空间科技快讯

年第9期

中科院空间应用中心战略规划室主办

载人航天技术是现代科学技术革命的重要领域之一，载人航天器为支持乘员在轨驻留需通过载人环境控制系统在密封舱内创造出与地面类似的人工环境，包括气压、空气成分、温湿度水平等，这种环境水平也为微生物滋生提供了有利条件。

自国际空间站构建以来，航天员每隔一段时间会借助空气采样器和表面接触碟对密封舱内的微生物进行监测。截至目前，在国际空间站上共发现了82种微生物,包括细菌18属48种、真菌12属34种。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。

空间站表面、空气和水中收集的微生物样本。Credits:NASA

培养皿中为国际空间站微生物跟踪实验样本生长出的真菌菌落Credits:NASA

1.微生物对航天员健康的危害

在国际空间站上发现的主要致病细菌有葡萄球菌、链球菌和微球菌等。表皮葡萄球菌和人型葡萄球菌可引起皮肤感染、内脏组织器官感染及全身感染，使人体发生化脓性炎症、蜂窝织炎、菌血症等；而链球菌中的肺炎链球菌会引起航天员肺炎的发生；变型链球菌主要存在于人体牙斑中，是造成航天员牙齿疾病的主要致病菌。此外，微球菌中的藤黄微球菌和变异微球菌作为机会致病菌，寄生于人体皮肤、咽部、眼睛，当机体抵抗力下降时，会引起航天员脑膜炎、败血症、脓毒性关节炎、泌尿系统感染等各种感染发生。我国载人飞船中也曾检测到微球。在国际空间站上发现的主要致病真菌有青霉菌、黄曲霉、黑曲霉等。其中青霉菌主要通过气溶胶中的孢子及代谢副产物引起航天员外源性支气管哮喘，还会产生可吸入性青霉毒素，影响肺部的免疫反应，危害航天员的健康。黄曲霉能产生毒性很强的黄曲霉素，可引起急、慢性中毒，损伤肝肾和神经组织。研究发现长期接触黄曲霉素与原发性肝癌有直接关系；黑曲霉被航天员吸入后，在人体气道内定植，引起危及人体生命的侵袭性肺曲霉病。

而且，航天员在飞行过程中自身体内的微生态平衡也会有所变化，人体免疫力下降，空间站中微生物对航天员健康带来的危害极其严重。首先，微生物的滋生会产生毒素，污染舱内空气、水源和食物，致病微生物会导致航天员生病或造成感染。在长期飞行条件下，航天员免疫功会受到一定程度的抑制，某些致病微生物的感染毒性可能会增强。美国研究表明，鼠伤寒沙门氏菌在搭载航天飞机飞行12天后，对小鼠的毒性几乎增为地面对照3倍。绿脓杆菌，一种能够引起伤口感染的常见细菌，在太空培养环境下可以形成一种具有独特结构的生物膜，其拥有的活细胞数、生物量和厚度都明显高于地面对照，这种改变可能会对病原菌的致病能力和耐药性产生重要影响。

2．微生物对空间站的危害

微生物可以附着在各种物质上，只要条件合适，微生物都能够利用水中的有机物生存，产生有机酸，将材料分解。这些将会导致结构强度下降，密封性能降低，观察窗无法观察，从而影响空间站的可靠运行，缩短空间站的使用寿命。微生物还会导致设备的故障。电缆、接插件、电路板等受到微生物的腐蚀后会出现短路、断路。

登上过“和平”号空间站的太空人都曾在控制器后、空气调节器及空间站的各个角落发现许多变种真菌。这些微生物能够腐蚀破坏空间材料，形成生物膜堵塞管道，导致技术设备故障。“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。在国际空间站的运行期间，也曾多次报道发生微生物腐蚀事件。如，在年，俄罗斯舱的一个烟感器故障，返回地面后调查发现是由真菌对电子部件的降解引起的。

图为观察孔和铜导线绝缘皮上的微生物污染

图为微生物阻塞的管线和被霉菌污染的通风管路

Credits:NASA

饮用水、收集的废水，以及管路中流动的工质很容易在使用和维修操作中受到微生物的污染，引起饮用水污染、管路堵塞等情况，造成系统故障。此外，微生物的生物降解还会加速某些材料的老化，加快材料有害气体的释放，甚至与材料发生生物化学反应，释放出新的种类的有害气体，导致密封舱内有害气体超标，危害航天员的生命安全。

飞船舷窗有机玻璃腐蚀

金属铝板损伤（直径2mm）

国际空间站上微生物在各种材料上的生长情况Credits:NASA

因此，为保障长期载人飞行人员健康和系统的运行安全，需要对空间微生物及其风险进行控制。那么，如何进行空间微生物的控制呢？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。主要的控制方法有以下几方面，如图所示。

空间微生物控制的主要方面

空间微生物控制是一项非常复杂的系统工程，贯穿于载人航天器设计、建造和运营的整个过程，涉及微生物监测、控制、防护等多种技术手段，任何一个环节上的纰漏，都可能导致严重的安全问题。只有建立系统全面的微生物控制技术体系，才能有效保障载人航天工程安全。美国NASA虽未明确提出统一的微生物控制技术体系，但在航天器设计、建造和运营的相关技术文件中包含了对微生物的控制要求或技术标准，见下表1，并针对微生物的监测、控制和防护建立了标准化的技术流程或规范，实际上形成了比较完备的空间微生物控制技术体系。

表1美国航天工程微生物的控制要求或技术标准

技术文件

包含微生物控制相关内容

载人航天器设计

NASA-STD-

空间飞行人机系统标准

载人航天器中饮用水的微生物限量和控制要求，空气细菌、真菌限量和控制要求，表面细菌、真菌限量和清洁要求，表面冷凝水形成限制，以及生物载荷的安全要求。

NASA/SP--

人机系统设计手册

为实现NASA-STD-标准要求，提供的技术指导性文件，内容包含:空气微生物监测及控制方法，饮用水微生物的监测及控制方法，生物污染的监测与控制，生物载荷的生物安全性评价，个人卫生清洁，在轨内务管理等。

NASA-STD-

空间飞行硬件腐蚀防护标准

腐蚀环境测试-类型4:化学或微生物诱导腐蚀。

NASA-STD-

航天器标准材料与处理要求

航天材料筛选要求:c(11)抗菌防霉性能。

地面建造阶段

NHB.2

洁净室和洁净工作台微生物控制标准

航天器总装测试的洁净室和洁净工作台的浮游微生物和沉降微生物水平。

NASA-SP-

污染控制手册

第六部分—微生物污染控制：微生物污染检定，微生物污染控制（消毒灭菌），微生物污染监测，人员微生物污染控制。

NASA-HDBK-

航天器硬件微生物监测手册

表面微生物采样方法，空气微生物采样方法，零部件微生物采样方法，微生物分析方法等。

在轨飞行阶段

NASA-SSP-

国际空间站医学操作要求文件

发射前水微生物监测要求，在轨水微生物监测要

求，发射前环境微生物监测要求，在轨环境微生物

监测要求，在轨微生物去污或补救要求。

SSP

发射前微生物监测要求

对载荷的生物安全性评价要求

JSC

生物安全评价操作与要求文件

JSC

空间飞行微生物操作计划

JSC

微生物污染控制计划

俄美等国在“和平”号空间站和国际空间站的建造及运营过程中非常重视微生物控制工作，并针对空间微生物的监测、控制、防护等技术开展了大量研究并已经积累了大量技术和经验。

随着我国载人航天工程发展战略的逐步实施，未来将面临长期载人飞行中的微生物安全问题。在年前后，我国将建成和运营空间站，并将独立开展长期有人参与的空间科学实验。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。

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