[科学技术]特殊的“战斗”：航天器微生物防控策略

微生物一直是科学家在太空活动中关注的问题之一。

通过各种渠道进入飞船后，微生物会在舱内空空气、物质表面和冷却水系统中繁殖。微生物会腐蚀舱室材料、设备线路和部件；附着微生物的浮尘也会影响舱内空气质量。

根据空的科学实验，微重力和空等环境因素将增强微生物的生长和繁殖能力、毒力和抗性，并改变其代谢活性、细胞功能和基因表达。

对航天器建筑材料进行微生物控制，确保其清洁度水平，是实现航天器微生物污染源头控制的第一步。因此，国外航天机构对材料的微生物控制技术进行了系统的研究。

不同的微生物控制技术适用于不同层次或不同部位的硬件。有些技术只能杀死材料表面的微生物，而穿透能力强的技术可以杀死硬件内部的微生物，如嵌套结构、多孔/扩散结构或集成结构内部的微生物。

航天器微生物污染的主要来源

在礼炮、和平号空站和国际空站运行期间，发生了严重的微生物污染事件。在international/きだよ 0号站采集了多种条件致病菌和腐蚀菌，它们栖息于不同种类的结构材料中，参与高分子材料和金属材料的生物降解。

在空之间的环境中分离的微生物大多与人类有关，其中细菌主要包括葡萄球菌和微球菌，真菌主要属于酵母(假丝酵母)。此外，一些微生物来自环境，其中细菌主要是芽孢杆菌，真菌主要是曲霉、青霉和枝孢霉。

航天器面临的微生物污染包括细菌污染和真菌污染。其中应注意产芽孢微生物、极端微生物、菌丝和真菌孢子。

造孢微生物

产芽孢微生物在极端环境下能形成休眠孢子。孢子含水量极低，蒴果厚密，渗透性低，抗热、抗干燥、抗化学消毒剂和辐射能力强，能大大提高微生物在各种恶劣环境中的生存能力，普通消毒方法不能有效杀灭。

因此，这些微生物已成为ait植物中的优势微生物。常见的产芽孢细菌主要有芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌和芽孢杆菌。一株短小芽孢杆菌safr-032从美国国家航空航天局的航天器组装厂分离得到，其对uv254的抗性提高了约300倍，在5%过氧化氢溶液中的存活率提高了12%。

由于孢子所能耐受的环境与火星等其他星球的环境相似，因此它已成为空深部探测星球保护中微生物污染控制的指标和重点控制对象。一般通过孢子对值的降低来评价某一技术对微生物污染的去除效果。欧空局和美国航天局都建立了孢子检测的标准操作程序。主要用棉签或布对航天器表面的微生物进行取样，并对80℃热处理15分钟后的样品进行计数。

孢子检测过程

极端微生物

极性微生物是指能够在极端环境中生存和繁殖的微生物。航天器建造过程中，由于严格的微生物防控措施，普通微生物被有效杀灭，极性微生物在长期清洁环境控制过程中逐渐成为ait工厂的优势微生物。欧空局和美国航天局从航天器ait车间环境中分离出多种极端微生物，包括嗜热、耐寒、耐辐射、嗜碱、厌氧和其他极端微生物。在expose-r2任务期间，在真正的空环境中发现了一类地热球菌。极端微生物适应极端环境的特性使其有可能在空或地外星球环境之间的暴露环境中生存，因此它们是火星探索和地外生命探索活动中需要控制的微生物。

航天器微生物控制技术

干热灭菌法

干热灭菌技术是最常用的航天器灭菌技术，也是第一种满足行星防护要求的灭菌技术。Nasa在对航天器进行干热灭菌时通常采用“135℃-22h-1循环”，并规定所有航天器硬件必须通过“145℃-36h-3循环”的公差试验。2013年，结合细菌芽孢耐热性的最新研究成果，修订了干热灭菌技术操作规范，可杀灭耐热性较强的细菌芽孢。

辐射

紫外线:uv254可以破坏微生物dna，使其无法繁殖、生长甚至完全消亡，是医疗行业常用的杀菌方案。但紫外线的穿透能力很弱，辐射效果只能直接照射到表面，不能作用于材料内部和孔隙，会受到材料几何结构、表面障碍物、照射距离、表面污染初始水平等多种因素的影响。目前，美国航天局和欧空局并不把紫外线辐射作为航天器微生物控制的标准程序。

微波辐射:微波辐射消毒是一种新的消毒技术。一般采用2450mhz和915mhz的微波消毒。2450mhz具有升温快，杀菌效果强，消毒时间短，但穿透力弱的优点，一般用于小物品的消毒。915mhz频率低，升温慢，消毒时间长，但穿透力强，可用于大而厚的物品消毒。

γ辐射:γ辐射是一种高能量的电离辐射，通过交联蛋白与水接触时自由基的形成使孢子失活，但需要其他方法去除微生物残留。辐射和热量有协同作用。与单纯的γ辐射灭菌或干热灭菌相比，“γ辐射+热”在较低的辐射剂量(< 150krad)、较低的温度(95-110℃)、较短的处理时间(< 15小时)下，可大幅度杀灭航天器中常见的产芽孢微生物。美国宇航局已经采用伽马射线作为航天器微生物控制的标准程序。

活性物质

一些活性化合物可以氧化或与孢子壳反应，破坏并进入孢子核杀死孢子，通常应用于对高温高湿敏感的材料。在使用活性化合物时，有必要分析其腐蚀敏感性和腐蚀速率，以确保航天器材料不受影响。常见的活性化合物包括以下几类:

等离子体:近年来，低温等离子体在生物工程、基因工程、环境工程等领域显示出独特的技术优势，特别是在温度敏感材料(塑料、光纤、人造晶体、化学玻璃材料)、不适合微波处理的金属物品、复杂工件的表面处理等方面。等离子体主要通过活性氧化物和带电粒子杀灭孢子，具有杀菌温度低、时间短、无副产物、无毒性残留、对环境和操作人员安全、杀菌全面等优点。然而，其使用受限于其在大表面上产生光栅化冷等离子体的能力，并且其使用成本高。

过氧化氢:过氧化氢蒸汽(vhp)能有效降低生物负荷，且材料相容性好，可在室温下工作。2024和7075系列铝、304不锈钢、碳纤维/环氧树脂(cf/e)、碳纤维/玻璃纤维环氧树脂(cf/gf-e)等材料可用vhp灭菌。目前，市场上有商用过氧化氢蒸汽灭菌系统。欧空局和美国航天局已经采用vhp作为航天器微生物控制的标准程序。

其他活性物质:二氧化氮能降解孢子中的dna，能在几分钟内有效杀死嗜热脂肪酸芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌。但对其材料的相容性和抗性的研究很少，其应用和推广还处于起步阶段。臭氧可以分解孢子外层，使孢子内核暴露后被活性氧杀死。该方法持续时间短，价格低廉，适用于无菌成分的工具灭菌。然而，目前美国宇航局和欧空局还没有应用臭氧作为航天器微生物控制的标准程序。

物理清理

溶剂:溶剂是减少材料表面微生物负载的第一步，通常与擦拭等物理方法结合使用，去除航天器表面的微生物。最常用的溶剂(醇类和酸类)只能抑制孢子的萌发和生长或去除附着的孢子。能杀死孢子的溶剂有戊二醛、碘化合物、氯化合物、过氧酸、过氧化氢、环氧乙烷和13-丙内酯。使用时应考虑安全性、环境和材料适用性。

泡沫:泡沫具有与溶剂相似的性质，可以渗透到各种几何形状和表面涂层中。一般情况下，使用表面去污泡沫后，应使用中和剂，以阻止泡沫与材料的反应。

二氧化碳:固体二氧化碳:具有超临界流体特性，可以通过机械作用去除材料表面的微米级颗粒。这种方法常用于对热和化学敏感的食品和医疗行业。由于二氧化碳的运输方式有限，很难扩展到子系统或系统层面，因此美国航天局或欧空局没有批准超临界二氧化碳用于航天器材料的微生物控制。

对于较大的子系统甚至系统级设备，灭菌技术必须能够适应更大的表面积和更复杂多样的内部结构。目前，干热灭菌是美国宇航局在大规模条件下唯一可用的技术。

美国国家卫生研究院、疾病控制和预防中心以及国防部已经尝试在结构简单的房间中使用vhp来灭活炭疽杆菌。γ辐射已经应用于食品工业和军事工业。然而，具有更大和更复杂结构的航天器需要进一步研究和验证，以确保它能够穿透金属结构、接头和界面。泡沫、等离子体和二氧化氮还处于探索阶段，因此这些技术在航天器系统层面的应用还需要更多的研究。

另一方面，提高航天器建筑材料的抗菌防霉能力是微生物控制的关键手段。自20世纪60年代以来，美国和俄罗斯对航天器材料进行了大量的筛选和评估工作，包括抗微生物腐蚀材料的筛选、腐蚀材料的微生物的鉴定、材料的微生物腐蚀机理和生物膜的形成机理。目前，越来越多的材料经过抗菌防霉处理后用于航天器建设。

长期以来，国外航天大国非常重视航天器在轨微生物安全。经过多年的发展，已经形成了比较完整的控制标准和相应的技术措施，并对各种微生物控制方法进行了研究和验证。研究表明，航天器的几何形状是影响表面微生物控制效果的关键因素，结构的拐角、缝隙和盲端难以接近，在去除表面微生物时必须考虑；同时，有机物和无机物的存在可能会屏蔽表面的微生物，影响去除效果；航天器材料的特性也会显著影响微生物控制技术的选择及其控制效果。

微生物安全防控对于维护航天器在轨安全运行和航天员健康至关重要。航天器微生物防控要求高，难度大。单一的防控技术不能满足微生物防控的所有要求。然而，不同航天器微生物去除技术的效果不能简单地相加。在充分了解微生物特性和航天器特性的基础上，必须有针对性地使用航天器微生物控制策略和技术。发展先进的航天器微生物控制技术，可以有效保障未来中国航天器的微生物安全，保障航天员健康，维护中国作为航天强国的国际形象。

资料来源:空之梦