空間腐蝕微生物研究意義與目標(biāo)

    一、空間微生物腐蝕研究的意義

    載人航天是人類認(rèn)識宇宙、拓展生存空間和開發(fā)太空資源的偉大實(shí)踐。載人航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命的重要領(lǐng)域之一，它的發(fā)展對人類社會生產(chǎn)生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。空間站是一種在近地軌道長時間運(yùn)行，可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器，是人類科學(xué)研究和開發(fā)太空資源、建立太空基地邁出的第一步，可以為人類提供一個長期在太空軌道上進(jìn)行空間觀測、地球遙感、天文觀測和生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會。 因此，有效保障航天器的長期安全運(yùn)行、延長在軌使用壽命，是我國載人航天事業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大課題。其中，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)是載人航天器和航天員的安全保障。但是，國外載人航天器在軌經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)地面研究的初步結(jié)果表明，微生物會嚴(yán)重威脅航天員健康和平臺設(shè)備安全。我國在該領(lǐng)域的研究尚處于初級階段，亟待開展空間環(huán)境下微生物腐蝕機(jī)理研究，深化對微生物風(fēng)險的認(rèn)識和專業(yè)技術(shù)儲備，探索更加有效的載人航天器微生物綜合控制措施，為載人航天器的研制和運(yùn)營提供技術(shù)支撐。 2、實(shí)踐證明微生物（腐蝕）嚴(yán)重威脅航天員健康和平臺設(shè)備安全 航天器內(nèi)的微生物安全的防護(hù)主要是針對由于微生物污染造成的微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion, MIC）的問題。在地面上微生物幾乎是無處不在的，一般健康人體攜帶有至少10億個微生物（如細(xì)菌、真菌、病毒等），大多數(shù)正常存在于人類皮膚、口腔、鼻咽部和胃腸道。盡管載人飛船、航天服、裝船產(chǎn)品等經(jīng)過非常嚴(yán)格的真空消毒，微生物還是不可避免會隨著航天員的身體、人體分泌物或航空部件等途徑進(jìn)入航天器。“和平”號運(yùn)行十余年來空間站內(nèi)檢測到234種微生物。載人航天器密閉環(huán)境條件下容易滋生細(xì)菌和真菌等微生物，這些微生物能在密閉艙室內(nèi)的金屬或合金材料器件、高分子復(fù)合材料、無機(jī)非金屬等電路板和儀表盤以及宇航服裝等材料上形成生物膜，它們的生長繁殖和代謝會腐蝕這些材料，嚴(yán)重威脅空間站的長期在軌運(yùn)行安全，縮短空間站的服役時間（如圖14-2所示）。總之，國外載人航天器在軌經(jīng)驗(yàn)表明，微生物（腐蝕）會嚴(yán)重威脅航天員健康和平臺設(shè)備安全。

    圖14-2. “和平號”的實(shí)踐證明微生物（腐蝕）嚴(yán)重威脅航天員健康和平臺設(shè)備安全。①微生物容易在鋁鎂合金器件表面形成生物膜并產(chǎn)生明顯腐蝕；②微生物腐蝕聚酰亞胺高分子材料和復(fù)合材料表面；③微生物腐蝕儀表盤和電路板的絕緣材料，容易引起電路故障；④微生物可能會滋長在宇航服裝上，宇航服的侵蝕可能導(dǎo)致氣體泄漏等事故，威脅宇航員生命安全。 3、我國亟待開展長期空間環(huán)境下微生物腐蝕機(jī)理和抗菌材料研究

    圖14-3.長期空間環(huán)境下微生物腐蝕材料的影響因子、作用機(jī)理和材料抗菌性能評價。①離子輻射、原子氧、電磁輻射等可能導(dǎo)致微生物遺傳變異；②微重力影響微生物遺傳變異；③溫濕度影響微生物生長繁殖；④氧氣和二氧化碳等氣體組分和艙室壓力影響微生物種群及其生長；⑤揮發(fā)性有機(jī)污染物等作為基質(zhì)促進(jìn)微生物生長；⑥艙內(nèi)異味（硫醇等）等污染物作為基質(zhì)影響微生物生長。材料特性在一定程度上決定微生物腐蝕的機(jī)理和控制途徑。

    二、空間微生物腐蝕的研究目標(biāo)

    空間微生物腐蝕的研究需緊密圍繞“空間環(huán)境下的微生物腐蝕機(jī)理及控制方法研究”這一重大科學(xué)問題，利用航天器內(nèi)微生物采集、“神舟”系列飛船搭載微生物，并結(jié)合地面模擬研究，明確載人航天器內(nèi)微生物的分布和種類，并提出適合航天器內(nèi)的采樣方法；針對空間環(huán)境脅迫后的微生物，綜合運(yùn)用空間微生物學(xué)、材料科學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)的研究思路與方法，利用核酸分析、經(jīng)典基因功能研究和生物信息學(xué)分析等技術(shù)手段，揭示微生物在空間環(huán)境作用下的菌種演化變異特性；通過對航天器所用材料進(jìn)行菌種腐蝕實(shí)驗(yàn)等，闡明空間環(huán)境影響下微生物的腐蝕機(jī)理；獲取材料對空間環(huán)境下微生物的抗腐蝕性能，設(shè)計(jì)、改良和構(gòu)建新的抗腐蝕材料；從物理、化學(xué)和生物學(xué)角度初步建立空間站材料表面的微生物控制體系。 利用我國發(fā)射神舟飛船與目標(biāo)飛行器的契機(jī)，在軌采集目標(biāo)飛行器艙內(nèi)的材料表面微生物樣本和冷凝水樣本，下行后進(jìn)行菌種鑒定分析。借助“神舟飛船”平臺，以空間搭載的腐蝕性微生物為研究對象，研究空間環(huán)境對腐蝕菌的作用，特別是觀察太空環(huán)境下腐蝕菌形態(tài)學(xué)和腐蝕相關(guān)特性的變化；通過地基微重力模擬對照和空間實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，采取基因組學(xué)的研究策略，探討空間環(huán)境誘導(dǎo)微生物遺傳改變的生物學(xué)意義。同時對下行微生物進(jìn)行腐蝕特性研究。 另一方面需建立地面模擬空間環(huán)境微生物腐蝕加速測試平臺，考察包括溫度、濕度、空氣組分、風(fēng)速和微重力等因素對材料微生物腐蝕速率的影響，獲得模擬艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)。參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的國標(biāo)和國軍標(biāo)選擇模式微生物及其對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)材料，針對空間站艙內(nèi)環(huán)境條件，建立符合空間環(huán)境條件下的材料微生物腐蝕評價方法。基于以上測試平臺和評價方法，利用模式微生物以及下行、搭載微生物等，開展微生物腐蝕實(shí)驗(yàn)研究，通過腐蝕失重、電化學(xué)、表面形貌和成分分析等方法，測試材料腐蝕速率、材料機(jī)械性能變化和材料多尺度結(jié)構(gòu)表征與微生物腐蝕之間的關(guān)系，揭示微生物腐蝕材料的機(jī)理，總結(jié)材料與微生物對應(yīng)的腐蝕規(guī)律。 設(shè)計(jì)合成有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合抗腐蝕涂層材料，以及高分子體相抗菌材料，利用以上測試平臺和評價方法，測定評價其抗微生物腐蝕性能。按照航天器微生物源通過空氣和接觸傳播分別污染流動相和固定相表面，從微生物源、流動相和固定相等協(xié)同控制的方式進(jìn)行。基于以上微生物腐蝕研究結(jié)果、前期研究成果和我國空間站未來運(yùn)行期間的實(shí)際工況，對航天材料選用、產(chǎn)品研制、運(yùn)輸、試驗(yàn)、在軌運(yùn)行等環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出整體微生物控制策略和關(guān)鍵環(huán)節(jié)微生物控制的技術(shù)和方法。

    空間腐蝕微生物的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

    一、國外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

    早在1891年，Garrett等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌代謝產(chǎn)物引起鉛電纜腐蝕，提出了微生物腐蝕的概念。目前，將由于微生物生命活動引起或促進(jìn)的材料腐蝕現(xiàn)象統(tǒng)稱為微生物腐蝕。微生物吸附在材料表面形成生物膜，可使不銹鋼、碳鋼、銅、鋁及其合金、混凝土、高分子材料等遭受嚴(yán)重的腐蝕。這個過程也通常需要營養(yǎng)、水和氧氣等多因素參與，為維持微生物存活提供能量、碳源、電子供體、受體和水。 在空間載人密閉艙室中，雖然航天服、裝船產(chǎn)品等都要經(jīng)過嚴(yán)格的消毒，微生物仍會隨航天員的身體、人體分泌物或航空部件等途徑進(jìn)入。載人太空艙的密閉環(huán)境為大量微生物的生長創(chuàng)造了適宜條件。此外，空間環(huán)境具有地面環(huán)境中所不具備的一些特殊環(huán)境因素，包括微重力、高真空、極度溫差、弱磁場和粒子輻射等。在空間特殊環(huán)境中，微生物還會產(chǎn)生變異，導(dǎo)致它們對生存環(huán)境的要求很低，更加容易生長和繁殖。美國和俄羅斯等國家已經(jīng)對在“和平號”空間站和國際空間站的微生物污染和微生物腐蝕問題開展了一系列的研究。 。

    圖15-1. 利用“和平號”和國際空間站分離菌株對復(fù)合纖維（A）和鋁鎂合金材料（B）的嚴(yán)重腐蝕的電鏡照片。

    二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

    中國人民解放軍總醫(yī)院劉長庭教授團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)最早的開展了空間微生物相關(guān)系列的研究，并取得一定成果。最近與北京航空航天大學(xué)、中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所、中國航天員科研訓(xùn)練中心等聯(lián)合開展了“921”載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目-長期空間環(huán)境下微生物腐蝕機(jī)理研究。借助“神舟”系列飛船平臺，以空間搭載的腐蝕性微生物為研究對象，研究了空間環(huán)境對腐蝕菌的作用，特別是觀察了太空環(huán)境下腐蝕菌形態(tài)學(xué)和腐蝕相關(guān)特性的變化；通過地基微重力模擬對照和空間實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，采取基因組學(xué)的研究策略，對下行微生物進(jìn)行了腐蝕特性研究。建立了地面模擬空間環(huán)境微生物腐蝕加速測試平臺，考察包括溫度、濕度、空氣組分、風(fēng)速和微重力等因素對材料微生物腐蝕速率的影響，獲得模擬艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)。針對空間站艙內(nèi)環(huán)境條件，建立了符合空間環(huán)境條件下的材料微生物腐蝕評價方法。基于以上測試平臺和評價方法，利用模式微生物以及下行、搭載微生物等，開展了微生物腐蝕實(shí)驗(yàn)研究，通過腐蝕失重、電化學(xué)、表面形貌和成分分析等方法，測試了材料腐蝕速率、材料機(jī)械性能變化和材料多尺度結(jié)構(gòu)表征與微生物腐蝕之間的關(guān)系，揭示了微生物腐蝕材料的機(jī)理，總結(jié)了材料與微生物對應(yīng)的腐蝕初步規(guī)律。利用以上測試平臺和評價方法，測定評價了目前載人航天器所用材料的抗微生物腐蝕性能。設(shè)計(jì)合成了有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合抗腐蝕涂層材料，高分子體相抗菌材料，利用以上測試平臺和評價方法，測定評價了其抗微生物腐蝕性能。

    三、小結(jié)

    綜上所述，關(guān)于空間腐蝕微生物的相關(guān)研究方興未艾，隨著航天事業(yè)的大力發(fā)展，未來關(guān)于這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展將得到國內(nèi)外學(xué)者們的更大關(guān)注；我們也期待我國相關(guān)部門針對該領(lǐng)域的研究投入可持續(xù)增加，并加強(qiáng)其轉(zhuǎn)化應(yīng)用，真正服務(wù)于我國的航天事業(yè)。

    空間腐蝕微生物的腐蝕機(jī)理及研究方法

    空間站的地球軌道高度一般在240-450km。處于微重力、高真空和溫度交變的空間環(huán)境，受到太陽射線、原子氧等侵蝕以及微流星和空間碎片的碰撞。由于空間環(huán)境要求苛刻，因而對所用材料的要求也較高。具體包括：高的比剛度和比強(qiáng)度、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐火性好、放氣少、和原子氧反應(yīng)小、抗微流星體和空間碎片的性能好、耐輻射性能好等。現(xiàn)在的航空航天領(lǐng)域多采用鋁合金、鈦合金、不銹鋼、工程塑料等材料，具有一定的抗菌性，但是不能抵御長期的微生物侵蝕。目前，主要有兩種方法使材料具備微生物抗性。一種是在材料表面做抗性處理，使消毒劑摻人材料，使其具有抗菌性；一種則是在其表面加載具有抗菌特性的膜。

    一、材料的微生物腐蝕機(jī)制

    由于各種微生物的生命活動而造成的材料腐蝕過程統(tǒng)稱為微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion，MIC）。微生物腐蝕現(xiàn)象很早便被人們發(fā)現(xiàn)并加以描述，到20世紀(jì)80年代，研究方法的發(fā)展和多樣化使得微生物腐蝕機(jī)制的研究日益深入。根據(jù)材料的不同，可以將微生物腐蝕分為三大類，分別是對金屬和合金材料的腐蝕，對有機(jī)材料的腐蝕，以及對無機(jī)材料的腐蝕。除水泥和石料等無機(jī)材料之外，不銹鋼、鋁和鋁合金等金屬材料，工程塑料等有機(jī)高分子材料均在航空航天領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用。 習(xí)慣上常根據(jù)是否有氧氣參與了腐蝕過程，將細(xì)菌對金屬的腐蝕分為厭氧腐蝕和好氧腐蝕，實(shí)際上在生物膜與細(xì)菌群體之中，多種菌類是共處一起的，好氧腐蝕、厭氧腐蝕往往同時存在、協(xié)同作用。

    （一） 好氧菌腐蝕機(jī)理

    1.產(chǎn)酸腐蝕：微生物在新陳代謝過程中會產(chǎn)生一些酸性代謝產(chǎn)物，包括各種無機(jī)酸和有機(jī)酸。在兩類酸中尤以無機(jī)酸的影響最為顯著，這些代謝產(chǎn)物造成了材料表面惡劣的腐蝕環(huán)境，從而加劇了金屬材料的腐蝕。常見的產(chǎn)酸菌如醋酸梭菌代謝產(chǎn)生醋酸，硫氧化菌氧化環(huán)境中的元素硫、硫代硫酸鹽和亞硫酸鹽等，產(chǎn)生硫酸，使周圍環(huán)境的pH 值降低。還有氧化鐵桿菌，它可以加速金屬電化學(xué)，使Fe2+氧化成Fe3+形成氧化物沉淀，從而加速鋼鐵腐蝕的陽極過程。

    2. 形成氧濃差電池：好氧菌腐蝕的重要途徑之一，在金屬表面產(chǎn)生氧濃差電池。微生物附著處表面的氧相對缺乏而成為陽極，附近表面的氧含量相對較高而成為陰極。EPS 可以阻止腐蝕性陰離子向陽極區(qū)擴(kuò)散，此時，如果微生物呼吸耗氧的速率大于氧氣向金屬表面擴(kuò)散的速率，陰極反應(yīng)的機(jī)理就會發(fā)生改變，而氧濃度差的存在恰好滿足了局部腐蝕的初始條件，使得腐蝕得以發(fā)生和發(fā)展。

    （二）厭氧菌腐蝕機(jī)制

    硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，SRB）是微生物腐蝕中最重要的一類細(xì)菌，在自然界分布很廣。SRB為典型的專性厭氧菌，無氧狀態(tài)下可將SO42-還原為S2-，從而自身獲得能量并繁殖。SRB的腐蝕機(jī)制主要有以下4種理論：陰極去極化理論、硫化物誘導(dǎo)陽極溶解、Fe/FeS 微電池和陽極區(qū)固定理論等。

    1.陰極去極化理論： Kühr 于1934 年首先提出了硫酸鹽還原菌陰極去極化作用，隨后Booth 等證實(shí)了SRB 細(xì)胞中氫化酶的存在。理論認(rèn)為氫化酶能夠利用金屬表面產(chǎn)生的氫使SO42-還原為H2S，從而在腐蝕過程中起到陰極去極化的作用，加速腐蝕，如圖1所示。該理論有一定的局限性，目前的研究證明腐蝕過程主要由速率步驟控制，且反應(yīng)具有不可逆性，氫化酶的具體作用機(jī)制受到質(zhì)疑。在后續(xù)的研究中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少新的去極化作用機(jī)制，如H2S，F(xiàn)eS 和磷化物等，使去極化劑理論得到發(fā)展，不斷充實(shí)。 圖15-1 硫酸鹽還原菌氫化酶陰極去極化機(jī)理（Kuhr V, Corrosion Science）

    2. 硫化物誘導(dǎo)陽極溶解：硫酸鹽還原菌在代謝過程中生成大量的硫化物，惡化腐蝕環(huán)境，增加了腐蝕電池的電動勢和金屬腐蝕的敏感性，腐蝕加速。King 等12發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，溶液中濃度較高的Fe2 +能提高SRB 的活性，促進(jìn)其對低碳鋼的腐蝕。Kuang 等人的研究也表明，SRB 在對數(shù)期和穩(wěn)定期產(chǎn)生多種含硫化合物，加速了碳鋼的陽極溶解，對腐蝕過程起主導(dǎo)作用。

    3. Fe/FeS 微電池作用：SRB 代謝產(chǎn)生的S2-與鐵作用生成FeS 吸附在其表面作為陰極，與鐵陽極形成腐蝕電池，同時，陰極去極化的析氫反應(yīng)也能在FeS 表面進(jìn)行，使腐蝕發(fā)生。

    4. 陽極區(qū)固定理論：Pope 等人認(rèn)為大部分微生物都固定在由細(xì)菌引起的腐蝕坑周圍，這使得腐蝕電池的陽極區(qū)得以固定，從而解釋為何微生物腐蝕主要以孔蝕為特征。

    （三）幾種金屬的微生物腐蝕

    不銹鋼、銅及其合金、鋁及其合金、鎳及其合金均在空間密閉飛行器中較為常用，對這些金屬材料腐蝕的地面研究目前已較為成熟。

    1. 鐵和低碳鋼 鐵細(xì)菌可以將二價鐵氧化成三價鐵，并以鞘的形式沉淀下來，并與產(chǎn)生的粘液形成鐵瘤。由于鐵細(xì)菌好氧，生成的鐵瘤阻礙氧的擴(kuò)散，鐵瘤下的金屬經(jīng)常處于缺氧狀態(tài)，構(gòu)成氧濃差電池，從而引起鋼鐵的腐蝕。此外，鐵細(xì)菌也可使腐蝕性物質(zhì)（如FeCl3 與MnCl4）富集而導(dǎo)致腐蝕。 好氧菌對氧的消耗可間接為硫酸鹽還原菌提供厭氧條件，而硫酸鹽還原菌可使碳鋼與低碳鋼發(fā)生點(diǎn)蝕，并生成黑色硫化鐵沉積物。硫氧化菌可把單質(zhì)硫和其他還原態(tài)硫化物氧化成硫酸，從而降低介質(zhì)的pH 值。排硫桿菌和氧化硫硫桿菌能分別將介質(zhì)的pH 降到4.73 與1.35 左右，因而具有很強(qiáng)的腐蝕性。其他好氧菌如能產(chǎn)生有機(jī)酸，也會產(chǎn)生不同程度的腐蝕作用。

    2. 不銹鋼 微生物引起的不銹鋼腐蝕是非常嚴(yán)重的，即使含鉬量達(dá)到4.5%的奧氏體鋼（20%Cr，25%Ni，4.5%Mo，1.5%Cu，0.02%C，其余為Fe）也會發(fā)生微生物腐蝕。 好氧微生物生長過程消耗氧，釋放二氧化碳，從而形成氧濃差電池與碳酸，造成不銹鋼腐蝕。有些微生物在生物膜下產(chǎn)生的有機(jī)酸對不銹鋼具有腐蝕性。其他一些微生物能把亞鐵離子氧化成高鐵離子，把二價錳離子氧化成四價錳離子，并使Cl-富集而形成酸性的FeCl3 和MnCl4 溶液，使不銹鋼產(chǎn)生點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕，蝕孔一般產(chǎn)生在鐵瘤下面或者幾個鐵瘤的連接處。 研究發(fā)現(xiàn)，微生物引起的不銹鋼腐蝕的特征是點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕最常發(fā)生在不銹鋼的焊件上。微生物有時能使不銹鋼的腐蝕從晶間腐蝕開始，并最終由于氯化物的應(yīng)力腐蝕而破裂。蝕孔與裂痕主要發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)與應(yīng)力區(qū)，靠近腐蝕位置常有不連續(xù)的局部沉積物。焊縫處易發(fā)生微生物腐蝕是因?yàn)楸砻娲植诙群突瘜W(xué)成分的差異促進(jìn)微生物繁殖。

    3. 銅與銅合金 銅腐蝕產(chǎn)生的銅離子與銅鹽具有一定的生物毒性，因而能夠一定程度上抑制微生物生長。然而研究發(fā)現(xiàn)也存在耐銅離子的微生物，例如氧化硫硫桿菌可在濃度達(dá)2%的銅離子溶液里生長。此外還有一些微生物能夠逐漸對銅離子產(chǎn)生免疫力。 假單胞菌能夠?qū)~合金在海水里的腐蝕速度提高大約20 倍。那些能使細(xì)菌粘附于金屬表面的細(xì)胞分泌物對液相中的銅離子具有飽和鍵合作用。能夠分泌高活性分泌物的菌落能夠與低活性的鄰近區(qū)域形成濃差電池。銅與銅合金也可被硫酸鹽還原菌腐蝕，海水管道中銅鎳合金的焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)可發(fā)生硫酸鹽還原菌引起的點(diǎn)蝕和選擇性腐蝕。 目前有以下幾種解釋銅合金腐蝕機(jī)理的理論：①微生物生成的腐蝕性代謝產(chǎn)物（如二氧化硫）可作為腐蝕反應(yīng)的去極化劑、催化劑；②某些微生物產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)能腐蝕銅，例如H2S、NH3、有機(jī)或無機(jī)酸；③微生物分泌大分子物質(zhì)能捕獲金屬陽離子并形成離子濃差電池；④微生物產(chǎn)生的黏泥，形成氧濃差電池。

    4. 鋁和鋁合金 在航空油箱與含鹽量不同的水溶液熱交換管中，經(jīng)常發(fā)生鋁及鋁合金的微生物腐蝕。在這些事例中，均發(fā)現(xiàn)了微生物引起的點(diǎn)蝕。目前發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中的綠膿桿菌、芽孢梭菌、產(chǎn)氣桿菌以及黃曲霉菌、枝孢菌等，其中腐蝕性較強(qiáng)的是枝孢菌，其次為綠膿桿菌。此類微生物的代謝活動能夠產(chǎn)生多種有機(jī)酸，可使介質(zhì)pH 值顯著降低，氧化還原電位升高，鋁合金的點(diǎn)蝕電位也隨之降低。 研究認(rèn)為含銅鋁合金有時還會發(fā)生晶間腐蝕，原因在于貧銅區(qū)與富銅區(qū)的更迭能夠促進(jìn)晶界上縫隙狀的腐蝕產(chǎn)生。此外，硫酸鹽還原菌的生長也能促使鋁表面陰極去極化，進(jìn)而加速鋁的腐蝕。微生物造成鋁合金腐蝕的幾條主要途徑：生成腐蝕性化合物；消耗水中的緩蝕劑；形成濃差電池；微生物細(xì)胞外酶的活性；陰極去極化作用。

    5. 鎳和鎳合金 盡管鎳合金具有較強(qiáng)的耐微生物腐蝕能力，但仍存在發(fā)生嚴(yán)重孔蝕的可能性。某些嗜熱菌可使Ni20 發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。在20~80℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，微生物腐蝕會加重。

    （四）高分子材料的微生物腐蝕機(jī)制

    微生物在自然界中無處不在，包括物體表面，但是物體附著表面的微生物明顯不同于其他浮游態(tài)微生物。在適宜的條件下，如微生物的自身性質(zhì)（種類、培養(yǎng)條件、濃度、活性等）、載體表面性質(zhì)（表面親水性、表面負(fù)荷、表面化學(xué)組成、表面粗糙度等）以及環(huán)境條件（pH、離子強(qiáng)度、水流剪切力、溫度等），大量微生物附著在材料表面形成一層菌膜，并進(jìn)一步形成微型生物黏膜，即微生物膜，這種生物膜污染不僅影響材料腐蝕過程，同時也在很大程度上影響了設(shè)備的使用性能。 對于高分子而言，膜生物污染過程一般可分為兩個階段：第一階段是微生物（包括各種細(xì)菌和真菌）通過向膜面的傳遞（可以通過擴(kuò)散、重力沉降、主體對流）而能動地積累在膜面上形成生物膜。當(dāng)生物膜積累到一定程度引起膜通量的明顯下降時便是第二階段——生物污染，幾乎所有的天然和合成高分子材料都易于被細(xì)菌吸附并在上面生長繁殖，即使是表面自由能很低的憎水性材料也會被大量的細(xì)菌所吸附。形成生物膜的細(xì)菌由于自身代謝和聚合作用會產(chǎn)生大量的細(xì)胞外聚物，它們將黏附在膜面上，形成黏度很高的水合凝膠層，進(jìn)一步增強(qiáng)了污垢與膜的結(jié)合力。 高分子材料的微生物腐蝕或降解主要取決于聚合物分子的大小和結(jié)構(gòu)、微生物的種類以及微生物的生活環(huán)境條件。對高分子材料麗言，一般可微生物腐蝕的化學(xué)結(jié)構(gòu)順序?yàn)椋褐咀艴ユI、肽鍵>氨基甲酸酯>脂肪族醚鍵>亞甲基。另外，相對分子質(zhì)量大、分子結(jié)構(gòu)排列有規(guī)則、疏水性大的聚合物，不利于微生物的生長和定殖。高分子材料微生物腐蝕的優(yōu)勢菌群和降解途徑通常由環(huán)境溫度和濕度等條件決定的，腐蝕性微生物一般可分為好氧型和厭氧型，當(dāng)有氧條件下，好氧微生物是破壞復(fù)雜材料的主要因素，最終產(chǎn)物為微生物生物量、CO 2、H2O等；相反，在缺氧條件下，厭氧共生菌對高分子物質(zhì)的腐蝕起了關(guān)鍵作用，無氧呼吸的最終電子受體不是氧，其最終產(chǎn)物為微生物生物量、CO2、CH4和H2O（在有甲烷生成條件下）或H2S、CO2和H20（在硫酸還原條件下）。相比厭氧條件下，有氧過程能產(chǎn)生大量能量，可以供微生物生長，并且好氧條件在自然環(huán)境很常見，在實(shí)驗(yàn)室中也易模擬。目前已知有兩類細(xì)胞酶參加了高分子材料的腐彬降解：胞外和胞內(nèi)解聚酶。在降解/腐蝕過程中，微生物胞外酶破壞高分子，產(chǎn)生小短鏈或更小的分子（如單體、二聚體和低聚物）以至于能通過細(xì)菌的半透膜，被細(xì)菌作為碳源和能源加以利用，這種就叫解聚作用，當(dāng)分解產(chǎn)物為無機(jī)物質(zhì)（如CO2、H2O）或CH4則叫礦化作用。高分子的結(jié)構(gòu)越接近天然分子，就越容易被降解和礦化，如纖維素、幾丁質(zhì)和聚口一羥基丁酸酯（PHB），可以完全迅速地被抑氧微生物在自然條件下降解。對于化學(xué)合成高分子物質(zhì)，雖然降解速率極低，但是在特定環(huán)境或特殊用途中，由于對微生物敏感性增加從而加速了高分子的微生物FDSD腐蝕。

    （五）幾種高分子材料的微生物腐蝕

    1. 航空航天結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRPCMs）因其高強(qiáng)、輕質(zhì)等特性，成為航空航天領(lǐng)域中的新寵，開拓應(yīng)用于軍用飛機(jī)、無人戰(zhàn)斗機(jī)及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星等航天航空結(jié)構(gòu)材料中。然而出于航天航空飛行及其安全的考慮，迫切需要對其抗生物降解性能作出評價。研究表明，F(xiàn)RPCMs對微生物污染是非常敏感的，從腐蝕的聚合材料中分離出的混合真菌，能夠在FRPC-Ms表面形成生物膜，致使材料對環(huán)境變化的抵抗力減少。久之就會導(dǎo)致材料的腐蝕。研究發(fā)現(xiàn)，有兩類微生物可以腐蝕FRPCMs：一類混合細(xì)菌包括硫酸還原細(xì)菌，另一種是從被腐蝕的高分子材料中分離的真菌聚生體。真菌聚生體包括雜色曲霉（Aspergil1us versicolor）、毛殼霉（Chaetomium sp.）等。雖然細(xì)菌和真菌均能夠在FRPCMs的石墨纖維中生長，但是僅真菌能夠?qū)е赂g（接種實(shí)驗(yàn)350 d以上）。此外，許多真菌能夠利用聚合材料生產(chǎn)過程添加的增塑劑、表面活性劑等物質(zhì)作為營養(yǎng)物，也是聚合材料可被生物腐蝕的一個重要原因。 運(yùn)用微生物學(xué)方法可以檢測到FRCPMs擁有足夠的有機(jī)碳源以供微生物生長繁殖，但是電化學(xué)阻抗譜法（EIS）卻更靈敏且檢測范圍廣泛，具有降解特性的活性真菌接種于FRCPMs表面，運(yùn)用EIS法檢測，發(fā)現(xiàn)其電阻率明顯下降。

    2. 電絕緣聚酰亞胺 聚酰亞胺是一種耐熱性極好的聚合物，耐輻射、抗降解、力學(xué)性能和電性能突出，廣泛用于航空航天、軍事、電子等領(lǐng)域，其穩(wěn)定性的問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。將從被腐蝕絕緣材料表面分離的真菌接種于聚酰亞胺薄膜和絕緣硅晶片表面，運(yùn)用EIS方法檢測薄膜表面的變化，結(jié)果顯示它們對真菌腐蝕很敏感，并且聚酰亞胺的介電性能可以由于微生物在其上面的生長徹底改變。聚酰亞胺腐蝕過程可分為兩步驟：部分高分子基質(zhì)中進(jìn)入了水分和離子導(dǎo)致了涂層抗性的降低，接著由于真菌的活性而導(dǎo)致高分子物質(zhì)的進(jìn)一步腐蝕，電阻率大幅度下降。這些真菌包括雜色曲霉（A. versicolor），芽枝狀枝孢（Cladosporium cladosporioides）和毛殼霉（Chaetomium sp.）。雖然從被腐蝕的聚酰亞胺中能夠分離到某些細(xì)菌，但是沒有進(jìn)一步研究證明這些細(xì)菌能夠腐蝕高分子聚酰亞胺。但是聚酰亞胺的介電性能可以被生長的微生物膜徹底改變。

    3. 苯二甲酸二甲酯及其異構(gòu)體 3種苯二甲酸二甲酯異構(gòu)體——鄰、間和對苯二甲酸二甲酯（DMP、DMI、DMT）類化合物是世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣的人工合成化合物，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)作為增塑劑和生產(chǎn)聚酯的原材料。Vega等研究了一個由節(jié)桿菌（Arthrobacter sp.）和少動鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas paucimobilis）兩種細(xì)菌構(gòu)建的菌群對鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）的降解能力，發(fā)現(xiàn)Arthrobacter sp.能夠?qū)MP轉(zhuǎn)化為鄰苯二甲酸單甲酯（MMP），但不能將MMP進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鄰苯二甲酸（PA），但是這個菌株卻有PA的降解能力。而另一個菌株少動鞘氨醇單胞菌（S. paucimobilis）能夠?qū)MP轉(zhuǎn)化為PA，并且能完全降解PA，但是卻不能完成DMP到MMP的轉(zhuǎn)化。因此，利用由這兩個菌株構(gòu)建成的菌群能夠很好地完全礦化DMP。所以由于結(jié)構(gòu)上的差異，在特定的環(huán)境條件下，對苯二甲酸二甲酯和問苯二甲酸二甲酯的完全礦化可能需要2種或者2種以上的菌株合作才能完成，或者是需要添加另外的碳源，依靠細(xì)菌特有的共代謝過程進(jìn)行完全礦化，這種菌株間的協(xié)作以及共代謝作用不但能礦化有機(jī)物，同時對自然界中細(xì)菌的生物多樣性及代謝多樣性具有重要意義。另外，不同菌源對苯二甲酸酯的降解性能也不同，少動鞘氨醇單胞菌（S. paucimobilis）是能夠降解苯二甲酸的一類非常重要的菌種。 劉長庭等在神舟飛船的返回艙冷凝水中分離到少動鞘氨醇單胞菌（S. paucimobilis），并完成了菌株的基因組測試分析。空間環(huán)境中少動鞘氨醇單胞菌（S. paucimobilis）可能也作為一類重要腐蝕菌對密閉飛行器使用的高分子材料等產(chǎn)生腐蝕作用。

    二、腐蝕微生物的研究方法

    進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，各種表面分析技術(shù)（ EDAX，XPS，XRD）、電化學(xué)技術(shù)（ EIS，EMPA）、微觀成像技術(shù)（ AFM，ESEM，SECM，SVM）和生物技術(shù)（ PCR，16S rRNA）等都被應(yīng)用到微生物腐蝕領(lǐng)域，在腐蝕界掀起了一股研究熱潮。 （一）現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù) 細(xì)菌在微生物腐蝕過程中具有極其重要的作用，有關(guān)微生物腐蝕的機(jī)理研究、腐蝕監(jiān)控和殺菌劑效果的評定等都需要能及時對影響腐蝕過程的微生物進(jìn)行檢測。多年來，對微生物的檢測仍廣泛采用傳統(tǒng)的培養(yǎng)法，如SRB計(jì)數(shù)的MPN法等，盡管其使用可靠性高，但操作繁瑣、耗時長、工作量大，不易推廣使用。目前已報(bào)道了多種用于微生物快速檢測的新技術(shù)，主要包括氣相色譜技術(shù)、放射測量法、阻抗測量法、微量量熱法和生物發(fā)光法等物理化學(xué)方法，以及放射免疫測定法和酶聯(lián)免疫吸附測定法等免疫學(xué)方法，并將這些技術(shù)與計(jì)算機(jī)結(jié)合而發(fā)展了多種微生物自動化檢測儀器和簡易檢測系統(tǒng)。這些技術(shù)主要應(yīng)用于微生物分類學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)和環(huán)境檢測等領(lǐng)域。SRB的檢測技術(shù)從原理上可分為顯微鏡直接計(jì)數(shù)法、細(xì)菌構(gòu)成物定量法和代謝物的檢測等，這些方法快速、高效，但仍存在一些不足，如顯微鏡直接計(jì)數(shù)法無法分辨細(xì)菌的死活、ATP測試儀受到檢測范圍的限制等等。 （二）現(xiàn)代表面分析技術(shù) 結(jié)合表面原位或非原位的觀察來實(shí)證表面的腐蝕形貌和腐蝕特征，稱為腐蝕圖像學(xué)。由于具有直觀性和實(shí)證性，甚至具有獲取信息的唯一性，腐蝕圖像學(xué)使生物膜的觀察及厚度測量等成為可能，對腐蝕研究也是極其重要的，并且變得越來越重要。用于腐蝕表觀形貌分析的方法包括金相分析、掃描電鏡或環(huán)境掃描電鏡（SEM 或ESEM）、原子力顯微鏡（AFM）、透射電鏡（TEM）等，用于腐蝕產(chǎn)物和表面膜特征分析的有X-射線衍射（X-Ray）、X-射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（FTIR）等，而熒光顯微鏡、掃描共聚焦顯微鏡（CSLM）在微生物研究中發(fā)揮著重要作用。 （三）電化學(xué)方法 微生物腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)過程，微生物的附著可以改變金屬表面的電化學(xué)狀態(tài)，因此可用電化學(xué)方法研究微生物腐蝕的詳細(xì)過程及其腐蝕機(jī)制、監(jiān)測微生物腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。電化學(xué)測量方法的目的在于分析研究金屬電極在各瞬間表面狀況下的電化學(xué)行為及其與腐蝕的相互關(guān)系。當(dāng)金屬電極表面吸附有微生物時，由于附著不均勻或微生物生命活動如呼吸、新陳代謝、胞外分泌物等引起金屬表面狀況的變化，必然引起電化學(xué)行為的變化。從腐蝕電化學(xué)的角度來研究、記錄各種腐蝕參數(shù)的變化，包括通過電位（自然腐蝕電位、孔蝕電位、電化學(xué)噪聲電位等）、電流（腐蝕電流密度、穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)孔蝕電流、電化學(xué)噪聲電流、氫滲透電流等）、電阻（極化電阻等）等信號的變化來反映材料、環(huán)境的相互作用機(jī)制和特征，統(tǒng)稱為腐蝕信號學(xué)。 在微生物腐蝕研究中，極化曲線的方法可以：1）判斷微生物附著對腐蝕速率的影響。在其它條件完全相同的情況下，初始電位差愈大，其腐蝕電流也愈大。也就是說，如金屬的陽極極化較小，當(dāng)陰極反應(yīng)及其極化曲線相同時，即金屬的平衡電位愈負(fù)，腐蝕電流愈大。2）判斷微生物腐蝕的控制因素。把腐蝕金屬電極的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)的理想極化曲線畫在一個坐標(biāo)系上得到的Evans腐蝕極化圖，可用于確定影響腐蝕的控制因素。阻抗譜的方法可以判斷微生物附著對腐蝕速率的影響，也判斷微生物膜的情況。采用交流阻抗譜方法測試獲得一系列數(shù)據(jù)后，為了便于量化分析，通常需根據(jù)一定的物理意義建立相應(yīng)的等效電路模型，如等效電路模型與測量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果能很好的吻合，則可利用電路模型中各電路元件的參數(shù)值的變化分析腐蝕的動力學(xué)及其機(jī)理。在考察微生物對腐蝕的影響機(jī)制時，通常采用對比的方法進(jìn)行，即分別測試研究對象在一定種類微生物溶液中和不含微生物的溶液中的阻抗譜，比較它們的差異，分析微生物對腐蝕的影響。四）模擬微生物膜的方法

    為了很好地理解微生物膜的特性和微生物的活動對材料腐蝕的影響規(guī)律，學(xué)者們在實(shí)驗(yàn)室通過制備特種凝膠建立模擬微生物膜，利用人工生物培養(yǎng)方法增加電極表面細(xì)菌數(shù)量，開展了各種研究。Roe在低碳鋼上沉積細(xì)胞外生物高分子（藻酸鈣Ca-Alg和瓊脂糖）來模擬微生物腐蝕，研究了溶解氧、pH值及電極電位在電極表面的分布情況。王慶飛以含羧酸官能團(tuán)的 β-D-甘露糖醛酸單元等構(gòu)成的天然高分子多糖凝膠沉積于電極表面而建立模擬生物膜環(huán)境，探討了模擬海水NaCl溶液中生物膜對10CrMoAl、E2低合金鋼和1828不銹鋼腐蝕行為的影響。

    細(xì)菌生物膜與空間微生物腐蝕

    細(xì)菌生物膜是自然環(huán)境中細(xì)菌對抗外界營養(yǎng)匱乏或應(yīng)激的重要生存策略，由吸附于固體表面的同質(zhì)或異質(zhì)性細(xì)菌群體其分泌的胞外多聚物構(gòu)成，為細(xì)菌的定植和繁殖提供生存環(huán)境。生物膜廣泛存在，且不易清除，目前已發(fā)現(xiàn)不少慢性感染的急性發(fā)作與生物膜形成密切相關(guān)。與此同時，生物膜的形成能力也很大程度上決定了微生物腐蝕發(fā)生的進(jìn)程。生物膜形成增加了細(xì)菌在空間，特別是長期空間環(huán)境，這一獨(dú)特環(huán)境中的生存能力。在空間密閉環(huán)境中，水汽易于凝結(jié)在材料表面，造成細(xì)菌的附著，進(jìn)而在材料表面定居和繁殖，而幾乎所有的天然和合成高分子材料都易于被細(xì)菌吸附，細(xì)菌則利用材料及其周圍環(huán)境中的碳源和能量，在空間站中各類材料或涂層表面形成生物膜。生物膜的形成進(jìn)一步造成細(xì)菌的滋生，一旦對飲水或空氣循環(huán)系統(tǒng)造成污染，必將嚴(yán)重威脅宇航員健康。此外，細(xì)菌生物膜的形成將加速空間站和航天器材料的腐蝕，縮短服役材料的壽命，對空間站運(yùn)行造成危害。由于胞外基質(zhì)的存在，生物膜內(nèi)的細(xì)菌對外界環(huán)境抵抗力、抗生素和消毒劑抗性增強(qiáng)，給宇航員的長期健康維護(hù)和材料表面的微生物控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。

    一、空間密閉環(huán)境中細(xì)菌生物膜的發(fā)現(xiàn)

    在空間載人密閉艙室中，雖然航天服、裝船產(chǎn)品等都要經(jīng)過嚴(yán)格的消毒，微生物仍會隨航天員的身體、人體分泌物或航空部件等途徑進(jìn)入。載人太空艙的密閉環(huán)境為大量微生物的生長創(chuàng)造了適宜條件。蘇聯(lián)“和平號”空間站內(nèi)曾檢測到108種細(xì)菌，自1985年來，多次發(fā)現(xiàn)很多細(xì)菌甚至包括能引起嚴(yán)重感染的病原菌，在水循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了大量生物膜的存在，給宇航員健康帶來嚴(yán)重威脅，并嚴(yán)重危害與空氣和水直接接觸的空間材料完整性。從過去多個NASA任務(wù)中都檢測到銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等。銅綠假單胞菌可能參與了“和平號”空間站多聚材料的腐蝕降解。在多次太空飛行任務(wù)中，空間環(huán)境加速銅綠假單胞菌生物膜的形成，與地面對照相比，形成厚厚的傘狀生物膜。經(jīng)過太空飛行后，沙門氏菌可能通過細(xì)胞外基質(zhì)形成增加致使毒力增強(qiáng)。大量地面研究也同樣支持此結(jié)果，大腸桿菌等多種細(xì)菌在模擬微重力條件下生物膜形成能力增加。因此，細(xì)菌生物膜的存在將是長期太空任務(wù)無可爭議的事實(shí)。研究人員從空間站帶回的小塊聚合纖維板觀察后發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和微生物對它的破壞已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。NASA和俄羅斯宇航局規(guī)定：在空間飛行任務(wù)中使用的材料應(yīng)評估其生物膜形成情況才能被采用。因此，深入了解細(xì)菌生物膜形成機(jī)制，對于制定針對性的空間微生物防控策略至關(guān)重要。

    二、細(xì)菌生物膜的組成及特性

    最早列文霍克等人用普通光學(xué)顯微鏡在牙齒上發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌生物膜的存在。過去三十幾年間，人們已經(jīng)利用先進(jìn)的顯微技術(shù)和微生物培養(yǎng)技術(shù)，在工業(yè)、生態(tài)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，如細(xì)菌生物膜超微結(jié)構(gòu)的解析和粘附與生物膜相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn)。在適當(dāng)條件下，細(xì)菌都易于粘附于活組織、內(nèi)置醫(yī)療器件、工業(yè)/飲用水管道或自然水系統(tǒng)等各種類型的表面，形成細(xì)菌生物膜。根據(jù)周圍環(huán)境的不同，細(xì)菌生物膜的非細(xì)胞成分還可能包括礦物結(jié)晶、腐蝕顆粒、黏土/泥沙顆粒或血液成分等。與浮游細(xì)菌相比，生物膜內(nèi)的細(xì)菌生長速度減慢，某些特定基因發(fā)生表達(dá)變化。 （一）生物膜的組成。  微生物腐蝕本質(zhì)上是一個界面過程，其進(jìn)程由界面的生理生化微環(huán)境決定，如氧氣、鹽、pH值、氧化還原電位和導(dǎo)電性等，而所有這些參數(shù)都與界面上的微生物有關(guān)。體外培養(yǎng)條件下，細(xì)菌多呈均勻、懸浮生長，單個細(xì)菌以浮游狀態(tài)存在。然而，在某種特殊條件下，細(xì)菌引發(fā)特異的機(jī)制粘附并聚集于固體表面，分泌基質(zhì)成分形成微菌落，逐漸形成一個具有結(jié)構(gòu)性、協(xié)調(diào)性和功能性的高度組織群體，即成熟的細(xì)菌生物膜，可以是單層或多層。在合適條件下，部分細(xì)菌從生物膜上脫落，釋放出浮游細(xì)菌，在新的部位定植形成新群落，引起下一輪定植或感染。生物膜還為基因水平交換提供了一個理想的環(huán)境，充分的基因交換有利于生物膜結(jié)構(gòu)維持和穩(wěn)定。與浮游細(xì)菌不同的是， 生物膜中的細(xì)菌環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。細(xì)菌生物膜主要是由細(xì)菌和其聚集產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）基質(zhì)組成，提供最適環(huán)境用于細(xì)胞間信息交換。胞外基質(zhì)是生物膜的主要成分，包括胞外多糖、蛋白質(zhì)、DNA、RNA、脂類等生物分子， 其中以胞外多糖和蛋白質(zhì)研究居多。生物膜內(nèi)部不同部位的營養(yǎng)攝取需求和方式不同，如生物膜中心或底部的細(xì)菌由于處于靜止?fàn)顟B(tài)，對營養(yǎng)的需求降低；生物膜存在水流通道，可增加生物膜的表面積和對流轉(zhuǎn)運(yùn)能力；生物膜外層的小塊生物膜釋放和單個細(xì)胞脫離， 從而獲得更多的營養(yǎng)。因此，細(xì)菌生物膜的特點(diǎn)是內(nèi)部細(xì)菌的異質(zhì)性（heterogeneity）， 即生物膜內(nèi)不同部位的細(xì)菌呈現(xiàn)不同的基因表達(dá)模式， 發(fā)揮不同的功能。細(xì)菌生物膜的結(jié)構(gòu)按從外到內(nèi)依次分為：生物膜主體層（bulk of biofilm）、連接層（linking film）、調(diào)節(jié)層（conditioning film）、基質(zhì)層（substratum）。形成生物膜的細(xì)菌由于自身代謝和聚合作用會產(chǎn)生大量的細(xì)胞外多糖，它們將粘附在膜面上， 形成粘度很高的水合凝膠層，進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)菌與膜的結(jié)合能力，是一個高度自發(fā)的過程。

    （二）生物膜的類型。依據(jù)固體表面與細(xì)菌細(xì)胞間的作用特點(diǎn)，將生物膜分為單層和多層生物膜兩種。單層生物膜更為突出地表現(xiàn)為細(xì)菌與表面的直接相互作用，參與這類生物膜形成的主要是細(xì)菌粘附相關(guān)的結(jié)構(gòu)（如鞭毛、菌毛）和粘附素。多層生物膜除了細(xì)菌與表面的相互作用外，增加了細(xì)菌間的相互作用。然而，細(xì)菌表面在多數(shù)情況下互斥的。例如，革蘭陰性菌表面的化學(xué)特性是由表面的O抗原決定的，通常是帶負(fù)電荷的。為形成生物膜，需要將負(fù)電中和，如下調(diào)或失活O抗原表達(dá)、加入二價離子或合成胞外多聚物等。

    三、細(xì)菌生物膜形成的調(diào)控機(jī)制

    經(jīng)過長期的進(jìn)化，細(xì)菌細(xì)胞已經(jīng)發(fā)展出了一套精密的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在感應(yīng)外界環(huán)境變化時，能通過調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，迅速適應(yīng)環(huán)境的變化。在合適條件下，細(xì)胞的環(huán)境信號應(yīng)答系統(tǒng)首先被激活，調(diào)控蛋白的表達(dá)發(fā)生改變，進(jìn)而影響胞外多糖、鞭毛、菌毛以及淀粉樣蛋白纖維組成蛋白的合成，細(xì)胞表面的結(jié)構(gòu)改變，促進(jìn)細(xì)菌在固體表面的粘附。一旦粘附成功，且細(xì)菌達(dá)到一定的數(shù)量，誘發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生并分泌信號分子，避免細(xì)菌因過度生長而造成空間和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏，更重要的是可以控制并協(xié)調(diào)整個細(xì)菌群體行為，對周圍環(huán)境刺激做出協(xié)同反應(yīng)，極大增強(qiáng)了整個細(xì)菌群體的生存能力。

    生物膜的基本形成過程

    在固體表面形成生物膜主要包括細(xì)菌的初始附著（可逆）、生物膜早期結(jié)構(gòu)形成（不可逆）、生物膜成熟和生物膜細(xì)菌脫落為游離狀態(tài)四個步驟（圖1A）。細(xì)菌可以粘附有生命和無生命的固體材料表面。無生命的材料包括金屬、玻璃、塑料和醫(yī)療內(nèi)置器械等；有生命的材料包括上皮細(xì)胞、人類皮膚和動物組織表面等。盡管材料表面溫度、pH值、離子環(huán)境、靜電斥力和水動力微環(huán)境不利于生物膜形成，然而細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出鞭毛動力裝置，主動克服這些阻力，形成了細(xì)胞初始粘附的動力。當(dāng)然，除了有動力的細(xì)菌，目前也發(fā)現(xiàn)，有些無動力的細(xì)菌也能通過粘附因子的表達(dá)實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的初始粘附，該過程是可逆的。在經(jīng)過初始粘附之后，鞭毛動力裝置被抑制，細(xì)菌被固定在固體表面，逐漸形成早期的生物膜。此時，第二信使分子c-di-GMP產(chǎn)生，在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)多糖的合成，細(xì)菌由原有的游離狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)。此外，菌毛也在細(xì)菌的初始粘附和早期生物膜形成中發(fā)揮重要作用。一旦早期生物膜牢固地附著于固體表面，細(xì)菌則通過細(xì)胞間相互作用聚集在一起，分泌胞外基質(zhì)成分，形成具有三維結(jié)構(gòu)的成熟生物膜。細(xì)菌的自轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和胞外多聚物在生物膜成熟過程中不可或缺。自轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)能輔助細(xì)菌間的粘附、促進(jìn)細(xì)菌聚集和三維結(jié)構(gòu)形成。胞外多聚物是生物膜區(qū)別于游離細(xì)菌的主要特征，有利于細(xì)菌間和細(xì)菌-材料表面的相互作用，作為細(xì)菌生物膜的支撐物，起到保護(hù)三維結(jié)構(gòu)的作用。分泌到基質(zhì)的胞外多糖維持生物膜的形狀和結(jié)構(gòu)，主要包括β-1，6-N-乙酰-D-葡萄糖胺多聚體（PGA）、纖維素和克拉酸三種多糖。脂多糖和莢膜是形成成熟生物膜的重要因子。生物膜成熟后，發(fā)生基質(zhì)的酶解或密度感應(yīng)效應(yīng)，部分細(xì)菌解離，形成游離細(xì)菌，鞭毛蛋白上調(diào)，定植到其他部位，形成新的生物膜。

    參與生物膜調(diào)控的信號感應(yīng)系統(tǒng)

    研究中發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌IV型菌毛介導(dǎo)的蹭行運(yùn)動（twitching motility）參與了生物形成，當(dāng)蹭行運(yùn)動喪失， 銅綠假單胞菌就不能形成生物膜。細(xì)菌形成生物膜是一個復(fù)雜的多因素調(diào)控過程，主要由信號感應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳遞外界環(huán)境信號，引起應(yīng)答反應(yīng)。信號感應(yīng)系統(tǒng)包括：二元調(diào)控系統(tǒng)（TCS）、胞質(zhì)外信號感應(yīng)通路（ECF）和密度感應(yīng)系統(tǒng)（QS）。

    1. 二元調(diào)控系統(tǒng)與生物膜形成

    二元調(diào)控系統(tǒng)主要組分包括組氨酸激酶（HK）和反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白（RR）。組氨酸激酶能感應(yīng)外界信號，包括N端的配體結(jié)合域、C端激酶結(jié)構(gòu)域，通過將ATP的磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移到激酶特定的組氨酸殘基上，實(shí)現(xiàn)信號的傳導(dǎo)。接下來，組氨酸激酶再將獲得的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到調(diào)節(jié)蛋白的天冬氨酸殘基上，激活轉(zhuǎn)錄因子。下面分別以革蘭陰性菌銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌為例簡要介紹二元調(diào)控系統(tǒng)在細(xì)菌生物膜形成中的作用。GacS（HK）/GacA（RR）參與銅綠假單胞菌生物形成，該系統(tǒng)誘導(dǎo)RsmY和RsmZ的表達(dá)，浮游細(xì)菌向靜止聚集狀態(tài)過渡。此外，還有兩個組氨酸激酶RetS、LadS與Gac系統(tǒng)相關(guān)，分別抑制或激活生物膜形成相關(guān)基因。革蘭陽性菌則感應(yīng)修飾的寡肽，實(shí)現(xiàn)二元系統(tǒng)的激活。金黃色葡萄球菌二元調(diào)控系統(tǒng)GraS（HK）/GraR（RR）促進(jìn)生物膜的形成，增加對萬古霉素的抗性。金黃色葡萄球菌可產(chǎn)生多聚糖胞間粘附素（PIA）依賴或非依賴的多層生物膜。PIA由ica操縱子編碼，其中，icaADBC編碼基因負(fù)責(zé)生物膜合成，IcaR則負(fù)調(diào)控生物膜形成。

    2. 胞質(zhì)外信號感應(yīng)通路與生物膜形成

    胞質(zhì)外信號感應(yīng)通路也在生物膜形成過程中發(fā)揮重要作用，參與該通路主要成分是細(xì)胞膜上的σ（Sigma）因子和抗σ因子。此外，有些外膜和周質(zhì)蛋白也參與該過程。周質(zhì)蛋白感應(yīng)外界信號后，抗σ因子降解，釋放σ因子，生物膜相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄。銅綠假單胞菌中，AlgU屬于σ因子，負(fù)責(zé)胞外多糖中褐藻糖的生物合成，進(jìn)而影響到生物膜形成。感應(yīng)某種未知信號，抗σ因子MucA的C末端周質(zhì)結(jié)構(gòu)被蛋白酶AlgW切割，從而解除對AlgU抑制。AlgU激活algUmucABCD操縱子，促進(jìn)褐藻糖合成和IV型菌毛的組裝，進(jìn)而形成生物膜。

    3. 密度感應(yīng)系統(tǒng)與生物膜形成 密度感應(yīng)系統(tǒng)中，信號分子由單個細(xì)胞產(chǎn)生，并釋放到細(xì)胞外環(huán)境中，隨著細(xì)菌密度的上升不斷累積增加，信號分子積累到一定的濃度，即超過細(xì)胞所能承受的閾值，這些信號分子就會結(jié)合到細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄激活因子上，進(jìn)而引起細(xì)胞內(nèi)一系列相關(guān)應(yīng)答反應(yīng)，如分泌毒力因子、調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)和增加遺傳物質(zhì)交換頻率等。在革蘭陰性菌中，群體感應(yīng)信號分子主要是N-乙酰化的高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）的衍生物。以銅綠假單胞菌為例，存在2個級聯(lián)QS信號系統(tǒng)（控制細(xì)胞外毒力因子表達(dá)的LasR-LasI系統(tǒng)和控制幾種二級代謝所需產(chǎn)物的RlhR-RlhI系統(tǒng)），前者對后者有調(diào)控作用。銅綠假單胞菌野生株形成的高度結(jié)構(gòu)化、較厚且抗性強(qiáng)，而 LasI變異株形成的生物膜結(jié)構(gòu)簡單、相對較薄且對殺菌劑敏感。革蘭陽性菌則利用自身分泌修飾后的寡膚類物質(zhì)作為信號分子，其調(diào)控方式不同于革蘭陰性菌，通過磷酸化及去磷酸化的雙組分感應(yīng)蛋白來調(diào)控基因的表達(dá)。還有一種信號分子呋喃酰硼酸二酯（AI-2型信號分子），由luxS基因編碼合成，該基因在革蘭陽性及陰性細(xì)菌中普遍存在且有較強(qiáng)的保守性，多數(shù)種類的IuxS同源序列與Al-2合成相關(guān)， 表明Al-2可能是廣泛存在的細(xì)菌種間信號分子，負(fù)責(zé)種間細(xì)菌的信號傳導(dǎo)。此外，調(diào)控基因自身也受到周圍微環(huán)境的調(diào)節(jié)，如錳、鐵、碳源、氧濃度和代謝產(chǎn)物等。

   四 細(xì)菌生物膜改變材料的降解或腐蝕。

    腐蝕是使材料破壞的主要形式之一，主要作用于界面上，由界面的理化因素所決定，如氧氣、鹽、pH值、氧化還原電位和電阻等，而所有這些參數(shù)都受生長于界面上的微生物所影響。微生物腐蝕是指微生物引起的腐蝕或受微生物影響的腐蝕。微生物之所以參與腐蝕過程，是由微生物自身的特點(diǎn)決定的，微生物的生長需要水、電子供體和受體、能量和碳源等。對于金屬材料而言，由于細(xì)菌新陳代謝，改變了金屬表面膜電阻，創(chuàng)造了生物膜內(nèi)腐蝕環(huán)境，屬于電化學(xué)性質(zhì)。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，如硫酸還原細(xì)菌、硫酸氧化細(xì)菌、鐵氧化還原細(xì)菌、錳氧化細(xì)菌和產(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)同啟動并影響到電化學(xué)過程。細(xì)菌生物膜的胞外基質(zhì)成分含有95-97%的水，提供了細(xì)菌群落的穩(wěn)定生存環(huán)境，在生態(tài)環(huán)境中占優(yōu)勢地位。因此，微生物腐蝕實(shí)際上是一個生物膜的問題。 目前航天器內(nèi)常采用高分子材料。在一定的時間和一定的條件下，高分子材料的生物被微生物產(chǎn)生的分泌物或酶降解為低分子化合物，最終分解為二氧化碳和水等無機(jī)物。即便對于難以發(fā)生生物降解的化學(xué)合成高分子材料，如果長期置于某種環(huán)境中，也存在著微生物腐蝕的風(fēng)險。因?yàn)槲⑸锞哂袠O強(qiáng)的變異性，在特定條件下，也可能產(chǎn)生能利用這些高聚物的酶類，使之能作為碳源或能源生長，盡管這種降解速率極低，但仍存在這種可能。然而，幾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，都易被細(xì)菌所吸附，并在表面生長繁殖。由于自身代謝和聚合作用會產(chǎn)生大量的胞外多聚物，形成粘度很高的水合凝膠層。除了材料本身特性外，微生物腐蝕主要取決于微生物的種類及環(huán)境條件。微生物腐蝕的優(yōu)勢菌群一般可分為好氧型和厭氧型兩種。

  五   材料表面生物膜形成的影響因素。

    生物膜的形成包括細(xì)菌附著、細(xì)菌間的吸附與增殖、生物膜的成熟和細(xì)菌的解聚四個階段。形成細(xì)菌生物膜首要的步驟就是粘附，影響粘附的因素除了細(xì)菌自身特性外，還包括固體界面的理化特性（硬度和疏水性）和周圍微環(huán)境（水流體動力學(xué)、介質(zhì)特性）。 影響細(xì)菌生物膜形成的細(xì)菌自身特性包括細(xì)菌細(xì)胞表面疏水性、特殊菌體結(jié)構(gòu)和胞外多糖聚合物。盡管細(xì)菌大多帶負(fù)電荷，但細(xì)胞表面也會含有疏水成分，這種疏水特性對細(xì)菌粘附于固體表面十分重要。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)細(xì)菌菌毛就含有大量的疏水性氨基酸，克服了界面的靜電斥力，有利于形成細(xì)胞表面的疏水性和細(xì)菌的粘附。鞭毛是細(xì)菌的動力裝置，在細(xì)菌粘附早期也起到與菌毛類似的作用。與此相一致的是，有動力的細(xì)菌較無動力的細(xì)菌更加容易粘附于固體表面。然而，脂多糖（LPS）的O抗原則增加了革蘭氏陰性菌的親水性。因此，去除了O抗原的生物細(xì)菌膜形成能力增加。此外，胞外多糖聚合物在細(xì)菌粘附過程中也起重要作用。 影響細(xì)菌生物膜形成的固體界面的自身理化特性包括材料的質(zhì)地/硬度、疏水性和條件層。然而，影響細(xì)菌生物膜形成的微環(huán)境則包括溫度、濕度、pH值、營養(yǎng)、離子、氣體、流體動力學(xué)及有無抗菌劑等。   

   六  細(xì)菌生物膜的主要檢測與風(fēng)險評價方法

    細(xì)菌生物膜的檢測方法主要包括直接觀察法、原位雜交分子生物學(xué)檢測、報(bào)告基因檢測和PCR檢測。直接觀察法主要是利用上位熒光、激光共聚焦等顯微鏡和電鏡技術(shù)，進(jìn)行表面和內(nèi)部的形態(tài)、超微結(jié)構(gòu)和數(shù)量的觀察。直接觀察法結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，是檢測細(xì)菌生物被膜形成能力的“金標(biāo)準(zhǔn)”。激光共聚焦掃描顯微鏡法是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，可以對細(xì)菌生物進(jìn)行分層掃描拍攝，觀察其立體結(jié)構(gòu)形態(tài)。此外，結(jié)晶紫染色、剛果紅以及試管法都可用于細(xì)菌生物膜的定性和定量觀察。結(jié)晶紫染色法通常是利用微孔板進(jìn)行生物膜檢測的一種傳統(tǒng)方法，可進(jìn)行半定量的檢測。剛果紅特異性地結(jié)合細(xì)菌胞外多糖，可作為快速定性檢測生物膜的方法。玻璃管法則廣泛運(yùn)用于細(xì)菌生物膜初步定性的檢測方法，適用于大批量細(xì)菌生物膜的初篩。 原位雜交檢測與共聚焦顯微鏡配合使用，在維持細(xì)胞形態(tài)的基礎(chǔ)上可檢測鑒定生物膜的細(xì)菌種類、立體結(jié)構(gòu)和分布情況，操作簡單、快速。報(bào)告基因融合技術(shù)用于了解生物膜基因的表達(dá)情況，該方法容易定量，便于樣品的大量分析。PCR法是檢測生物膜相關(guān)基因非常有效的診斷技術(shù)，可以大大提高細(xì)菌生物膜檢出率。 材料表面典型的細(xì)菌生物膜通常薄層、粘液狀、柔軟濕潤、散發(fā)有機(jī)物味道和色澤變深等特征。然而，有時與腐蝕產(chǎn)物、碳水化合物及抗腐蝕物質(zhì)吸附在一起，這種典型的特征就很難辨認(rèn)了。因此，是否存在細(xì)菌生物膜的可能性對于微生物腐蝕風(fēng)險評估就很重要了。存在以下條件基本上可以排除細(xì)菌生物膜存在的可能性。（1）材料表面工作溫度超過80°C；（2）表面干燥，不產(chǎn)生任何水汽；（3）不存在有機(jī)/無機(jī)營養(yǎng)物；（4）定期采用有效防污措施的部位。細(xì)菌生物膜的風(fēng)險評價方法包括采用碳水化合物（多糖）和蛋白質(zhì)的測定，都使用分光光度計(jì)法。

   七 細(xì)菌生物膜的防控策略

    對于空間環(huán)境中細(xì)菌生物膜的防控措施從細(xì)菌和材料兩個角度進(jìn)行，包括物理化學(xué)殺菌、改變介質(zhì)環(huán)境和生物控制法（圖1B）。粘附是細(xì)菌形成生物膜的第一步。因此，抑制細(xì)菌在材料表面的粘附可有效地控制生物膜可能帶來的損害。物理方法包括紫外線和電磁場殺菌方法。利用短波紫外線的殺菌作用，可以在一定程度上抑制細(xì)菌的生長繁衍，減少微生物腐蝕的發(fā)生。脈沖高壓電場和磁場同樣可以殺滅細(xì)菌。化學(xué)殺菌劑降低微生物的活性，破壞微生物中的酶，從而抑制微生物的繁殖，是種簡單、有效的方法。使用殺菌劑是目前常用的材料表面消毒方法，然而，若殺毒不徹底存活的細(xì)菌或后期定植的細(xì)菌形成生物膜，會產(chǎn)生對殺菌劑更強(qiáng)的耐受性，給將來的殺菌措施帶來困難。目前非常有前景的防控措施還利用特殊生物體產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)，使得細(xì)菌不易在表面定植。 細(xì)菌生長對環(huán)境有特定的要求，改變環(huán)境介質(zhì)的pH 值、溫度，可減少細(xì)菌的數(shù)量。材料表面加入抗生素單體、修飾四乙醚脂可使其具有適當(dāng)?shù)目股锬ぬ匦裕葌鹘y(tǒng)的方法更加環(huán)保、有效。由于生物膜自身特性，完全清除是很困難的，而生物膜達(dá)到一定程度才能造成對材料的破壞。因此，有效的辦法是控制生物膜的規(guī)模，其中一個有效的辦法是加入特異的酶，以降解細(xì)胞間通信的信號分子。 生物控制法多采用噬菌體方法。噬菌體是一種病毒，可寄生在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，并裂解細(xì)菌，達(dá)到防止微生物對材料進(jìn)行腐蝕的目的。某些菌則能選擇性抑制其他細(xì)菌的感染，如當(dāng)表皮葡萄球菌定植于皮膚和鼻孔粘膜，由于其產(chǎn)生胞外絲氨酸蛋白酶，能夠選擇性抑制金黃色葡萄球菌在鼻粘膜的定植和生物膜形成。同樣，攝取乳酸桿菌除了能調(diào)節(jié)免疫外，還能減輕腸道內(nèi)需氧腸桿菌的生物負(fù)擔(dān)。因此，可利用上述特性，采取預(yù)防接種的方式降低宇航員的感染風(fēng)險。除了能引起腐蝕和致病，細(xì)菌生物膜也可用于生物治理，利用微生物數(shù)量多和能固定某些化合物的特點(diǎn)，用于某些頑固化合物的處理，如用于國際空間站廢水處理的再生系統(tǒng)。

    空間腐蝕微生物的中和控制策略

    空間載人密閉艙環(huán)境條件下，滋生的細(xì)菌和真菌等微生物能在密閉艙室內(nèi)的金屬或合金材料器件、高分子復(fù)合材料、無機(jī)非金屬等電路板和儀表盤以及宇航服裝等材料上形成微生物膜，它們的生長繁殖和代謝會腐蝕這些材料，產(chǎn)生微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion, MIC）問題，這會嚴(yán)重威脅空間站的長期在軌運(yùn)行安全，縮短空間站的服役時間。 “和平號”空間站在長達(dá)15年的運(yùn)行期間曾發(fā)生多次由微生物導(dǎo)致的設(shè)備故障。例如，其第3批航天員曾發(fā)現(xiàn)一扇舷窗因?yàn)槊咕纳L造成能見度降低，光學(xué)性能下降。第5批航天員進(jìn)駐期間氧氣電解裝置因真菌的繁殖而出現(xiàn)堵塞。第14、15批宇航員在軌期間其溫控系統(tǒng)曾發(fā)生故障，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是被真菌繁殖形成的膠狀物質(zhì)堵塞了管道。第24批宇航員進(jìn)駐期間曾發(fā)生由于真菌腐蝕造成的電子通訊設(shè)備故障。 此外，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和真菌對密閉艙中使用的聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚乙烯、合成樹脂、有機(jī)玻璃、聚丙烯、橡膠和聚四氟乙烯等高分子材料，以及鋁鎂合金等金屬材料產(chǎn)生了明顯可見的腐蝕現(xiàn)象，它們用于管道、儀表盒、循環(huán)水儀、熱控器、空調(diào)、氧氣點(diǎn)解器、電絕緣套、開關(guān)鏈接器和取景窗等（圖17-1）。 圖17-1A所示為“和平號”空間站帶回的一個觀察窗中的聚四氟乙烯的密封圈被微生物腐蝕，結(jié)構(gòu)金屬材料也被腐蝕形成了一個2 mm的凹陷。這些微生物腐蝕會導(dǎo)致密封性能降低和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，最終影響空間站的可靠運(yùn)行，縮短空間站的使用壽命。圖17-1B所示為“和平號”空間站上拍攝的冷凝水塑料水管中的微生物膜。冷凝水中含有豐富的有機(jī)物和微生物，非常適合微生物的生長。微生物分泌的酸等二次代謝產(chǎn)物會腐蝕冷凝干燥器的中的金屬材料材料，造成換熱器泄漏。圖17-1C所示為“和平號”空間站的電纜、半導(dǎo)體器件和電路板上都滋生了大量的微生物。這些微生物會加速電纜絕緣皮、銅線和線路板材料的腐蝕，導(dǎo)致出現(xiàn)短路、斷路。國際空間站上曾經(jīng)有過一臺通信設(shè)備發(fā)生故障后反復(fù)查找不出原因，后打開設(shè)備機(jī)蓋，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部電路板、電纜及接插件長滿霉菌，絕緣遭到破壞。此外，如圖17-1D所示，滋長在宇航服上的微生物，會加速某些材料的老化。微生物腐蝕一些有機(jī)材料的過程中還可能伴隨有害氣體的釋放，導(dǎo)致密封艙內(nèi)有害氣體超標(biāo)，危害航天員的生命安全。

    圖 17-1 “和平號”的實(shí)踐證明微生物（腐蝕）嚴(yán)重威脅平臺設(shè)備安全和航天員健康 A. 微生物容易在鋁鎂合金器件表面形成微生物膜并產(chǎn)生明顯腐蝕；B. 微生物腐蝕聚酰亞胺高分子材料和復(fù)合材料表面；C. 微生物腐蝕儀表盤和電路板的絕緣材料，容易引起電路故障；D. 微生物可能會滋長在宇航服裝上，宇航服的侵蝕可能導(dǎo)致氣體泄漏等事故，威脅宇航員生命安全。[引自：Klintworth 1999和Novikova 2004]

    國際空間站運(yùn)行期間也曾多次報(bào)道發(fā)生微生物腐蝕事件（圖17-2）。如圖17-2A所示，不銹鋼門板背面因?yàn)榻?jīng)常懸掛濕毛巾的緣故，導(dǎo)致了大量的微生物滋生，這些微生物會對門板產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。圖17-2B所示為國際空間站的空氣分散器，通過專門測試真菌的試片檢測，上面滋長了大量的真菌。微生物可以利用空氣冷凝水中豐富的有機(jī)物生長，分泌出的酸等二次代謝產(chǎn)物會腐蝕金屬材料材料。圖17-2C所示為國際空間站上的空氣過濾器里面滋長了大量的細(xì)菌。這些細(xì)菌可能會造成堵塞和機(jī)器的故障。

    圖17-2 國際空間站的實(shí)踐證明微生物（腐蝕）嚴(yán)重平臺設(shè)備安全 A. 微生物容易在鋁鎂合金門板背面形成微生物膜并產(chǎn)生明顯腐蝕；B微生物容易在空氣分散器形成微生物膜并產(chǎn)生明顯腐蝕； C.微生物腐蝕堵塞空氣過濾器。[引自：Vesper 2008和Maule 2009]

    微生物對各種航天材料逐漸產(chǎn)生腐蝕，加速航天器件的降解耗損，將可能導(dǎo)致空間站內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行失靈，影響航天器的長期正常運(yùn)行及其在軌使用壽命， 甚至對飛行安全和航天員也會造成很大威脅。航天器服役條件惡劣，在軌時間長，而維修條件相對不足，一旦發(fā)生微生物腐蝕設(shè)備故障，損失不可估量。

    一、 空間載人密閉艙環(huán)境微生物的來源

    在人類不斷地開展太空探索和進(jìn)行太空飛行的同時，微生物也伴隨著人類的腳步進(jìn)入太空。在體積有限的空間載人密閉艙室內(nèi)，環(huán)境條件一般會保持總壓力100 kPa，氧分壓21 kPa，溫度23℃和相對濕度30%~70%。這種環(huán)境條件能保證航天員在密閉艙內(nèi)生存和工作，但同樣也為微生物的生長和繁殖提供了有利條件。 一般認(rèn)為，空間載人密閉艙的微生物主要來源于三種途徑：一是在發(fā)射之前，空間站使用的設(shè)備和材料在生產(chǎn)、存放、使用、裝配過程中，裝配廠房環(huán)境中的空氣和機(jī)器、裝配人員及其工具等會將微生物引入設(shè)備表面和內(nèi)部。在地面總裝、測試和發(fā)射準(zhǔn)備過程中，操作人員及物件在進(jìn)出艙體時也會將攜帶的微生物直接擴(kuò)散至艙內(nèi)。

    二是在航天員進(jìn)入空間密閉艙，航天員的人體微生物也隨之進(jìn)入并通過艙內(nèi)氣體和其他接觸途徑播散到空間站各個角落。正常成年人個體身體內(nèi)部或體表一般活躍著超過500多萬種微生物，總質(zhì)量約占人體的1%~2%，其種類涵蓋細(xì)菌、真菌、病毒、支原體、衣原體等。這些細(xì)菌成為了空間密閉艙不可避免的來源。

    三是在空間站建成后，貨運(yùn)飛船在運(yùn)送航天員和補(bǔ)充貨物時，通過人員、貨物的轉(zhuǎn)移，搭乘的新航天員及貨物攜帶微生物也會進(jìn)入艙內(nèi)，并隨氣體的流通而傳遞到空間站的艙內(nèi)。 特別之處是，空間環(huán)境具有地面環(huán)境中所不存在的一些特殊環(huán)境因素，包括離子輻射、原子氧、電磁輻射、微重力、高真空和極度溫差等。這些因素會通過誘導(dǎo)進(jìn)入空間密閉艙室的環(huán)境微生物產(chǎn)生基因突變和調(diào)控機(jī)制的變化，進(jìn)而影響微生物的生物學(xué)性狀和功能。在航天器這樣無地面選擇壓力的高致變環(huán)境中，某些微生物的變異過程可能會促進(jìn)微生物的生長繁殖。

    二、空間密閉艙環(huán)境微生物的多樣性 前蘇聯(lián)和俄羅斯建設(shè)的“和平號”空間站（Mir）1986年開始運(yùn)行至今，為研究長期載人飛行環(huán)境下微生物組成規(guī)律提供了寶貴機(jī)會。在1986~2001年，前蘇聯(lián)和俄羅斯的航天員開展了微生物的采樣和鑒定工作（圖17-3）。他們設(shè)計(jì)了專門針對空間密閉艙中環(huán)境的特殊性的微生物采樣裝置，比如采集艙壁和設(shè)備表面微生物的拭子和接觸培養(yǎng)表面微生物的工具包-“Pipette Kit” 和采集空氣微生物的撞擊式采樣器-“Ecosphere Kit”（圖17-3）。 “Pipette Kit” （圖17-3E）包括的采樣棉簽是一支在端頭處纏有棉花的空心棒，在棒心內(nèi)則注入防腐劑。防腐劑的濃度低于殺滅微生物的濃度，但是足以抑制微生物的繁殖。取樣之后將棉簽裝入套筒內(nèi)，在室溫條件下可以保存7 d。然后，隨聯(lián)盟號或航天飛機(jī)返回地面，在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分離培養(yǎng)和鑒定。 “Ecosphere Kit” （圖17-3F）是為采集空氣中微生物樣品專門設(shè)計(jì)的設(shè)備。該設(shè)備使用的無菌培養(yǎng)平板是在發(fā)射之前由地面工作人員準(zhǔn)備的。針對細(xì)菌和真菌分別配制不同的培養(yǎng)基和制備平板，用塑料袋封裝，抽真空后經(jīng)伽馬射線滅菌處理。在使用時，航天員將培養(yǎng)皿從袋內(nèi)取出，安裝到裝置右端的圓筒內(nèi)，航天員手持此設(shè)備，從目標(biāo)區(qū)域抽取90 L的空氣取樣，之后將培養(yǎng)皿取下，進(jìn)行分離鑒定。 手持式微生物檢測設(shè)備“LOCAD-PTS” （圖17-3G），是由美國國家航空航天局（NASA）的Marshall空間飛行中心聯(lián)合相關(guān)研究機(jī)構(gòu)將一種便攜式內(nèi)毒素檢測系統(tǒng)“Endosafe-PTS”改進(jìn)而來。“LOCAD-PTS”于2006年12月由“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)送往國際空間站，并于2007年3月開始第一次使用，之后，被廣泛地用于空間站內(nèi)微生物污染的監(jiān)測。該檢測器自身重2.2磅，集成了分光光度計(jì)、加熱器、微泵等功能器件，可以與多種測試卡配合使用，用于檢測多種微生物的標(biāo)記分子。目前，在國際空間站上有三種不同的 LOCAD-PTS測試卡，分別用于檢測內(nèi)毒素、葡聚糖和脂磷壁酸，分別對應(yīng)于革蘭氏陰性細(xì)菌、真菌和革蘭氏陽性細(xì)菌的水平。此外，“LOCAD-PTS”系統(tǒng)還附加有與之相配合的表面采樣、樣品處理工具。宇航員可以利用這些工具進(jìn)行表面采樣和樣品處理，然后在軌利用“LOCAD-PTS”對其定量分析，整個過程15 min內(nèi)即可完成。

    圖 17-3 空間載人密閉艙室內(nèi)微生物采樣和取樣裝置 A-B. 俄羅斯航天員Jerry Linenger在“和平號”空間站采集空氣樣品和艙內(nèi)表面樣品；C. 美國女航天員Sunita Williams在國際空間站上做微生物檢測。D. 中國“神舟”飛船開展的艙內(nèi)微生物采樣培養(yǎng)；E. 俄羅斯研發(fā)的“Pipette Kit”艙壁和設(shè)備表面微生物采樣工具包；F. 俄羅斯研發(fā)的“Ecosphere Kit”空氣微生物采樣工具包；G. 美國研發(fā)的手持式微生物檢測設(shè)備“LOCAD-PTS”。 [引自：Pierson 2001、Novikova 2006和Maule 2009]

    俄羅斯生物醫(yī)學(xué)研究中心先后從“和平號”空間站采集的約1000余份樣品中分離和鑒定出234株微生物，表17-1為不同樣品中主要包括的40個不同屬細(xì)菌和25個屬的真菌。 1998-2005年間，美俄合作開展了“國際空間站”（ISS）在軌飛行發(fā)射前、在軌和返回后的微生物采樣分析工作。航天員采用不同的工具對各艙段的空氣、水和表面進(jìn)行采樣，然后將采集的樣品返回，在地面實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行分離和鑒定。到目前為止，國際空間站上已經(jīng)進(jìn)行了88次取樣檢測。其中從空氣中取了26個區(qū)域樣本，從艙室表面取了62個區(qū)域樣本。經(jīng)地面分離培養(yǎng)，鑒定了84 種微生物，分別屬于12個屬細(xì)菌和11個屬的真菌（表17-1）。 我國“921”載人航天工程從1999 年發(fā)射“神舟一號”至2002 年“神舟四號”飛船上，實(shí)施了飛船發(fā)射、運(yùn)行、返回及留軌運(yùn)行期間對空間環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測，為“神舟五號”載人飛行打下了基礎(chǔ)。2003 年“神舟五號”首次將航天員送入太空，標(biāo)志著我國成為繼前蘇聯(lián)和美國之后，第三個有能力獨(dú)自將人送上太空的國家。2005 年，“神舟六號”又將兩名航天員送入太空，實(shí)現(xiàn)了多人多天飛行的目標(biāo)，全面驗(yàn)證和考核了飛船的生命保障功能以及其它系統(tǒng)等。2008 年，我國航天員乘坐“神舟七號”載人航天飛船成功進(jìn)入太空，順利完成空間出艙活動和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了我國空間技術(shù)發(fā)展具有里程碑意義的重大跨越，標(biāo)志著我國成為世界上第三個獨(dú)立掌握空間出艙關(guān)鍵技術(shù)的國家，奠定了中國空間站技術(shù)基礎(chǔ)的重要一步。2011 年，“神舟八號”飛船成功與“天宮一號”完成交會對接，實(shí)現(xiàn)了中國載人航天首次空間無人自動交會對接試驗(yàn)。2012 年，“神舟九號”飛船成功與“天宮一號”完成交會對接，這是中國實(shí)施的首次載人空間交會對接，并首次實(shí)現(xiàn)了與“天宮一號”的空間連通。 我國航天員也已經(jīng)從“天宮一號”空間站中采去了冷凝水和表面樣品，利用“神舟八號”和“神舟九號”載人飛船的返回艙將樣品帶回地面，并分離鑒定了10個屬的細(xì)菌（表17-1）。從2000年開始，總裝備部航天醫(yī)學(xué)工程研究所（507所）謝瓊課題組開展了密閉環(huán)境中懸浮顆粒物上附著微生物的檢測，基于濾膜法的空氣微生物樣品采集和元基因組DNA提取方法研究，取得了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    表 17-1 從“和平號”空間站、“國際空間站”和“神舟”飛船上鑒定的主要細(xì)菌和真菌屬 來源 菌株名稱 和平號空間站 細(xì)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 國際空間站 細(xì)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 神舟飛船 細(xì)菌（10） Sphingomonas、Microbacterium、Acinetobacter、Staphylococcus、kocuria、Microbacterium、Sphingomonas、Methylobacterium、Acremonium 引自：Novikova 2004和謝瓊等 2000，2012 當(dāng)前的研究經(jīng)驗(yàn)表明，基于傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的在軌微生物檢測技術(shù)簡單實(shí)用、穩(wěn)定可靠，可以為分析空間環(huán)境微生物的種類和分布提供重要數(shù)據(jù)。但是，由于這些方法主要基于微生物在培養(yǎng)基上的生長能力，所以存在一些不足。由于大多數(shù)（>95%）的微生物種類的生長環(huán)境和營養(yǎng)需求還不清楚，不能在傳統(tǒng)的培養(yǎng)基上生長而無法被分離鑒定。此外，采用培養(yǎng)分離的方法也比較耗時耗力。因此，開發(fā)出能在空間密閉艙環(huán)境下操作的DNA提取技術(shù)和快速分子鑒定技術(shù)將有利于擴(kuò)大空間樣品中微生物種類檢出。 三、 空間載人密閉艙已發(fā)現(xiàn)的腐蝕性微生物種類 （一）、前蘇聯(lián)和俄羅斯對空間腐蝕微生物的研究 早在1970年代，前蘇聯(lián)和俄羅斯科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所（IBMP, RAS）和莫斯科國立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)就開始對中長期運(yùn)行的太空密閉艙中采集的微生物的腐蝕性能開展了系統(tǒng)的研究。莫斯科國立大學(xué)的Alekhova等從太空飛行了13年的“和平號”空間站中分離得到12株真菌和“國際空間站”俄羅斯分部密閉艙室內(nèi)分離得到8株真菌，發(fā)現(xiàn)其中71%以上的真菌屬于青霉菌屬（Penicillium sp.）。因此選擇了一株青霉菌屬單菌Penicillium chrisogenum在地面進(jìn)行微生物腐蝕加速實(shí)驗(yàn)。如圖17-4所示，在無機(jī)鹽培養(yǎng)基中，這株真菌可以利用聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）作為唯一碳源生長。利用電鏡分別放大740倍觀察可知，真菌降解28 d后的PET纖維受到嚴(yán)重腐蝕。 圖17-4 “和平號”空間站分離的真菌嚴(yán)重腐蝕聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維。[引自：Alekhova, 2005] Alekhova等選擇了一株青霉菌屬單菌Penicillium sp.，在地面進(jìn)行鋁鎂合金（AMG-6）微生物腐蝕加速實(shí)驗(yàn)。如圖17-5所示，電鏡觀察可知，與無菌對照相比，真菌降解1個月和2個月后的鋁鎂合金受到嚴(yán)重腐蝕，說明這株真菌可以加速鋁鎂合金腐蝕。Alekhova等還利用從“和平號”空間站和“國際空間站”分離的28株真菌進(jìn)行對180種太空設(shè)備使用的鋁鎂合金進(jìn)行地面微生物腐蝕評價。結(jié)果確認(rèn)機(jī)械、陽極化和化學(xué)拋光防腐處理后的鋁鎂合金樣品均可被真菌腐蝕。 圖17-5 “和平號”空間站分離的真菌嚴(yán)重腐蝕鋁鎂合金（AMG-6）。[引自：Alekhova，2007，2008, 2010] （二）、美國對空間腐蝕微生物的研究 美國NASA聯(lián)合其他大學(xué)的研究人員，利用從模擬空間密閉艙中的微生物對常用的空間密閉材料如聚酰亞胺（Poyamide）和尼龍（Nylon）等進(jìn)行了模擬微生物腐蝕加速實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)確定支頂孢屬Acremonium obclavatum能夠腐蝕聚酰亞胺纖維，曲霉屬Aspergillus spp.可以腐蝕尼龍纖維紡布。 圖17-6 國際空間站分離的真菌在模擬試驗(yàn)箱中（A），嚴(yán)重腐蝕聚酰亞胺纖維（B）和尼龍纖維織物（C-D）。[引自：Ahearn 1995] 在沒有獲得太空艙滋生的菌株樣品情況下，美國哈佛大學(xué)顧繼東等和NASA的研究人員利用自來水中的常見微生物作為實(shí)驗(yàn)菌株，對備選的空間站使用的材料，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、粘接密封膠、聚酰亞胺絕緣泡沫、聚四氟乙烯絕緣電纜和脂肪族聚氨酯涂料等生物膜形成敏感性進(jìn)行了研究，確定大多數(shù)材料都容易形成微生物膜進(jìn)而被腐蝕。使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）定量表征了微生物腐蝕過程中材料特性的變化，并發(fā)現(xiàn)溫度和濕度影響形成微生物膜的。 2005年，由于熱交換介質(zhì)的水流體中pH下降和銀抗菌劑的失效，“國際空間站”內(nèi)部鎳基鋅銅合金材料制造的主動熱控系統(tǒng)被微生物嚴(yán)重腐蝕。NASA馬歇爾航天中心的Roman等人設(shè)計(jì)了一套模擬主動熱控系統(tǒng)所處的“國際空間站”環(huán)境的微生物腐蝕加速測試系統(tǒng)，包括模擬pH、溫度、流速、可獲得營養(yǎng)、微生物濃度條件，并且以從“國際空間站”主動熱控系統(tǒng)中分離的硫酸還原菌等8株混合細(xì)菌作為微生物接種液，其中認(rèn)為微重力等因素對過程影響較小，忽略不考慮。對2種準(zhǔn)備在空間站使用的改進(jìn)鎳基熱控系統(tǒng)材料進(jìn)行6個月的生物腐蝕安全性測試，沒有發(fā)現(xiàn)微生物侵蝕現(xiàn)象。 （三）、中國對空間腐蝕微生物的研究 與俄羅斯和美國相比，我國空間微生物領(lǐng)域的研究起步較晚。2000年開始，總裝備部航天醫(yī)學(xué)工程研究所（507所）謝瓊研究組開展了飛船搭載微生物對航天器材的霉腐實(shí)驗(yàn)，取得了一些載人航天器微生物污染和霉菌腐蝕材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。確定微生物在空間條件下繁殖能力增強(qiáng)，搭載后生長加快， 形態(tài)分化提前，但是對材料的霉腐能力有所下降。 北京航空航天大學(xué)楊軍研究組，采用從“神舟八號”和“神舟九號”的載人飛船返回艙中冷凝水和表面采取的生物樣品中分離的細(xì)菌和通過“神舟八號” 載人飛船搭載的地面微生物，開展腐蝕性實(shí)驗(yàn)研究。在地面環(huán)境下，通過選用2株地面模式菌、2株對應(yīng)空間搭載菌和8株空間下行菌對5種高分子材料（環(huán)氧樹脂、酯類聚氨酯、醚類聚氨酯、硫化天然橡膠和聚乙烯醇聚縮醛）開展微生物物腐蝕實(shí)驗(yàn)；選用3株空間下行菌對2種金屬材料銅合金（H6）和鋁合金（Ly12）開展微生物物腐蝕實(shí)驗(yàn)；選用1株地面模式菌和1株對應(yīng)空間搭載菌對2種金屬材料鈦合金（TC4）和不銹鋼（304）開展微生物物腐蝕實(shí)驗(yàn)；半定量的腐蝕等級歸納見表17-2。數(shù)值越大，代表腐蝕能力越強(qiáng)。 表17-2 測試14株地面模式菌、空間搭載菌和下行菌對航天器高分子材料和金屬材料的腐蝕等級（0-5） 菌株編號 環(huán)氧 樹脂 酯類 聚氨酯 醚類 聚氨酯 硫化 天然橡膠 聚乙烯醇 縮甲醛 銅合金H6 鋁合金Ly12 鈦合金TC4 不銹鋼304 Pseudomonas 0 5 1 2 0 Pseudomonas-搭載 0 5 0 5 0 Alcaligenes-搭載 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-搭載 4 4 Lactobacillus 4 4 四 空間載人密閉艙微生物腐蝕的防控措施 （一）、微生物來源的控制 無論微生物是來自材料、設(shè)備、廠房，還是外來航天器和貨物，咎其根源都是來自接觸的環(huán)境和人員。因此，控制微生物的來源最有效的措施就是對空間站地面階段所接觸的環(huán)境和人員進(jìn)行控制。國際空間站的各艙段以及載人飛船、貨運(yùn)飛船和航天飛機(jī)等來訪航天器在地面階段的微生物控制相當(dāng)嚴(yán)格，主要的控制環(huán)節(jié)及其控制措施如下： （1）地面階段環(huán)境與人員的控制 單機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)時除電子器件和光學(xué)器件外，其余器件均需要采用3%雙氧水擦拭的方式進(jìn)行消毒，并用雙層無菌袋套封，在滿足生物凈化標(biāo)準(zhǔn)的車間內(nèi)進(jìn)行裝配，并用雙層無菌袋套封。可以密封的設(shè)備盡可能采用密封設(shè)計(jì)。產(chǎn)品交付驗(yàn)收后需對表面再次消毒并套封，存放在潔凈房間內(nèi)。航天器總裝車間為生物凈化車間，每周進(jìn)行生物取樣，確保滿足凈化要求。操作人員進(jìn)車間前需要洗澡并更換消毒后的衣服，用酒精消毒手部。在發(fā)射場同樣要保證這些環(huán)境條件和實(shí)施控制措施。總裝完成后對密封艙進(jìn)行消毒處理，采用雙氧水擦拭表面，用雙氧水噴灑角落；裝配完成90% ~ 95%后，用7倍的凈化和消毒氣體對艙內(nèi)氣體進(jìn)行置換。發(fā)射前再采用雙氧水消毒。 （2）來訪航天器微生物的控制 來訪航天器在地面階段同樣需要進(jìn)行上述控制，并達(dá)到發(fā)射前的微生物指標(biāo)要求，即艙內(nèi)氣體中細(xì)菌300 CFU/m3，真菌50 CFU/m3；表面細(xì)菌500 CFU/100m2，真菌10 CFU/100m2。在到達(dá)空間站后，航天員先部分打開艙門進(jìn)行微生物和有害氣體的檢測，若發(fā)現(xiàn)微生物超標(biāo)，則首先進(jìn)行消毒處理，達(dá)到要求后才完全打開艙門進(jìn)行貨物、人員的轉(zhuǎn)移。 （3）對航天員自體微生物的控制 乘組在飛行前需要與周圍環(huán)境和人隔離一段時間，進(jìn)行微生物的檢查，若體內(nèi)攜帶致病微生物則進(jìn)行藥物治療。定期對乘員的唾液和血液取樣，帶回地面檢測，制定針對性的治療方案。即使采取了如此嚴(yán)格的控制措施，目前，國際空間站上的微生物狀況仍不令人滿意，按照國際空間站的工程人員和科學(xué)家的話說，“我們一直在與微生物作斗爭”。微生物控制要求地面生產(chǎn)和總裝車間環(huán)境要達(dá)到生物凈化的標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有載人航天器的地面保障條件。各環(huán)節(jié)對航天器消毒和操作人員消毒等控制措施使得現(xiàn)有的總裝測試和發(fā)射場流程更為復(fù)雜。可見，空間站工程需要在微生物控制方面花費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力，這是空間站面臨的新挑戰(zhàn)。 （二）、空間站環(huán)境控制 空間站上的航天員通過呼吸將致病微生物直接吸入體內(nèi)，航天員通過手的觸摸或其他部位接觸將空間站上各種表面的微生物引入身體，同時，又將自身攜帶的微生物帶到表面，飄散到艙內(nèi)氣體中。人和環(huán)境之間形成交叉污染，致病菌則造成交叉感染。因此，空間站必須對航天員的生活環(huán)境進(jìn)行微生物的控制，并落實(shí)在空間站的設(shè)計(jì)上，否則將存在不可控制的區(qū)域，補(bǔ)救措施也于事無補(bǔ)。 1. 艙內(nèi)氣體中微生物的控制 艙內(nèi)氣體中的微生物主要附著在懸浮顆粒物上，因此進(jìn)行過濾凈化是控制艙內(nèi)氣體中的微生物數(shù)量的有效手段。在艙內(nèi)氣體凈化系統(tǒng)中設(shè)置初級和高效過濾裝置等過濾氣體中的懸浮顆粒物，初效過濾裝置清除大部分懸浮顆粒物，高效過濾器對0.3 ?m 或者更大尺寸微粒的去除率可達(dá)99.97%。 針對一些氣體質(zhì)量差、微生物數(shù)量較多的局部區(qū)域，可通過便攜式殺菌裝置進(jìn)行快速凈化處理。如在“和平”號空間站和國際空間站FGB 艙采用的微生物控制設(shè)備POTOK 150MK。該設(shè)備只有顯示器大小，可以由航天員移動到所需凈化的地區(qū)域，由于是物理滅菌，因此，不需要補(bǔ)充消耗性物資，方便實(shí)用。POTOK裝置是利用交叉電磁場的作用進(jìn)行滅菌，然后通過納米材料進(jìn)行過濾和生物降解，其滅菌效率可以達(dá)到99%~100%，同時還可以過濾粒徑在0.01~10 ?m 范圍內(nèi)的懸浮顆粒，去除率高達(dá)99%。“和平”號空間在啟動POTOK 前后，艙內(nèi)氣體中微生物水平的最大值和平均值有了明顯的降低。 2. 表面微生物控制 （1）材料選用 空間站表面微生物控制的首要措施是對空間站上所使用的材料進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，盡可能使用具有良好抗菌防霉性能的材料。因此，首先需要對材料進(jìn)行抗菌防霉特性的評價，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，以減少微生物的生長。其次，對所選用的材料進(jìn)行抗菌防霉處理，提高材料的抗菌防霉性能，減緩微生物的生長。如銀具有很好的抗菌防霉作用，可在結(jié)構(gòu)金屬材料表面涂納米銀，在纖維材料內(nèi)添加銀線；對材料表面進(jìn)行疏水處理，降低材料的含水量。在材料表面加硅（微生物很難在硅上生長），或用輻射方式將低分子的殺菌劑添加在高分子材料中等。 實(shí)驗(yàn)表明聚合材料上微生物的菌落數(shù)是金屬材料上的10倍，而聚合材料在空間站上的使用是不可避免的，因此，在盡可能減少其用量的同時，還需要對其進(jìn)行抗菌防霉處理。 （2）環(huán)境控制 在空間站載人環(huán)境設(shè)計(jì)中要盡可能消除通風(fēng)不良的區(qū)域，減少易凝結(jié)冷凝水的低溫面，如艙體內(nèi)表面、舷窗玻璃都是低溫面，容易結(jié)露。電纜管道、機(jī)柜背后容易存在通風(fēng)死區(qū)，這些區(qū)域均是易于微生物生長的區(qū)域。對這些區(qū)域采取無需人員操作的清除微生物的物理措施，如干熱滅菌、紫外照射等。 （3）表面清潔 由于微生物在空間站上的滋生不可避免，因此，還必須采取消毒措施清潔各種表面。國際空間站每周六定期進(jìn)行清潔工作，采用吸塵器吸塵，用含0.1%季銨鹽的專用濕巾對艙內(nèi)表面進(jìn)行擦拭。對于微生物生長嚴(yán)重的區(qū)域，如聚合材料表面，采用含有雙氧水干粉或銨鹽的清潔布加水后擦拭。由于纖維織物表面粗糙，微生物不容易被清潔干凈，應(yīng)盡可能使用表面光滑的材料。如必須使用，則設(shè)計(jì)成可以拆除更換，必要時用新材料替換，但這將增加上行貨物運(yùn)輸?shù)拇鷥r。 雖然殺菌劑對微生物的清除比較有效，但并不能徹底清除，過一段時間后微生物又會長出來，因此，需要長期地、定期地使用。清除工作需要花費(fèi)航天員的時間和精力。殺菌劑長期使用對人體有一定的損害，也會腐蝕材料的鈍化層，因此，消毒劑的選擇不僅要?dú)⒕Ч茫€要對人體的毒性低，對設(shè)備的腐蝕性小。此外，隨著空間站上微生物活性種類的變化，消毒劑還需要不斷調(diào)整。 （4）水系統(tǒng)微生物的控制 水是航天員和微生物賴以生存的條件，更是微生物滋生的場所。國際空間站俄羅斯對飲用水衛(wèi)生要求為微生物小于50個/ml，且不能檢測出致病菌。為保證飲用水的衛(wèi)生水平，對飲用水采取了過濾、添加銀離子、加熱至80℃等措施。空間站的生命保障系統(tǒng)和熱控制系統(tǒng)中均有液體工質(zhì)，這些工質(zhì)在加注到管路或容器前必須對管路、容器和工質(zhì)進(jìn)行消毒，并施以工質(zhì)微生物監(jiān)測，必要時實(shí)施過濾、殺菌的控制措施，避免管路堵塞，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行中斷，過濾裝置應(yīng)可以更換。若采用化學(xué)殺菌還要考慮殺菌劑對工質(zhì)物理特性的影響和對管路系統(tǒng)的腐蝕，因此，殺菌方式的選擇也是一個難題。

    百密不容一疏——空間微生物的安全防控

    隨著我國載人航天工程發(fā)展戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，未來我們必將面臨長期載人飛行中的微生物安全問題。載人航天器內(nèi)微生物滋生不僅會污染環(huán)境，導(dǎo)致航天員感染或生病，更會腐蝕材料，導(dǎo)致設(shè)備故障。與此同時，在空間發(fā)生變異的微生物如被帶回地球，還會威脅地球生態(tài)安全。

    據(jù)了解，“和平”號空間站在長達(dá)15年的運(yùn)行期間曾發(fā)生多次由微生物導(dǎo)致的設(shè)備故障。例如，其第3批宇航員曾發(fā)現(xiàn)一扇舷窗因?yàn)槊咕纳L造成能見度降低，光學(xué)性能下降。第5批宇航員進(jìn)駐期間氧氣電解裝置因真菌的繁殖而出現(xiàn)堵塞。第14、15批宇航員在軌期間其溫控系統(tǒng)曾發(fā)生故障，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是被真菌繁殖形成的膠狀物質(zhì)堵塞了管道。第24批宇航員進(jìn)駐期間曾發(fā)生由于真菌腐蝕造成的電子通訊設(shè)備故障。

    中國空間技術(shù)研究院航天生物集團(tuán)總工程師趙輝日前接受載人航天官微記者采訪時表示，空間微生物的安全防控一直是一個很重要的課題。

    空間微生物控制是指通過在航天器設(shè)計(jì)、建造和飛行過程中采取一系列的微生物監(jiān)測、控制、防護(hù)措施，控制空間飛行環(huán)境中的微生物水平，防范微生物可能對航天員或飛行系統(tǒng)造成的潛在風(fēng)險 。

    趙輝表示，當(dāng)前在空間微生物領(lǐng)域，包括微生物的檢測、滅殺，以及其他抗菌材料的研制等等，已經(jīng)有了很多的地面基礎(chǔ)工作。這些成果會逐步應(yīng)用到包括貨運(yùn)飛船、載人飛船、空間站中去。空間微生物的安全防控不應(yīng)僅僅局限在在軌期間，空間站在地面建造期間，載人飛船和貨運(yùn)飛船在建造或是發(fā)射過程中，都需要進(jìn)行微生物防控和防護(hù)，從而極大地減少在軌空間站所受到的地面微生物來源，起到一種預(yù)防的作用。

    “希望能夠在未來的空間站、載人飛船以及貨運(yùn)飛船建造期間，就采取一種嚴(yán)格的微生物的防控措施，減少和降低空間內(nèi)部的微生物的含量。從這個角度降低微生物在天上對空間站的侵蝕和影響，但是這不可能杜絕。”趙輝說。

    國際空間站通信設(shè)備內(nèi)部霉菌生長情況

    “第二就是開發(fā)適用在空間環(huán)境下，在軌航天器內(nèi)微生物的檢測工具和微生物的消殺產(chǎn)品，為在軌微生物的防控創(chuàng)造條件。”趙輝還認(rèn)為，應(yīng)該對航天員進(jìn)行有關(guān)微生物檢測與消殺的培訓(xùn)，或者給他們提供一種培訓(xùn)的方案，使他們未來在軌能夠定期開展對空間環(huán)境內(nèi)微生物的檢測和消殺。

    趙輝介紹到，在最近幾次的載人飛行任務(wù)中，都安排了有關(guān)空間微生物的各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及實(shí)驗(yàn)材料。而對于空間微生物的研究也不僅只在“天上”有用，在地面的應(yīng)用前景也十分廣闊。“假如這類產(chǎn)品在天上能夠有效的應(yīng)用，我們相信它回到地面，對于許多需要進(jìn)行微生物控制和防護(hù)的地方就有極大應(yīng)用的領(lǐng)域和前景。所以我們回到地面，會和相關(guān)專業(yè)結(jié)合，使它能夠得到應(yīng)用、推廣和產(chǎn)業(yè)化。從另一個角度來說，這就是載人航天對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的促進(jìn)作用，是航天技術(shù)轉(zhuǎn)民用，軍民融合等戰(zhàn)略的具體落實(shí)。”

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