不锈钢门板背面因为经常悬挂湿毛巾的缘故，导致了大量的微生物滋生，这些微生物会对门板产生严重的腐蚀。图17-2B所示为国际空间站的空气分散器，通过专门测试真菌的试片检测，上面滋长了大量的真菌。微生物可以利用空气冷凝水中丰富的有机物生长，分泌出的酸等二次代谢产物会腐蚀金属材料材料。图17-2C所示为国际空间站上的空气过滤器里面滋长了大量的细菌。这些细菌可能会造成堵塞和机器的故障。

    图17-2 国际空间站的实践证明微生物（腐蚀）严重平台设备安全 A. 微生物容易在铝镁合金门板背面形成微生物膜并产生明显腐蚀；B微生物容易在空气分散器形成微生物膜并产生明显腐蚀； C.微生物腐蚀堵塞空气过滤器。[引自：Vesper 2008和Maule 2009]

    微生物对各种航天材料逐渐产生腐蚀，加速航天器件的降解耗损，将可能导致空间站内的设备运行失灵，影响航天器的长期正常运行及其在轨使用寿命， 甚至对飞行安全和航天员也会造成很大威胁。航天器服役条件恶劣，在轨时间长，而维修条件相对不足，一旦发生微生物腐蚀设备故障，损失不可估量。

    一、 空间载人密闭舱环境微生物的来源

    在人类不断地开展太空探索和进行太空飞行的同时，微生物也伴随着人类的脚步进入太空。在体积有限的空间载人密闭舱室内，环境条件一般会保持总压力100 kPa，氧分压21 kPa，温度23℃和相对湿度30%~70%。这种环境条件能保证航天员在密闭舱内生存和工作，但同样也为微生物的生长和繁殖提供了有利条件。 一般认为，空间载人密闭舱的微生物主要来源于三种途径：一是在发射之前，空间站使用的设备和材料在生产、存放、使用、装配过程中，装配厂房环境中的空气和机器、装配人员及其工具等会将微生物引入设备表面和内部。在地面总装、测试和发射准备过程中，操作人员及物件在进出舱体时也会将携带的微生物直接扩散至舱内。

    二是在航天员进入空间密闭舱，航天员的人体微生物也随之进入并通过舱内气体和其他接触途径播散到空间站各个角落。正常成年人个体身体内部或体表一般活跃着超过500多万种微生物，总质量约占人体的1%~2%，其种类涵盖细菌、真菌、病毒、支原体、衣原体等。这些细菌成为了空间密闭舱不可避免的来源。

    三是在空间站建成后，货运飞船在运送航天员和补充货物时，通过人员、货物的转移，搭乘的新航天员及货物携带微生物也会进入舱内，并随气体的流通而传递到空间站的舱内。 特别之处是，空间环境具有地面环境中所不存在的一些特殊环境因素，包括离子辐射、原子氧、电磁辐射、微重力、高真空和极度温差等。这些因素会通过诱导进入空间密闭舱室的环境微生物产生基因突变和调控机制的变化，进而影响微生物的生物学性状和功能。在航天器这样无地面选择压力的高致变环境中，某些微生物的变异过程可能会促进微生物的生长繁殖。

    二、空间密闭舱环境微生物的多样性 前苏联和俄罗斯建设的“和平号”空间站（Mir）1986年开始运行至今，为研究长期载人飞行环境下微生物组成规律提供了宝贵机会。在1986~2001年，前苏联和俄罗斯的航天员开展了微生物的采样和鉴定工作（图17-3）。他们设计了专门针对空间密闭舱中环境的特殊性的微生物采样装置，比如采集舱壁和设备表面微生物的拭子和接触培养表面微生物的工具包-“Pipette Kit” 和采集空气微生物的撞击式采样器-“Ecosphere Kit”（图17-3）。 “Pipette Kit” （图17-3E）包括的采样棉签是一支在端头处缠有棉花的空心棒，在棒心内则注入防腐剂。防腐剂的浓度低于杀灭微生物的浓度，但是足以抑制微生物的繁殖。取样之后将棉签装入套筒内，在室温条件下可以保存7 d。然后，随联盟号或航天飞机返回地面，在地面实验室进行分离培养和鉴定。 “Ecosphere Kit” （图17-3F）是为采集空气中微生物样品专门设计的设备。该设备使用的无菌培养平板是在发射之前由地面工作人员准备的。针对细菌和真菌分别配制不同的培养基和制备平板，用塑料袋封装，抽真空后经伽马射线灭菌处理。在使用时，航天员将培养皿从袋内取出，安装到装置右端的圆筒内，航天员手持此设备，从目标区域抽取90 L的空气取样，之后将培养皿取下，进行分离鉴定。 手持式微生物检测设备“LOCAD-PTS” （图17-3G），是由美国国家航空航天局（NASA）的Marshall空间飞行中心联合相关研究机构将一种便携式内毒素检测系统“Endosafe-PTS”改进而来。“LOCAD-PTS”于2006年12月由“发现号”航天飞机送往国际空间站，并于2007年3月开始第一次使用，之后，被广泛地用于空间站内微生物污染的监测。该检测器自身重2.2磅，集成了分光光度计、加热器、微泵等功能器件，可以与多种测试卡配合使用，用于检测多种微生物的标记分子。目前，在国际空间站上有三种不同的 LOCAD-PTS测试卡，分别用于检测内毒素、葡聚糖和脂磷壁酸，分别对应于革兰氏阴性细菌、真菌和革兰氏阳性细菌的水平。此外，“LOCAD-PTS”系统还附加有与之相配合的表面采样、样品处理工具。宇航员可以利用这些工具进行表面采样和样品处理，然后在轨利用“LOCAD-PTS”对其定量分析，整个过程15 min内即可完成。

    图 17-3 空间载人密闭舱室内微生物采样和取样装置 A-B. 俄罗斯航天员Jerry Linenger在“和平号”空间站采集空气样品和舱内表面样品；C. 美国女航天员Sunita Williams在国际空间站上做微生物检测。D. 中国“神舟”飞船开展的舱内微生物采样培养；E. 俄罗斯研发的“Pipette Kit”舱壁和设备表面微生物采样工具包；F. 俄罗斯研发的“Ecosphere Kit”空气微生物采样工具包；G. 美国研发的手持式微生物检测设备“LOCAD-PTS”。 [引自：Pierson 2001、Novikova 2006和Maule 2009]

    俄罗斯生物医学研究中心先后从“和平号”空间站采集的约1000余份样品中分离和鉴定出234株微生物，表17-1为不同样品中主要包括的40个不同属细菌和25个属的真菌。 1998-2005年间，美俄合作开展了“国际空间站”（ISS）在轨飞行发射前、在轨和返回后的微生物采样分析工作。航天员采用不同的工具对各舱段的空气、水和表面进行采样，然后将采集的样品返回，在地面实验室中进行分离和鉴定。到目前为止，国际空间站上已经进行了88次取样检测。其中从空气中取了26个区域样本，从舱室表面取了62个区域样本。经地面分离培养，鉴定了84 种微生物，分别属于12个属细菌和11个属的真菌（表17-1）。 我国“921”载人航天工程从1999 年发射“神舟一号”至2002 年“神舟四号”飞船上，实施了飞船发射、运行、返回及留轨运行期间对空间环境进行了实时监测，为“神舟五号”载人飞行打下了基础。2003 年“神舟五号”首次将航天员送入太空，标志着我国成为继前苏联和美国之后，第三个有能力独自将人送上太空的国家。2005 年，“神舟六号”又将两名航天员送入太空，实现了多人多天飞行的目标，全面验证和考核了飞船的生命保障功能以及其它系统等。2008 年，我国航天员乘坐“神舟七号”载人航天飞船成功进入太空，顺利完成空间出舱活动和空间科学实验任务，实现了我国空间技术发展具有里程碑意义的重大跨越，标志着我国成为世界上第三个独立掌握空间出舱关键技术的国家，奠定了中国空间站技术基础的重要一步。2011 年，“神舟八号”飞船成功与“天宫一号”完成交会对接，实现了中国载人航天首次空间无人自动交会对接试验。2012 年，“神舟九号”飞船成功与“天宫一号”完成交会对接，这是中国实施的首次载人空间交会对接，并首次实现了与“天宫一号”的空间连通。 我国航天员也已经从“天宫一号”空间站中采去了冷凝水和表面样品，利用“神舟八号”和“神舟九号”载人飞船的返回舱将样品带回地面，并分离鉴定了10个属的细菌（表17-1）。从2000年开始，总装备部航天医学工程研究所（507所）谢琼课题组开展了密闭环境中悬浮颗粒物上附着微生物的检测，基于滤膜法的空气微生物样品采集和元基因组DNA提取方法研究，取得了一些实验结果。

    表 17-1 从“和平号”空间站、“国际空间站”和“神舟”飞船上鉴定的主要细菌和真菌属 来源 菌株名称 和平号空间站 细菌 （40） Staphylococcus、Corynebacterium、Bacillus、Micrococcus、Acinetobacter、Streptococcus、Serratia、Alcaligenes、Chryseomonas、Comamonas、Flavobacterium、Hydrogenophaga、Kingella、Moraxella、Methylobacterium、Neisseria、Pseudomonas、Psychrobacter、Sphingobacterium、Xanthomonas、Enterobacter、Escherichia、Hafnia、Klebsiella、Kluyvera、Pantoea、Proteus、Aeromonas、Vibrio、Pasteurella、Actinobacillus、Haemophilus、Aerococcus、Enterococcus、Sarcina、Actinomyces、Arthrobacter、Clavibacter、Streptomyces、Streptoverticillium 真菌 （25） Penicillium、Aspergillus、Cladosporium、Saccharomyces、Acremonium、Yarrowia、Candida、Paecilomyces、Scopulariopsis、Mucor、Rhodotorula、Trichosporon、Alternaria、Geotrichum、Stemphylium、Chaetomium、Fusarium、Ulocladium、Cryptococcus、Sporobolomyces、Lipomyces、Arthrobotrys、Aureobasidium、Botryotrichum、Botrytis 国际空间站 细菌 （12） Acinetobacter、Aerococcus、Bacillus、Brevibacterium、Corynebacterium、Eikenella、Flavobacterium、Gemella、Micrococcus、Pseudomonas、Streptococcus、Xanthomonas 真菌 （11） Aspergillus、Candida、Cladosporium、Cryptococcus、Geotrichum、Lipomyces、Penicillium、Phoma、Rhodotorula、Saccharomyce、Ulocladium 神舟飞船 细菌（10） Sphingomonas、Microbacterium、Acinetobacter、Staphylococcus、kocuria、Microbacterium、Sphingomonas、Methylobacterium、Acremonium 引自：Novikova 2004和谢琼等 2000，2012 当前的研究经验表明，基于传统培养方法的在轨微生物检测技术简单实用、稳定可靠，可以为分析空间环境微生物的种类和分布提供重要数据。但是，由于这些方法主要基于微生物在培养基上的生长能力，所以存在一些不足。由于大多数（>95%）的微生物种类的生长环境和营养需求还不清楚，不能在传统的培养基上生长而无法被分离鉴定。此外，采用培养分离的方法也比较耗时耗力。因此，开发出能在空间密闭舱环境下操作的DNA提取技术和快速分子鉴定技术将有利于扩大空间样品中微生物种类检出。 三、 空间载人密闭舱已发现的腐蚀性微生物种类 （一）、前苏联和俄罗斯对空间腐蚀微生物的研究 早在1970年代，前苏联和俄罗斯科学院生物医学问题研究所（IBMP, RAS）和莫斯科国立大学研究团队就开始对中长期运行的太空密闭舱中采集的微生物的腐蚀性能开展了系统的研究。莫斯科国立大学的Alekhova等从太空飞行了13年的“和平号”空间站中分离得到12株真菌和“国际空间站”俄罗斯分部密闭舱室内分离得到8株真菌，发现其中71%以上的真菌属于青霉菌属（Penicillium sp.）。因此选择了一株青霉菌属单菌Penicillium chrisogenum在地面进行微生物腐蚀加速实验。如图17-4所示，在无机盐培养基中，这株真菌可以利用聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）作为唯一碳源生长。利用电镜分别放大740倍观察可知，真菌降解28 d后的PET纤维受到严重腐蚀。 图17-4 “和平号”空间站分离的真菌严重腐蚀聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维。[引自：Alekhova, 2005] Alekhova等选择了一株青霉菌属单菌Penicillium sp.，在地面进行铝镁合金（AMG-6）微生物腐蚀加速实验。如图17-5所示，电镜观察可知，与无菌对照相比，真菌降解1个月和2个月后的铝镁合金受到严重腐蚀，说明这株真菌可以加速铝镁合金腐蚀。Alekhova等还利用从“和平号”空间站和“国际空间站”分离的28株真菌进行对180种太空设备使用的铝镁合金进行地面微生物腐蚀评价。结果确认机械、阳极化和化学抛光防腐处理后的铝镁合金样品均可被真菌腐蚀。 图17-5 “和平号”空间站分离的真菌严重腐蚀铝镁合金（AMG-6）。[引自：Alekhova，2007，2008, 2010] （二）、美国对空间腐蚀微生物的研究 美国NASA联合其他大学的研究人员，利用从模拟空间密闭舱中的微生物对常用的空间密闭材料如聚酰亚胺（Poyamide）和尼龙（Nylon）等进行了模拟微生物腐蚀加速实验。实验确定支顶孢属Acremonium obclavatum能够腐蚀聚酰亚胺纤维，曲霉属Aspergillus spp.可以腐蚀尼龙纤维纺布。 图17-6 国际空间站分离的真菌在模拟试验箱中（A），严重腐蚀聚酰亚胺纤维（B）和尼龙纤维织物（C-D）。[引自：Ahearn 1995] 在没有获得太空舱滋生的菌株样品情况下，美国哈佛大学顾继东等和NASA的研究人员利用自来水中的常见微生物作为实验菌株，对备选的空间站使用的材料，如纤维增强复合材料、粘接密封胶、聚酰亚胺绝缘泡沫、聚四氟乙烯绝缘电缆和脂肪族聚氨酯涂料等生物膜形成敏感性进行了研究，确定大多数材料都容易形成微生物膜进而被腐蚀。使用电化学阻抗谱（EIS）定量表征了微生物腐蚀过程中材料特性的变化，并发现温度和湿度影响形成微生物膜的。 2005年，由于热交换介质的水流体中pH下降和银抗菌剂的失效，“国际空间站”内部镍基锌铜合金材料制造的主动热控系统被微生物严重腐蚀。NASA马歇尔航天中心的Roman等人设计了一套模拟主动热控系统所处的“国际空间站”环境的微生物腐蚀加速测试系统，包括模拟pH、温度、流速、可获得营养、微生物浓度条件，并且以从“国际空间站”主动热控系统中分离的硫酸还原菌等8株混合细菌作为微生物接种液，其中认为微重力等因素对过程影响较小，忽略不考虑。对2种准备在空间站使用的改进镍基热控系统材料进行6个月的生物腐蚀安全性测试，没有发现微生物侵蚀现象。 （三）、中国对空间腐蚀微生物的研究 与俄罗斯和美国相比，我国空间微生物领域的研究起步较晚。2000年开始，总装备部航天医学工程研究所（507所）谢琼研究组开展了飞船搭载微生物对航天器材的霉腐实验，取得了一些载人航天器微生物污染和霉菌腐蚀材料的实验结果。确定微生物在空间条件下繁殖能力增强，搭载后生长加快， 形态分化提前，但是对材料的霉腐能力有所下降。 北京航空航天大学杨军研究组，采用从“神舟八号”和“神舟九号”的载人飞船返回舱中冷凝水和表面采取的生物样品中分离的细菌和通过“神舟八号” 载人飞船搭载的地面微生物，开展腐蚀性实验研究。在地面环境下，通过选用2株地面模式菌、2株对应空间搭载菌和8株空间下行菌对5种高分子材料（环氧树脂、酯类聚氨酯、醚类聚氨酯、硫化天然橡胶和聚乙烯醇聚缩醛）开展微生物物腐蚀实验；选用3株空间下行菌对2种金属材料铜合金（H6）和铝合金（Ly12）开展微生物物腐蚀实验；选用1株地面模式菌和1株对应空间搭载菌对2种金属材料钛合金（TC4）和不锈钢（304）开展微生物物腐蚀实验；半定量的腐蚀等级归纳见表17-2。数值越大，代表腐蚀能力越强。 表17-2 测试14株地面模式菌、空间搭载菌和下行菌对航天器高分子材料和金属材料的腐蚀等级（0-5） 菌株编号 环氧 树脂 酯类 聚氨酯 醚类 聚氨酯 硫化 天然橡胶 聚乙烯醇 缩甲醛 铜合金H6 铝合金Ly12 钛合金TC4 不锈钢304 Pseudomonas 0 5 1 2 0 Pseudomonas-搭载 0 5 0 5 0 Alcaligenes-搭载 1 0 2 3 1 Alcaligenes 1 5 1 3 1 Sphingomonas 4 5 3 3 1 5 0 Microbacterium 1 5 1 3 0 Acinetobacter 1 5 3 5 1 5 0 Staphylococcus 1 5 1 5 1 kocuria 4 0 3 3 1 Microbacterium 1 3 1 5 0 Sphingomonas 4 0 1 3 1 5 0 Methylobacterium 4 0 0 3 0 Lactobacillus-搭载 4 4 Lactobacillus 4 4 四 空间载人密闭舱微生物腐蚀的防控措施 （一）、微生物来源的控制 无论微生物是来自材料、设备、厂房，还是外来航天器和货物，咎其根源都是来自接触的环境和人员。因此，控制微生物的来源最有效的措施就是对空间站地面阶段所接触的环境和人员进行控制。国际空间站的各舱段以及载人飞船、货运飞船和航天飞机等来访航天器在地面阶段的微生物控制相当严格，主要的控制环节及其控制措施如下： （1）地面阶段环境与人员的控制 单机产品生产时除电子器件和光学器件外，其余器件均需要采用3%双氧水擦拭的方式进行消毒，并用双层无菌袋套封，在满足生物净化标准的车间内进行装配，并用双层无菌袋套封。可以密封的设备尽可能采用密封设计。产品交付验收后需对表面再次消毒并套封，存放在洁净房间内。航天器总装车间为生物净化车间，每周进行生物取样，确保满足净化要求。操作人员进车间前需要洗澡并更换消毒后的衣服，用酒精消毒手部。在发射场同样要保证这些环境条件和实施控制措施。总装完成后对密封舱进行消毒处理，采用双氧水擦拭表面，用双氧水喷洒角落；装配完成90% ~ 95%后，用7倍的净化和消毒气体对舱内气体进行置换。发射前再采用双氧水消毒。 （2）来访航天器微生物的控制 来访航天器在地面阶段同样需要进行上述控制，并达到发射前的微生物指标要求，即舱内气体中细菌300 CFU/m3，真菌50 CFU/m3；表面细菌500 CFU/100m2，真菌10 CFU/100m2。在到达空间站后，航天员先部分打开舱门进行微生物和有害气体的检测，若发现微生物超标，则首先进行消毒处理，达到要求后才完全打开舱门进行货物、人员的转移。 （3）对航天员自体微生物的控制 乘组在飞行前需要与周围环境和人隔离一段时间，进行微生物的检查，若体内携带致病微生物则进行药物治疗。定期对乘员的唾液和血液取样，带回地面检测，制定针对性的治疗方案。即使采取了如此严格的控制措施，目前，国际空间站上的微生物状况仍不令人满意，按照国际空间站的工程人员和科学家的话说，“我们一直在与微生物作斗争”。微生物控制要求地面生产和总装车间环境要达到生物净化的标准，远远超出了现有载人航天器的地面保障条件。各环节对航天器消毒和操作人员消毒等控制措施使得现有的总装测试和发射场流程更为复杂。可见，空间站工程需要在微生物控制方面花费巨大的人力、物力和财力，这是空间站面临的新挑战。 （二）、空间站环境控制 空间站上的航天员通过呼吸将致病微生物直接吸入体内，航天员通过手的触摸或其他部位接触将空间站上各种表面的微生物引入身体，同时，又将自身携带的微生物带到表面，飘散到舱内气体中。人和环境之间形成交叉污染，致病菌则造成交叉感染。因此，空间站必须对航天员的生活环境进行微生物的控制，并落实在空间站的设计上，否则将存在不可控制的区域，补救措施也于事无补。 1. 舱内气体中微生物的控制 舱内气体中的微生物主要附着在悬浮颗粒物上，因此进行过滤净化是控制舱内气体中的微生物数量的有效手段。在舱内气体净化系统中设置初级和高效过滤装置等过滤气体中的悬浮颗粒物，初效过滤装置清除大部分悬浮颗粒物，高效过滤器对0.3 ?m 或者更大尺寸微粒的去除率可达99.97%。 针对一些气体质量差、微生物数量较多的局部区域，可通过便携式杀菌装置进行快速净化处理。如在“和平”号空间站和国际空间站FGB 舱采用的微生物控制设备POTOK 150MK。该设备只有显示器大小，可以由航天员移动到所需净化的地区域，由于是物理灭菌，因此，不需要补充消耗性物资，方便实用。POTOK装置是利用交叉电磁场的作用进行灭菌，然后通过纳米材料进行过滤和生物降解，其灭菌效率可以达到99%~100%，同时还可以过滤粒径在0.01~10 ?m 范围内的悬浮颗粒，去除率高达99%。“和平”号空间在启动POTOK 前后，舱内气体中微生物水平的最大值和平均值有了明显的降低。 2. 表面微生物控制 （1）材料选用 空间站表面微生物控制的首要措施是对空间站上所使用的材料进行严格的筛选，尽可能使用具有良好抗菌防霉性能的材料。因此，首先需要对材料进行抗菌防霉特性的评价，剔除容易滋生微生物的材料，或限制使用抗菌防霉性能差的材料，以减少微生物的生长。其次，对所选用的材料进行抗菌防霉处理，提高材料的抗菌防霉性能，减缓微生物的生长。如银具有很好的抗菌防霉作用，可在结构金属材料表面涂纳米银，在纤维材料内添加银线；对材料表面进行疏水处理，降低材料的含水量。在材料表面加硅（微生物很难在硅上生长），或用辐射方式将低分子的杀菌剂添加在高分子材料中等。 实验表明聚合材料上微生物的菌落数是金属材料上的10倍，而聚合材料在空间站上的使用是不可避免的，因此，在尽可能减少其用量的同时，还需要对其进行抗菌防霉处理。 （2）环境控制 在空间站载人环境设计中要尽可能消除通风不良的区域，减少易凝结冷凝水的低温面，如舱体内表面、舷窗玻璃都是低温面，容易结露。电缆管道、机柜背后容易存在通风死区，这些区域均是易于微生物生长的区域。对这些区域采取无需人员操作的清除微生物的物理措施，如干热灭菌、紫外照射等。 （3）表面清洁 由于微生物在空间站上的滋生不可避免，因此，还必须采取消毒措施清洁各种表面。国际空间站每周六定期进行清洁工作，采用吸尘器吸尘，用含0.1%季铵盐的专用湿巾对舱内表面进行擦拭。对于微生物生长严重的区域，如聚合材料表面，采用含有双氧水干粉或铵盐的清洁布加水后擦拭。由于纤维织物表面粗糙，微生物不容易被清洁干净，应尽可能使用表面光滑的材料。如必须使用，则设计成可以拆除更换，必要时用新材料替换，但这将增加上行货物运输的代价。 虽然杀菌剂对微生物的清除比较有效，但并不能彻底清除，过一段时间后微生物又会长出来，因此，需要长期地、定期地使用。清除工作需要花费航天员的时间和精力。杀菌剂长期使用对人体有一定的损害，也会腐蚀材料的钝化层，因此，消毒剂的选择不仅要杀菌效果好，还要对人体的毒性低，对设备的腐蚀性小。此外，随着空间站上微生物活性种类的变化，消毒剂还需要不断调整。 （4）水系统微生物的控制 水是航天员和微生物赖以生存的条件，更是微生物滋生的场所。国际空间站俄罗斯对饮用水卫生要求为微生物小于50个/ml，且不能检测出致病菌。为保证饮用水的卫生水平，对饮用水采取了过滤、添加银离子、加热至80℃等措施。空间站的生命保障系统和热控制系统中均有液体工质，这些工质在加注到管路或容器前必须对管路、容器和工质进行消毒，并施以工质微生物监测，必要时实施过滤、杀菌的控制措施，避免管路堵塞，导致系统运行中断，过滤装置应可以更换。若采用化学杀菌还要考虑杀菌剂对工质物理特性的影响和对管路系统的腐蚀，因此，杀菌方式的选择也是一个难题。

    百密不容一疏——空间微生物的安全防控

    随着我国载人航天工程发展战略的逐步实施，未来我们必将面临长期载人飞行中的微生物安全问题。载人航天器内微生物滋生不仅会污染环境，导致航天员感染或生病，更会腐蚀材料，导致设备故障。与此同时，在空间发生变异的微生物如被带回地球，还会威胁地球生态安全。

    据了解，“和平”号空间站在长达15年的运行期间曾发生多次由微生物导致的设备故障。例如，其第3批宇航员曾发现一扇舷窗因为霉菌的生长造成能见度降低，光学性能下降。第5批宇航员进驻期间氧气电解装置因真菌的繁殖而出现堵塞。第14、15批宇航员在轨期间其温控系统曾发生故障，经调查发现是被真菌繁殖形成的胶状物质堵塞了管道。第24批宇航员进驻期间曾发生由于真菌腐蚀造成的电子通讯设备故障。

    中国空间技术研究院航天生物集团总工程师赵辉日前接受载人航天官微记者采访时表示，空间微生物的安全防控一直是一个很重要的课题。

    空间微生物控制是指通过在航天器设计、建造和飞行过程中采取一系列的微生物监测、控制、防护措施，控制空间飞行环境中的微生物水平，防范微生物可能对航天员或飞行系统造成的潜在风险 。

    赵辉表示，当前在空间微生物领域，包括微生物的检测、灭杀，以及其他抗菌材料的研制等等，已经有了很多的地面基础工作。这些成果会逐步应用到包括货运飞船、载人飞船、空间站中去。空间微生物的安全防控不应仅仅局限在在轨期间，空间站在地面建造期间，载人飞船和货运飞船在建造或是发射过程中，都需要进行微生物防控和防护，从而极大地减少在轨空间站所受到的地面微生物来源，起到一种预防的作用。

    “希望能够在未来的空间站、载人飞船以及货运飞船建造期间，就采取一种严格的微生物的防控措施，减少和降低空间内部的微生物的含量。从这个角度降低微生物在天上对空间站的侵蚀和影响，但是这不可能杜绝。”赵辉说。

    国际空间站通信设备内部霉菌生长情况

    “第二就是开发适用在空间环境下，在轨航天器内微生物的检测工具和微生物的消杀产品，为在轨微生物的防控创造条件。”赵辉还认为，应该对航天员进行有关微生物检测与消杀的培训，或者给他们提供一种培训的方案，使他们未来在轨能够定期开展对空间环境内微生物的检测和消杀。

    赵辉介绍到，在最近几次的载人飞行任务中，都安排了有关空间微生物的各种实验项目以及实验材料。而对于空间微生物的研究也不仅只在“天上”有用，在地面的应用前景也十分广阔。“假如这类产品在天上能够有效的应用，我们相信它回到地面，对于许多需要进行微生物控制和防护的地方就有极大应用的领域和前景。所以我们回到地面，会和相关专业结合，使它能够得到应用、推广和产业化。从另一个角度来说，这就是载人航天对社会经济发展带来的促进作用，是航天技术转民用，军民融合等战略的具体落实。”

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