空間腐蝕微生物研究意義與目標

    一、空間微生物腐蝕研究的意義

    載人航天是人類認識宇宙、拓展生存空間和開發太空資源的偉大實踐。載人航天技術是現代科學技術革命的重要領域之一，它的發展對人類社會生產生活產生了深遠影響。空間站是一種在近地軌道長時間運行，可供多名航天員巡訪、長期工作和生活的載人航天器，是人類科學研究和開發太空資源、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行空間觀測、地球遙感、天文觀測和生物醫學實驗的機會。 因此，有效保障航天器的長期安全運行、延長在軌使用壽命，是我國載人航天事業實現跨越式發展的重大課題。其中，環境控制與生命保障系統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驗和國內地面研究的初步結果表明，微生物會嚴重威脅航天員健康和平臺設備安全。我國在該領域的研究尚處于初級階段，亟待開展空間環境下微生物腐蝕機理研究，深化對微生物風險的認識和專業技術儲備，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營提供技術支撐。 2、實踐證明微生物（腐蝕）嚴重威脅航天員健康和平臺設備安全 航天器內的微生物安全的防護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（如細菌、真菌、病毒等），大多數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、裝船產品等經過非常嚴格的真空消毒，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入航天器。“和平”號運行十余年來空間站內檢測到234種微生物。載人航天器密閉環境條件下容易滋生細菌和真菌等微生物，這些微生物能在密閉艙室內的金屬或合金材料器件、高分子復合材料、無機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，嚴重威脅空間站的長期在軌運行安全，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驗表明，微生物（腐蝕）會嚴重威脅航天員健康和平臺設備安全。

    圖14-2. “和平號”的實踐證明微生物（腐蝕）嚴重威脅航天員健康和平臺設備安全。①微生物容易在鋁鎂合金器件表面形成生物膜并產生明顯腐蝕；②微生物腐蝕聚酰亞胺高分子材料和復合材料表面；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境下微生物腐蝕機理和抗菌材料研究

    圖14-3.長期空間環境下微生物腐蝕材料的影響因子、作用機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揮發性有機污染物等作為基質促進微生物生長；⑥艙內異味（硫醇等）等污染物作為基質影響微生物生長。材料特性在一定程度上決定微生物腐蝕的機理和控制途徑。

    二、空間微生物腐蝕的研究目標

    空間微生物腐蝕的研究需緊密圍繞“空間環境下的微生物腐蝕機理及控制方法研究”這一重大科學問題，利用航天器內微生物采集、“神舟”系列飛船搭載微生物，并結合地面模擬研究，明確載人航天器內微生物的分布和種類，并提出適合航天器內的采樣方法；針對空間環境脅迫后的微生物，綜合運用空間微生物學、材料科學與系統生物學的研究思路與方法，利用核酸分析、經典基因功能研究和生物信息學分析等技術手段，揭示微生物在空間環境作用下的菌種演化變異特性；通過對航天器所用材料進行菌種腐蝕實驗等，闡明空間環境影響下微生物的腐蝕機理；獲取材料對空間環境下微生物的抗腐蝕性能，設計、改良和構建新的抗腐蝕材料；從物理、化學和生物學角度初步建立空間站材料表面的微生物控制體系。 利用我國發射神舟飛船與目標飛行器的契機，在軌采集目標飛行器艙內的材料表面微生物樣本和冷凝水樣本，下行后進行菌種鑒定分析。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，研究空間環境對腐蝕菌的作用，特別是觀察太空環境下腐蝕菌形態學和腐蝕相關特性的變化；通過地基微重力模擬對照和空間實驗相結合，采取基因組學的研究策略，探討空間環境誘導微生物遺傳改變的生物學意義。同時對下行微生物進行腐蝕特性研究。 另一方面需建立地面模擬空間環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，獲得模擬艙內環境參數。參考相關實驗內容的國標和國軍標選擇模式微生物及其對應的實驗材料，針對空間站艙內環境條件，建立符合空間環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，開展微生物腐蝕實驗研究，通過腐蝕失重、電化學、表面形貌和成分分析等方法，測試材料腐蝕速率、材料機械性能變化和材料多尺度結構表征與微生物腐蝕之間的關系，揭示微生物腐蝕材料的機理，總結材料與微生物對應的腐蝕規律。 設計合成有機/無機納米復合抗腐蝕涂層材料，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同控制的方式進行。基于以上微生物腐蝕研究結果、前期研究成果和我國空間站未來運行期間的實際工況，對航天材料選用、產品研制、運輸、試驗、在軌運行等環節進行分析，提出整體微生物控制策略和關鍵環節微生物控制的技術和方法。

    空間腐蝕微生物的研究現狀及進展

    一、國外研究現狀及進展

    早在1891年，Garrett等發現細菌代謝產物引起鉛電纜腐蝕，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的材料腐蝕現象統稱為微生物腐蝕。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重的腐蝕。這個過程也通常需要營養、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、裝船產品等都要經過嚴格的消毒，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入。載人太空艙的密閉環境為大量微生物的生長創造了適宜條件。此外，空間環境具有地面環境中所不具備的一些特殊環境因素，包括微重力、高真空、極度溫差、弱磁場和粒子輻射等。在空間特殊環境中，微生物還會產生變異，導致它們對生存環境的要求很低，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合纖維（A）和鋁鎂合金材料（B）的嚴重腐蝕的電鏡照片。

    二、國內研究現狀及進展

    中國人民解放軍總醫院劉長庭教授團隊在國內最早的開展了空間微生物相關系列的研究，并取得一定成果。最近與北京航空航天大學、中國人民解放軍軍事醫學科學院微生物流行病研究所、中國航天員科研訓練中心等聯合開展了“921”載人航天領域預先研究項目-長期空間環境下微生物腐蝕機理研究。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，研究了空間環境對腐蝕菌的作用，特別是觀察了太空環境下腐蝕菌形態學和腐蝕相關特性的變化；通過地基微重力模擬對照和空間實驗相結合，采取基因組學的研究策略，對下行微生物進行了腐蝕特性研究。建立了地面模擬空間環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，獲得模擬艙內環境參數。針對空間站艙內環境條件，建立了符合空間環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驗研究，通過腐蝕失重、電化學、表面形貌和成分分析等方法，測試了材料腐蝕速率、材料機械性能變化和材料多尺度結構表征與微生物腐蝕之間的關系，揭示了微生物腐蝕材料的機理，總結了材料與微生物對應的腐蝕初步規律。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。設計合成了有機/無機納米復合抗腐蝕涂層材料，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

    綜上所述，關于空間腐蝕微生物的相關研究方興未艾，隨著航天事業的大力發展，未來關于這一領域的研究進展將得到國內外學者們的更大關注；我們也期待我國相關部門針對該領域的研究投入可持續增加，并加強其轉化應用，真正服務于我國的航天事業。

    空間腐蝕微生物的腐蝕機理及研究方法

    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：高的比剛度和比強度、低的熱膨脹系數、優良的導熱性、耐火性好、放氣少、和原子氧反應小、抗微流星體和空間碎片的性能好、耐輻射性能好等。現在的航空航天領域多采用鋁合金、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制

    由于各種微生物的生命活動而造成的材料腐蝕過程統稱為微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion，MIC）。微生物腐蝕現象很早便被人們發現并加以描述，到20世紀80年代，研究方法的發展和多樣化使得微生物腐蝕機制的研究日益深入。根據材料的不同，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，對有機材料的腐蝕，以及對無機材料的腐蝕。除水泥和石料等無機材料之外，不銹鋼、鋁和鋁合金等金屬材料，工程塑料等有機高分子材料均在航空航天領域有很廣泛的應用。 習慣上常根據是否有氧氣參與了腐蝕過程，將細菌對金屬的腐蝕分為厭氧腐蝕和好氧腐蝕，實際上在生物膜與細菌群體之中，多種菌類是共處一起的，好氧腐蝕、厭氧腐蝕往往同時存在、協同作用。

    （一） 好氧菌腐蝕機理

    1.產酸腐蝕：微生物在新陳代謝過程中會產生一些酸性代謝產物，包括各種無機酸和有機酸。在兩類酸中尤以無機酸的影響最為顯著，這些代謝產物造成了材料表面惡劣的腐蝕環境，從而加劇了金屬材料的腐蝕。常見的產酸菌如醋酸梭菌代謝產生醋酸，硫氧化菌氧化環境中的元素硫、硫代硫酸鹽和亞硫酸鹽等，產生硫酸，使周圍環境的pH 值降低。還有氧化鐵桿菌，它可以加速金屬電化學，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擴散，此時，如果微生物呼吸耗氧的速率大于氧氣向金屬表面擴散的速率，陰極反應的機理就會發生改變，而氧濃度差的存在恰好滿足了局部腐蝕的初始條件，使得腐蝕得以發生和發展。

    （二）厭氧菌腐蝕機制

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

    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 等證實了SRB 細胞中氫化酶的存在。理論認為氫化酶能夠利用金屬表面產生的氫使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，且反應具有不可逆性，氫化酶的具體作用機制受到質疑。在后續的研究中又陸續發現了不少新的去極化作用機制，如H2S，FeS 和磷化物等，使去極化劑理論得到發展，不斷充實。 圖15-1 硫酸鹽還原菌氫化酶陰極去極化機理（Kuhr V, Corrosion Science）

    2. 硫化物誘導陽極溶解：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發現，在一定范圍內，溶液中濃度較高的Fe2 +能提高SRB 的活性，促進其對低碳鋼的腐蝕。Kuang 等人的研究也表明，SRB 在對數期和穩定期產生多種含硫化合物，加速了碳鋼的陽極溶解，對腐蝕過程起主導作用。

    3. Fe/FeS 微電池作用：SRB 代謝產生的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也能在FeS 表面進行，使腐蝕發生。

    4. 陽極區固定理論：Pope 等人認為大部分微生物都固定在由細菌引起的腐蝕坑周圍，這使得腐蝕電池的陽極區得以固定，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，并與產生的粘液形成鐵瘤。由于鐵細菌好氧，生成的鐵瘤阻礙氧的擴散，鐵瘤下的金屬經常處于缺氧狀態，構成氧濃差電池，從而引起鋼鐵的腐蝕。此外，鐵細菌也可使腐蝕性物質（如FeCl3 與MnCl4）富集而導致腐蝕。 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生點蝕，并生成黑色硫化鐵沉積物。硫氧化菌可把單質硫和其他還原態硫化物氧化成硫酸，從而降低介質的pH 值。排硫桿菌和氧化硫硫桿菌能分別將介質的pH 降到4.73 與1.35 左右，因而具有很強的腐蝕性。其他好氧菌如能產生有機酸，也會產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重的，即使含鉬量達到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生的有機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，使不銹鋼產生點蝕或縫隙腐蝕，蝕孔一般產生在鐵瘤下面或者幾個鐵瘤的連接處。 研究發現，微生物引起的不銹鋼腐蝕的特征是點蝕，點蝕最常發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力腐蝕而破裂。蝕孔與裂痕主要發生在焊縫的熱影響區與應力區，靠近腐蝕位置常有不連續的局部沉積物。焊縫處易發生微生物腐蝕是因為表面粗糙度和化學成分的差異促進微生物繁殖。

    3. 銅與銅合金 銅腐蝕產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。然而研究發現也存在耐銅離子的微生物，例如氧化硫硫桿菌可在濃度達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生免疫力。 假單胞菌能夠將銅合金在海水里的腐蝕速度提高大約20 倍。那些能使細菌粘附于金屬表面的細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以及熱影響區可發生硫酸鹽還原菌引起的點蝕和選擇性腐蝕。 目前有以下幾種解釋銅合金腐蝕機理的理論：①微生物生成的腐蝕性代謝產物（如二氧化硫）可作為腐蝕反應的去極化劑、催化劑；②某些微生物產生的腐蝕性物質能腐蝕銅，例如H2S、NH3、有機或無機酸；③微生物分泌大分子物質能捕獲金屬陽離子并形成離子濃差電池；④微生物產生的黏泥，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，經常發生鋁及鋁合金的微生物腐蝕。在這些事例中，均發現了微生物引起的點蝕。目前發現細菌中的綠膿桿菌、芽孢梭菌、產氣桿菌以及黃曲霉菌、枝孢菌等，其中腐蝕性較強的是枝孢菌，其次為綠膿桿菌。此類微生物的代謝活動能夠產生多種有機酸，可使介質pH 值顯著降低，氧化還原電位升高，鋁合金的點蝕電位也隨之降低。 研究認為含銅鋁合金有時還會發生晶間腐蝕，原因在于貧銅區與富銅區的更迭能夠促進晶界上縫隙狀的腐蝕產生。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的耐微生物腐蝕能力，但仍存在發生嚴重孔蝕的可能性。某些嗜熱菌可使Ni20 發生嚴重腐蝕。在20~80℃范圍內，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微生物。在適宜的條件下，如微生物的自身性質（種類、培養條件、濃度、活性等）、載體表面性質（表面親水性、表面負荷、表面化學組成、表面粗糙度等）以及環境條件（pH、離子強度、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（包括各種細菌和真菌）通過向膜面的傳遞（可以通過擴散、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菌所吸附。形成生物膜的細菌由于自身代謝和聚合作用會產生大量的細胞外聚物，它們將黏附在膜面上，形成黏度很高的水合凝膠層，進一步增強了污垢與膜的結合力。 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構、微生物的種類以及微生物的生活環境條件。對高分子材料麗言，一般可微生物腐蝕的化學結構順序為：脂肪族酯鍵、肽鍵>氨基甲酸酯>脂肪族醚鍵>亞甲基。另外，相對分子質量大、分子結構排列有規則、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勢菌群和降解途徑通常由環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，當有氧條件下，好氧微生物是破壞復雜材料的主要因素，最終產物為微生物生物量、CO 2、H2O等；相反，在缺氧條件下，厭氧共生菌對高分子物質的腐蝕起了關鍵作用，無氧呼吸的最終電子受體不是氧，其最終產物為微生物生物量、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，有氧過程能產生大量能量，可以供微生物生長，并且好氧條件在自然環境很常見，在實驗室中也易模擬。目前已知有兩類細胞酶參加了高分子材料的腐彬降解：胞外和胞內解聚酶。在降解/腐蝕過程中，微生物胞外酶破壞高分子，產生小短鏈或更小的分子（如單體、二聚體和低聚物）以至于能通過細菌的半透膜，被細菌作為碳源和能源加以利用，這種就叫解聚作用，當分解產物為無機物質（如CO2、H2O）或CH4則叫礦化作用。高分子的結構越接近天然分子，就越容易被降解和礦化，如纖維素、幾丁質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。對于化學合成高分子物質，雖然降解速率極低，但是在特定環境或特殊用途中，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. 航空航天結構復合材料 纖維增強復合材料（FRPCMs）因其高強、輕質等特性，成為航空航天領域中的新寵，開拓應用于軍用飛機、無人戰斗機及導彈、火箭、人造衛星等航天航空結構材料中。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，FRPCMs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，致使材料對環境變化的抵抗力減少。久之就會導致材料的腐蝕。研究發現，有兩類微生物可以腐蝕FRPCMs：一類混合細菌包括硫酸還原細菌，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。雖然細菌和真菌均能夠在FRPCMs的石墨纖維中生長，但是僅真菌能夠導致腐蝕（接種實驗350 d以上）。此外，許多真菌能夠利用聚合材料生產過程添加的增塑劑、表面活性劑等物質作為營養物，也是聚合材料可被生物腐蝕的一個重要原因。 運用微生物學方法可以檢測到FRCPMs擁有足夠的有機碳源以供微生物生長繁殖，但是電化學阻抗譜法（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，運用EIS法檢測，發現其電阻率明顯下降。

    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、力學性能和電性能突出，廣泛用于航空航天、軍事、電子等領域，其穩定性的問題已經引起了廣泛關注。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，運用EIS方法檢測薄膜表面的變化，結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：部分高分子基質中進入了水分和離子導致了涂層抗性的降低，接著由于真菌的活性而導致高分子物質的進一步腐蝕，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菌，但是沒有進一步研究證明這些細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體 3種苯二甲酸二甲酯異構體——鄰、間和對苯二甲酸二甲酯（DMP、DMI、DMT）類化合物是世界上生產量大、應用面廣的人工合成化合物，主要應用于化學工業作為增塑劑和生產聚酯的原材料。Vega等研究了一個由節桿菌（Arthrobacter sp.）和少動鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas paucimobilis）兩種細菌構建的菌群對鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）的降解能力，發現Arthrobacter sp.能夠將DMP轉化為鄰苯二甲酸單甲酯（MMP），但不能將MMP進一步轉化為鄰苯二甲酸（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）能夠將MMP轉化為PA，并且能完全降解PA，但是卻不能完成DMP到MMP的轉化。因此，利用由這兩個菌株構建成的菌群能夠很好地完全礦化DMP。所以由于結構上的差異，在特定的環境條件下，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，依靠細菌特有的共代謝過程進行完全礦化，這種菌株間的協作以及共代謝作用不但能礦化有機物，同時對自然界中細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生腐蝕作用。

    二、腐蝕微生物的研究方法

    進入20 世紀90 年代，各種表面分析技術（ EDAX，XPS，XRD）、電化學技術（ EIS，EMPA）、微觀成像技術（ AFM，ESEM，SECM，SVM）和生物技術（ PCR，16S rRNA）等都被應用到微生物腐蝕領域，在腐蝕界掀起了一股研究熱潮。 （一）現代生物學技術 細菌在微生物腐蝕過程中具有極其重要的作用，有關微生物腐蝕的機理研究、腐蝕監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行檢測。多年來，對微生物的檢測仍廣泛采用傳統的培養法，如SRB計數的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。目前已報道了多種用于微生物快速檢測的新技術，主要包括氣相色譜技術、放射測量法、阻抗測量法、微量量熱法和生物發光法等物理化學方法，以及放射免疫測定法和酶聯免疫吸附測定法等免疫學方法，并將這些技術與計算機結合而發展了多種微生物自動化檢測儀器和簡易檢測系統。這些技術主要應用于微生物分類學、臨床醫學、食品科學和環境檢測等領域。SRB的檢測技術從原理上可分為顯微鏡直接計數法、細菌構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，如顯微鏡直接計數法無法分辨細菌的死活、ATP測試儀受到檢測范圍的限制等等。 （二）現代表面分析技術 結合表面原位或非原位的觀察來實證表面的腐蝕形貌和腐蝕特征，稱為腐蝕圖像學。由于具有直觀性和實證性，甚至具有獲取信息的唯一性，腐蝕圖像學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）在微生物研究中發揮著重要作用。 （三）電化學方法 微生物腐蝕本質上是電化學過程，微生物的附著可以改變金屬表面的電化學狀態，因此可用電化學方法研究微生物腐蝕的詳細過程及其腐蝕機制、監測微生物腐蝕的發生和發展。電化學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行為及其與腐蝕的相互關系。當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，必然引起電化學行為的變化。從腐蝕電化學的角度來研究、記錄各種腐蝕參數的變化，包括通過電位（自然腐蝕電位、孔蝕電位、電化學噪聲電位等）、電流（腐蝕電流密度、穩態與亞穩態孔蝕電流、電化學噪聲電流、氫滲透電流等）、電阻（極化電阻等）等信號的變化來反映材料、環境的相互作用機制和特征，統稱為腐蝕信號學。 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，當陰極反應及其極化曲線相同時，即金屬的平衡電位愈負，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和陰極反應的理想極化曲線畫在一個坐標系上得到的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據后，為了便于量化分析，通常需根據一定的物理意義建立相應的等效電路模型，如等效電路模型與測量數據擬合結果能很好的吻合，則可利用電路模型中各電路元件的參數值的變化分析腐蝕的動力學及其機理。在考察微生物對腐蝕的影響機制時，通常采用對比的方法進行，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律，學者們在實驗室通過制備特種凝膠建立模擬微生物膜，利用人工生物培養方法增加電極表面細菌數量，開展了各種研究。Roe在低碳鋼上沉積細胞外生物高分子（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的 β-D-甘露糖醛酸單元等構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。

    細菌生物膜與空間微生物腐蝕

    細菌生物膜是自然環境中細菌對抗外界營養匱乏或應激的重要生存策略，由吸附于固體表面的同質或異質性細菌群體其分泌的胞外多聚物構成，為細菌的定植和繁殖提供生存環境。生物膜廣泛存在，且不易清除，目前已發現不少慢性感染的急性發作與生物膜形成密切相關。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生的進程。生物膜形成增加了細菌在空間，特別是長期空間環境，這一獨特環境中的生存能力。在空間密閉環境中，水汽易于凝結在材料表面，造成細菌的附著，進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菌吸附，細菌則利用材料及其周圍環境中的碳源和能量，在空間站中各類材料或涂層表面形成生物膜。生物膜的形成進一步造成細菌的滋生，一旦對飲水或空氣循環系統造成污染，必將嚴重威脅宇航員健康。此外，細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，對空間站運行造成危害。由于胞外基質的存在，生物膜內的細菌對外界環境抵抗力、抗生素和消毒劑抗性增強，給宇航員的長期健康維護和材料表面的微生物控制帶來了巨大挑戰。

    一、空間密閉環境中細菌生物膜的發現

    在空間載人密閉艙室中，雖然航天服、裝船產品等都要經過嚴格的消毒，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入。載人太空艙的密閉環境為大量微生物的生長創造了適宜條件。蘇聯“和平號”空間站內曾檢測到108種細菌，自1985年來，多次發現很多細菌甚至包括能引起嚴重感染的病原菌，在水循環系統中發現了大量生物膜的存在，給宇航員健康帶來嚴重威脅，并嚴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中，空間環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。經過太空飛行后，沙門氏菌可能通過細胞外基質形成增加致使毒力增強。大量地面研究也同樣支持此結果，大腸桿菌等多種細菌在模擬微重力條件下生物膜形成能力增加。因此，細菌生物膜的存在將是長期太空任務無可爭議的事實。研究人員從空間站帶回的小塊聚合纖維板觀察后發現，細菌和微生物對它的破壞已經相當嚴重。NASA和俄羅斯宇航局規定：在空間飛行任務中使用的材料應評估其生物膜形成情況才能被采用。因此，深入了解細菌生物膜形成機制，對于制定針對性的空間微生物防控策略至關重要。

    二、細菌生物膜的組成及特性

    最早列文霍克等人用普通光學顯微鏡在牙齒上發現了細菌生物膜的存在。過去三十幾年間，人們已經利用先進的顯微技術和微生物培養技術，在工業、生態和醫學領域取得了巨大進展，如細菌生物膜超微結構的解析和粘附與生物膜相關基因的發現。在適當條件下，細菌都易于粘附于活組織、內置醫療器件、工業/飲用水管道或自然水系統等各種類型的表面，形成細菌生物膜。根據周圍環境的不同，細菌生物膜的非細胞成分還可能包括礦物結晶、腐蝕顆粒、黏土/泥沙顆粒或血液成分等。與浮游細菌相比，生物膜內的細菌生長速度減慢，某些特定基因發生表達變化。 （一）生物膜的組成。  微生物腐蝕本質上是一個界面過程，其進程由界面的生理生化微環境決定，如氧氣、鹽、pH值、氧化還原電位和導電性等，而所有這些參數都與界面上的微生物有關。體外培養條件下，細菌多呈均勻、懸浮生長，單個細菌以浮游狀態存在。然而，在某種特殊條件下，細菌引發特異的機制粘附并聚集于固體表面，分泌基質成分形成微菌落，逐漸形成一個具有結構性、協調性和功能性的高度組織群體，即成熟的細菌生物膜，可以是單層或多層。在合適條件下，部分細菌從生物膜上脫落，釋放出浮游細菌，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境，充分的基因交換有利于生物膜結構維持和穩定。與浮游細菌不同的是， 生物膜中的細菌環境適應能力更強。細菌生物膜主要是由細菌和其聚集產生的胞外聚合物（EPS）基質組成，提供最適環境用于細胞間信息交換。胞外基質是生物膜的主要成分，包括胞外多糖、蛋白質、DNA、RNA、脂類等生物分子， 其中以胞外多糖和蛋白質研究居多。生物膜內部不同部位的營養攝取需求和方式不同，如生物膜中心或底部的細菌由于處于靜止狀態，對營養的需求降低；生物膜存在水流通道，可增加生物膜的表面積和對流轉運能力；生物膜外層的小塊生物膜釋放和單個細胞脫離， 從而獲得更多的營養。因此，細菌生物膜的特點是內部細菌的異質性（heterogeneity）， 即生物膜內不同部位的細菌呈現不同的基因表達模式， 發揮不同的功能。細菌生物膜的結構按從外到內依次分為：生物膜主體層（bulk of biofilm）、連接層（linking film）、調節層（conditioning film）、基質層（substratum）。形成生物膜的細菌由于自身代謝和聚合作用會產生大量的細胞外多糖，它們將粘附在膜面上， 形成粘度很高的水合凝膠層，進一步增強細菌與膜的結合能力，是一個高度自發的過程。

    （二）生物膜的類型。依據固體表面與細菌細胞間的作用特點，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為細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菌粘附相關的結構（如鞭毛、菌毛）和粘附素。多層生物膜除了細菌與表面的相互作用外，增加了細菌間的相互作用。然而，細菌表面在多數情況下互斥的。例如，革蘭陰性菌表面的化學特性是由表面的O抗原決定的，通常是帶負電荷的。為形成生物膜，需要將負電中和，如下調或失活O抗原表達、加入二價離子或合成胞外多聚物等。

    三、細菌生物膜形成的調控機制

    經過長期的進化，細菌細胞已經發展出了一套精密的調節系統，在感應外界環境變化時，能通過調節基因的表達，迅速適應環境的變化。在合適條件下，細胞的環境信號應答系統首先被激活，調控蛋白的表達發生改變，進而影響胞外多糖、鞭毛、菌毛以及淀粉樣蛋白纖維組成蛋白的合成，細胞表面的結構改變，促進細菌在固體表面的粘附。一旦粘附成功，且細菌達到一定的數量，誘發細胞產生并分泌信號分子，避免細菌因過度生長而造成空間和營養物質缺乏，更重要的是可以控制并協調整個細菌群體行為，對周圍環境刺激做出協同反應，極大增強了整個細菌群體的生存能力。

    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菌的初始附著（可逆）、生物膜早期結構形成（不可逆）、生物膜成熟和生物膜細菌脫落為游離狀態四個步驟（圖1A）。細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、塑料和醫療內置器械等；有生命的材料包括上皮細胞、人類皮膚和動物組織表面等。盡管材料表面溫度、pH值、離子環境、靜電斥力和水動力微環境不利于生物膜形成，然而細菌已經進化出鞭毛動力裝置，主動克服這些阻力，形成了細胞初始粘附的動力。當然，除了有動力的細菌，目前也發現，有些無動力的細菌也能通過粘附因子的表達實現細菌的初始粘附，該過程是可逆的。在經過初始粘附之后，鞭毛動力裝置被抑制，細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產生，在轉錄后水平調節多糖的合成，細菌由原有的游離狀態變為靜止狀態。此外，菌毛也在細菌的初始粘附和早期生物膜形成中發揮重要作用。一旦早期生物膜牢固地附著于固體表面，細菌則通過細胞間相互作用聚集在一起，分泌胞外基質成分，形成具有三維結構的成熟生物膜。細菌的自轉運系統和胞外多聚物在生物膜成熟過程中不可或缺。自轉運系統能輔助細菌間的粘附、促進細菌聚集和三維結構形成。胞外多聚物是生物膜區別于游離細菌的主要特征，有利于細菌間和細菌-材料表面的相互作用，作為細菌生物膜的支撐物，起到保護三維結構的作用。分泌到基質的胞外多糖維持生物膜的形狀和結構，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，發生基質的酶解或密度感應效應，部分細菌解離，形成游離細菌，鞭毛蛋白上調，定植到其他部位，形成新的生物膜。

    參與生物膜調控的信號感應系統

    研究中發現銅綠假單胞菌IV型菌毛介導的蹭行運動（twitching motility）參與了生物形成，當蹭行運動喪失， 銅綠假單胞菌就不能形成生物膜。細菌形成生物膜是一個復雜的多因素調控過程，主要由信號感應系統負責傳遞外界環境信號，引起應答反應。信號感應系統包括：二元調控系統（TCS）、胞質外信號感應通路（ECF）和密度感應系統（QS）。

    1. 二元調控系統與生物膜形成

    二元調控系統主要組分包括組氨酸激酶（HK）和反應調節蛋白（RR）。組氨酸激酶能感應外界信號，包括N端的配體結合域、C端激酶結構域，通過將ATP的磷酸基團的轉移到激酶特定的組氨酸殘基上，實現信號的傳導。接下來，組氨酸激酶再將獲得的磷酸基團轉移到調節蛋白的天冬氨酸殘基上，激活轉錄因子。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控系統在細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，該系統誘導RsmY和RsmZ的表達，浮游細菌向靜止聚集狀態過渡。此外，還有兩個組氨酸激酶RetS、LadS與Gac系統相關，分別抑制或激活生物膜形成相關基因。革蘭陽性菌則感應修飾的寡肽，實現二元系統的激活。金黃色葡萄球菌二元調控系統GraS（HK）/GraR（RR）促進生物膜的形成，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編碼基因負責生物膜合成，IcaR則負調控生物膜形成。

    2. 胞質外信號感應通路與生物膜形成

    胞質外信號感應通路也在生物膜形成過程中發揮重要作用，參與該通路主要成分是細胞膜上的σ（Sigma）因子和抗σ因子。此外，有些外膜和周質蛋白也參與該過程。周質蛋白感應外界信號后，抗σ因子降解，釋放σ因子，生物膜相關基因轉錄。銅綠假單胞菌中，AlgU屬于σ因子，負責胞外多糖中褐藻糖的生物合成，進而影響到生物膜形成。感應某種未知信號，抗σ因子MucA的C末端周質結構被蛋白酶AlgW切割，從而解除對AlgU抑制。AlgU激活algUmucABCD操縱子，促進褐藻糖合成和IV型菌毛的組裝，進而形成生物膜。

    3. 密度感應系統與生物膜形成 密度感應系統中，信號分子由單個細胞產生，并釋放到細胞外環境中，隨著細菌密度的上升不斷累積增加，信號分子積累到一定的濃度，即超過細胞所能承受的閾值，這些信號分子就會結合到細菌的轉錄激活因子上，進而引起細胞內一系列相關應答反應，如分泌毒力因子、調節宿主免疫反應和增加遺傳物質交換頻率等。在革蘭陰性菌中，群體感應信號分子主要是N-乙酰化的高絲氨酸內酯（AHL）的衍生物。以銅綠假單胞菌為例，存在2個級聯QS信號系統（控制細胞外毒力因子表達的LasR-LasI系統和控制幾種二級代謝所需產物的RlhR-RlhI系統），前者對后者有調控作用。銅綠假單胞菌野生株形成的高度結構化、較厚且抗性強，而 LasI變異株形成的生物膜結構簡單、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作為信號分子，其調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蛋白來調控基因的表達。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菌中普遍存在且有較強的保守性，多數種類的IuxS同源序列與Al-2合成相關， 表明Al-2可能是廣泛存在的細菌種間信號分子，負責種間細菌的信號傳導。此外，調控基因自身也受到周圍微環境的調節，如錳、鐵、碳源、氧濃度和代謝產物等。

   四 細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，由于細菌新陳代謝，改變了金屬表面膜電阻，創造了生物膜內腐蝕環境，屬于電化學性質。根據呼吸底物和電子受體的不同，可將腐蝕金屬的微生物進行分類，如硫酸還原細菌、硫酸氧化細菌、鐵氧化還原細菌、錳氧化細菌和產生有機物和胞外多聚物/薄膜的細菌。這些細菌常常共存于自然發生的細菌生物膜中，協同啟動并影響到電化學過程。細菌生物膜的胞外基質成分含有95-97%的水，提供了細菌群落的穩定生存環境，在生態環境中占優勢地位。因此，微生物腐蝕實際上是一個生物膜的問題。 目前航天器內常采用高分子材料。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物。即便對于難以發生生物降解的化學合成高分子材料，如果長期置于某種環境中，也存在著微生物腐蝕的風險。因為微生物具有極強的變異性，在特定條件下，也可能產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境條件。微生物腐蝕的優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菌附著、細菌間的吸附與增殖、生物膜的成熟和細菌的解聚四個階段。形成細菌生物膜首要的步驟就是粘附，影響粘附的因素除了細菌自身特性外，還包括固體界面的理化特性（硬度和疏水性）和周圍微環境（水流體動力學、介質特性）。 影響細菌生物膜形成的細菌自身特性包括細菌細胞表面疏水性、特殊菌體結構和胞外多糖聚合物。盡管細菌大多帶負電荷，但細胞表面也會含有疏水成分，這種疏水特性對細菌粘附于固體表面十分重要。研究發現，大多數細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，有利于形成細胞表面的疏水性和細菌的粘附。鞭毛是細菌的動力裝置，在細菌粘附早期也起到與菌毛類似的作用。與此相一致的是，有動力的細菌較無動力的細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抗原的生物細菌膜形成能力增加。此外，胞外多糖聚合物在細菌粘附過程中也起重要作用。 影響細菌生物膜形成的固體界面的自身理化特性包括材料的質地/硬度、疏水性和條件層。然而，影響細菌生物膜形成的微環境則包括溫度、濕度、pH值、營養、離子、氣體、流體動力學及有無抗菌劑等。   

   六  細菌生物膜的主要檢測與風險評價方法

    細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檢測、報告基因檢測和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，進行表面和內部的形態、超微結構和數量的觀察。直接觀察法結果準確、可靠，是檢測細菌生物被膜形成能力的“金標準”。激光共聚焦掃描顯微鏡法是近年來發展起來的一項新技術，可以對細菌生物進行分層掃描拍攝，觀察其立體結構形態。此外，結晶紫染色、剛果紅以及試管法都可用于細菌生物膜的定性和定量觀察。結晶紫染色法通常是利用微孔板進行生物膜檢測的一種傳統方法，可進行半定量的檢測。剛果紅特異性地結合細菌胞外多糖，可作為快速定性檢測生物膜的方法。玻璃管法則廣泛運用于細菌生物膜初步定性的檢測方法，適用于大批量細菌生物膜的初篩。 原位雜交檢測與共聚焦顯微鏡配合使用，在維持細胞形態的基礎上可檢測鑒定生物膜的細菌種類、立體結構和分布情況，操作簡單、快速。報告基因融合技術用于了解生物膜基因的表達情況，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基因非常有效的診斷技術，可以大大提高細菌生物膜檢出率。 材料表面典型的細菌生物膜通常薄層、粘液狀、柔軟濕潤、散發有機物味道和色澤變深等特征。然而，有時與腐蝕產物、碳水化合物及抗腐蝕物質吸附在一起，這種典型的特征就很難辨認了。因此，是否存在細菌生物膜的可能性對于微生物腐蝕風險評估就很重要了。存在以下條件基本上可以排除細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，不產生任何水汽；（3）不存在有機/無機營養物；（4）定期采用有效防污措施的部位。細菌生物膜的風險評價方法包括采用碳水化合物（多糖）和蛋白質的測定，都使用分光光度計法。

   七 細菌生物膜的防控策略

    對于空間環境中細菌生物膜的防控措施從細菌和材料兩個角度進行，包括物理化學殺菌、改變介質環境和生物控制法（圖1B）。粘附是細菌形成生物膜的第一步。因此，抑制細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菌的生長繁衍，減少微生物腐蝕的發生。脈沖高壓電場和磁場同樣可以殺滅細菌。化學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菌或后期定植的細菌形成生物膜，會產生對殺菌劑更強的耐受性，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生的化學物質，使得細菌不易在表面定植。 細菌生長對環境有特定的要求，改變環境介質的pH 值、溫度，可減少細菌的數量。材料表面加入抗生素單體、修飾四乙醚脂可使其具有適當的抗生物膜特性，比傳統的方法更加環保、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模，其中一個有效的辦法是加入特異的酶，以降解細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，可寄生在細菌細胞內，并裂解細菌，達到防止微生物對材料進行腐蝕的目的。某些菌則能選擇性抑制其他細菌的感染，如當表皮葡萄球菌定植于皮膚和鼻孔粘膜，由于其產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節免疫外，還能減輕腸道內需氧腸桿菌的生物負擔。因此，可利用上述特性，采取預防接種的方式降低宇航員的感染風險。除了能引起腐蝕和致病，細菌生物膜也可用于生物治理，利用微生物數量多和能固定某些化合物的特點，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。

    空間腐蝕微生物的中和控制策略

    空間載人密閉艙環境條件下，滋生的細菌和真菌等微生物能在密閉艙室內的金屬或合金材料器件、高分子復合材料、無機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，產生微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion, MIC）問題，這會嚴重威脅空間站的長期在軌運行安全，縮短空間站的服役時間。 “和平號”空間站在長達15年的運行期間曾發生多次由微生物導致的設備故障。例如，其第3批航天員曾發現一扇舷窗因為霉菌的生長造成能見度降低，光學性能下降。第5批航天員進駐期間氧氣電解裝置因真菌的繁殖而出現堵塞。第14、15批宇航員在軌期間其溫控系統曾發生故障，經調查發現是被真菌繁殖形成的膠狀物質堵塞了管道。第24批宇航員進駐期間曾發生由于真菌腐蝕造成的電子通訊設備故障。 此外，發現細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生了明顯可見的腐蝕現象，它們用于管道、儀表盒、循環水儀、熱控器、空調、氧氣點解器、電絕緣套、開關鏈接器和取景窗等（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，結構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致密封性能降低和結構強度下降，最終影響空間站的可靠運行，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，導致出現短路、斷路。國際空間站上曾經有過一臺通信設備發生故障后反復查找不出原因，后打開設備機蓋，發現設備內部電路板、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材料的過程中還可能伴隨有害氣體的釋放，導致密封艙內有害氣體超標，危害航天員的生命安全。

    圖 17-1 “和平號”的實踐證明微生物（腐蝕）嚴重威脅平臺設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生明顯腐蝕；B. 微生物腐蝕聚酰亞胺高分子材料和復合材料表面；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]

    國際空間站運行期間也曾多次報道發生微生物腐蝕事件（圖17-2）。如圖17-2A所示，不銹鋼門板背面因為經常懸掛濕毛巾的緣故，導致了大量的微生物滋生，這些微生物會對門板產生嚴重的腐蝕。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物生長，分泌出的酸等二次代謝產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菌。這些細菌可能會造成堵塞和機器的故障。

    圖17-2 國際空間站的實踐證明微生物（腐蝕）嚴重平臺設備安全 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生腐蝕，加速航天器件的降解耗損，將可能導致空間站內的設備運行失靈，影響航天器的長期正常運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，一旦發生微生物腐蝕設備故障，損失不可估量。

    一、 空間載人密閉艙環境微生物的來源

    在人類不斷地開展太空探索和進行太空飛行的同時，微生物也伴隨著人類的腳步進入太空。在體積有限的空間載人密閉艙室內，環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%。這種環境條件能保證航天員在密閉艙內生存和工作，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：一是在發射之前，空間站使用的設備和材料在生產、存放、使用、裝配過程中，裝配廠房環境中的空氣和機器、裝配人員及其工具等會將微生物引入設備表面和內部。在地面總裝、測試和發射準備過程中，操作人員及物件在進出艙體時也會將攜帶的微生物直接擴散至艙內。

    二是在航天員進入空間密閉艙，航天員的人體微生物也隨之進入并通過艙內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部或體表一般活躍著超過500多萬種微生物，總質量約占人體的1%~2%，其種類涵蓋細菌、真菌、病毒、支原體、衣原體等。這些細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，貨運飛船在運送航天員和補充貨物時，通過人員、貨物的轉移，搭乘的新航天員及貨物攜帶微生物也會進入艙內，并隨氣體的流通而傳遞到空間站的艙內。 特別之處是，空間環境具有地面環境中所不存在的一些特殊環境因素，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進入空間密閉艙室的環境微生物產生基因突變和調控機制的變化，進而影響微生物的生物學性狀和功能。在航天器這樣無地面選擇壓力的高致變環境中，某些微生物的變異過程可能會促進微生物的生長繁殖。

    二、空間密閉艙環境微生物的多樣性 前蘇聯和俄羅斯建設的“和平號”空間站（Mir）1986年開始運行至今，為研究長期載人飛行環境下微生物組成規律提供了寶貴機會。在1986~2001年，前蘇聯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）。他們設計了專門針對空間密閉艙中環境的特殊性的微生物采樣裝置，比如采集艙壁和設備表面微生物的拭子和接觸培養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，在室溫條件下可以保存7 d。然后，隨聯盟號或航天飛機返回地面，在地面實驗室進行分離培養和鑒定。 “Ecosphere Kit” （圖17-3F）是為采集空氣中微生物樣品專門設計的設備。該設備使用的無菌培養平板是在發射之前由地面工作人員準備的。針對細菌和真菌分別配制不同的培養基和制備平板，用塑料袋封裝，抽真空后經伽馬射線滅菌處理。在使用時，航天員將培養皿從袋內取出，安裝到裝置右端的圓筒內，航天員手持此設備，從目標區域抽取90 L的空氣取樣，之后將培養皿取下，進行分離鑒定。 手持式微生物檢測設備“LOCAD-PTS” （圖17-3G），是由美國國家航空航天局（NASA）的Marshall空間飛行中心聯合相關研究機構將一種便攜式內毒素檢測系統“Endosafe-PTS”改進而來。“LOCAD-PTS”于2006年12月由“發現號”航天飛機送往國際空間站，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微生物污染的監測。該檢測器自身重2.2磅，集成了分光光度計、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，分別用于檢測內毒素、葡聚糖和脂磷壁酸，分別對應于革蘭氏陰性細菌、真菌和革蘭氏陽性細菌的水平。此外，“LOCAD-PTS”系統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內即可完成。

    圖 17-3 空間載人密閉艙室內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”飛船開展的艙內微生物采樣培養；E. 俄羅斯研發的“Pipette Kit”艙壁和設備表面微生物采樣工具包；F. 俄羅斯研發的“Ecosphere Kit”空氣微生物采樣工具包；G. 美國研發的手持式微生物檢測設備“LOCAD-PTS”。 [引自：Pierson 2001、Novikova 2006和Maule 2009]

    俄羅斯生物醫學研究中心先后從“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、水和表面進行采樣，然后將采集的樣品返回，在地面實驗室中進行分離和鑒定。到目前為止，國際空間站上已經進行了88次取樣檢測。其中從空氣中取了26個區域樣本，從艙室表面取了62個區域樣本。經地面分離培養，鑒定了84 種微生物，分別屬于12個屬細菌和11個屬的真菌（表17-1）。 我國“921”載人航天工程從1999 年發射“神舟一號”至2002 年“神舟四號”飛船上，實施了飛船發射、運行、返回及留軌運行期間對空間環境進行了實時監測，為“神舟五號”載人飛行打下了基礎。2003 年“神舟五號”首次將航天員送入太空，標志著我國成為繼前蘇聯和美國之后，第三個有能力獨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，實現了多人多天飛行的目標，全面驗證和考核了飛船的生命保障功能以及其它系統等。2008 年，我國航天員乘坐“神舟七號”載人航天飛船成功進入太空，順利完成空間出艙活動和空間科學實驗任務，實現了我國空間技術發展具有里程碑意義的重大跨越，標志著我國成為世界上第三個獨立掌握空間出艙關鍵技術的國家，奠定了中國空間站技術基礎的重要一步。2011 年，“神舟八號”飛船成功與“天宮一號”完成交會對接，實現了中國載人航天首次空間無人自動交會對接試驗。2012 年，“神舟九號”飛船成功與“天宮一號”完成交會對接，這是中國實施的首次載人空間交會對接，并首次實現了與“天宮一號”的空間連通。 我國航天員也已經從“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個屬的細菌（表17-1）。從2000年開始，總裝備部航天醫學工程研究所（507所）謝瓊課題組開展了密閉環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，取得了一些實驗結果。

    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菌和真菌屬 來源 菌株名稱 和平號空間站 細菌 （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 細菌（10） Sphingomonas、Microbacterium、Acinetobacter、Staphylococcus、kocuria、Microbacterium、Sphingomonas、Methylobacterium、Acremonium 引自：Novikova 2004和謝瓊等 2000，2012 當前的研究經驗表明，基于傳統培養方法的在軌微生物檢測技術簡單實用、穩定可靠，可以為分析空間環境微生物的種類和分布提供重要數據。但是，由于這些方法主要基于微生物在培養基上的生長能力，所以存在一些不足。由于大多數（>95%）的微生物種類的生長環境和營養需求還不清楚，不能在傳統的培養基上生長而無法被分離鑒定。此外，采用培養分離的方法也比較耗時耗力。因此，開發出能在空間密閉艙環境下操作的DNA提取技術和快速分子鑒定技術將有利于擴大空間樣品中微生物種類檢出。 三、 空間載人密閉艙已發現的腐蝕性微生物種類 （一）、前蘇聯和俄羅斯對空間腐蝕微生物的研究 早在1970年代，前蘇聯和俄羅斯科學院生物醫學問題研究所（IBMP, RAS）和莫斯科國立大學研究團隊就開始對中長期運行的太空密閉艙中采集的微生物的腐蝕性能開展了系統的研究。莫斯科國立大學的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分離得到8株真菌，發現其中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在地面進行微生物腐蝕加速實驗。如圖17-4所示，在無機鹽培養基中，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纖維受到嚴重腐蝕。 圖17-4 “和平號”空間站分離的真菌嚴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.，在地面進行鋁鎂合金（AMG-6）微生物腐蝕加速實驗。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株真菌進行對180種太空設備使用的鋁鎂合金進行地面微生物腐蝕評價。結果確認機械、陽極化和化學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聯合其他大學的研究人員，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）等進行了模擬微生物腐蝕加速實驗。實驗確定支頂孢屬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箱中（A），嚴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驗菌株，對備選的空間站使用的材料，如纖維增強復合材料、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行了研究，確定大多數材料都容易形成微生物膜進而被腐蝕。使用電化學阻抗譜（EIS）定量表征了微生物腐蝕過程中材料特性的變化，并發現溫度和濕度影響形成微生物膜的。 2005年，由于熱交換介質的水流體中pH下降和銀抗菌劑的失效，“國際空間站”內部鎳基鋅銅合金材料制造的主動熱控系統被微生物嚴重腐蝕。NASA馬歇爾航天中心的Roman等人設計了一套模擬主動熱控系統所處的“國際空間站”環境的微生物腐蝕加速測試系統，包括模擬pH、溫度、流速、可獲得營養、微生物濃度條件，并且以從“國際空間站”主動熱控系統中分離的硫酸還原菌等8株混合細菌作為微生物接種液，其中認為微重力等因素對過程影響較小，忽略不考慮。對2種準備在空間站使用的改進鎳基熱控系統材料進行6個月的生物腐蝕安全性測試，沒有發現微生物侵蝕現象。 （三）、中國對空間腐蝕微生物的研究 與俄羅斯和美國相比，我國空間微生物領域的研究起步較晚。2000年開始，總裝備部航天醫學工程研究所（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驗，取得了一些載人航天器微生物污染和霉菌腐蝕材料的實驗結果。確定微生物在空間條件下繁殖能力增強，搭載后生長加快， 形態分化提前，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，開展腐蝕性實驗研究。在地面環境下，通過選用2株地面模式菌、2株對應空間搭載菌和8株空間下行菌對5種高分子材料（環氧樹脂、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驗；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驗；選用1株地面模式菌和1株對應空間搭載菌對2種金屬材料鈦合金（TC4）和不銹鋼（304）開展微生物物腐蝕實驗；半定量的腐蝕等級歸納見表17-2。數值越大，代表腐蝕能力越強。 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境和人員進行控制。國際空間站的各艙段以及載人飛船、貨運飛船和航天飛機等來訪航天器在地面階段的微生物控制相當嚴格，主要的控制環節及其控制措施如下： （1）地面階段環境與人員的控制 單機產品生產時除電子器件和光學器件外，其余器件均需要采用3%雙氧水擦拭的方式進行消毒，并用雙層無菌袋套封，在滿足生物凈化標準的車間內進行裝配，并用雙層無菌袋套封。可以密封的設備盡可能采用密封設計。產品交付驗收后需對表面再次消毒并套封，存放在潔凈房間內。航天器總裝車間為生物凈化車間，每周進行生物取樣，確保滿足凈化要求。操作人員進車間前需要洗澡并更換消毒后的衣服，用酒精消毒手部。在發射場同樣要保證這些環境條件和實施控制措施。總裝完成后對密封艙進行消毒處理，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氣體進行置換。發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行上述控制，并達到發射前的微生物指標要求，即艙內氣體中細菌300 CFU/m3，真菌50 CFU/m3；表面細菌500 CFU/100m2，真菌10 CFU/100m2。在到達空間站后，航天員先部分打開艙門進行微生物和有害氣體的檢測，若發現微生物超標，則首先進行消毒處理，達到要求后才完全打開艙門進行貨物、人員的轉移。 （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境和人隔離一段時間，進行微生物的檢查，若體內攜帶致病微生物則進行藥物治療。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和總裝車間環境要達到生物凈化的標準，遠遠超出了現有載人航天器的地面保障條件。各環節對航天器消毒和操作人員消毒等控制措施使得現有的總裝測試和發射場流程更為復雜。可見，空間站工程需要在微生物控制方面花費巨大的人力、物力和財力，這是空間站面臨的新挑戰。 （二）、空間站環境控制 空間站上的航天員通過呼吸將致病微生物直接吸入體內，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，飄散到艙內氣體中。人和環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境進行微生物的控制，并落實在空間站的設計上，否則將存在不可控制的區域，補救措施也于事無補。 1. 艙內氣體中微生物的控制 艙內氣體中的微生物主要附著在懸浮顆粒物上，因此進行過濾凈化是控制艙內氣體中的微生物數量的有效手段。在艙內氣體凈化系統中設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99.97%。 針對一些氣體質量差、微生物數量較多的局部區域，可通過便攜式殺菌裝置進行快速凈化處理。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備POTOK 150MK。該設備只有顯示器大小，可以由航天員移動到所需凈化的地區域，由于是物理滅菌，因此，不需要補充消耗性物資，方便實用。POTOK裝置是利用交叉電磁場的作用進行滅菌，然后通過納米材料進行過濾和生物降解，其滅菌效率可以達到99%~100%，同時還可以過濾粒徑在0.01~10 ?m 范圍內的懸浮顆粒，去除率高達99%。“和平”號空間在啟動POTOK 前后，艙內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行嚴格的篩選，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，可在結構金屬材料表面涂納米銀，在纖維材料內添加銀線；對材料表面進行疏水處理，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。 實驗表明聚合材料上微生物的菌落數是金屬材料上的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，還需要對其進行抗菌防霉處理。 （2）環境控制 在空間站載人環境設計中要盡可能消除通風不良的區域，減少易凝結冷凝水的低溫面，如艙體內表面、舷窗玻璃都是低溫面，容易結露。電纜管道、機柜背后容易存在通風死區，這些區域均是易于微生物生長的區域。對這些區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表面進行擦拭。對于微生物生長嚴重的區域，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，應盡可能使用表面光滑的材料。如必須使用，則設計成可以拆除更換，必要時用新材料替換，但這將增加上行貨物運輸的代價。 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殺菌效果好，還要對人體的毒性低，對設備的腐蝕性小。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整。 （4）水系統微生物的控制 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和熱控制系統中均有液體工質，這些工質在加注到管路或容器前必須對管路、容器和工質進行消毒，并施以工質微生物監測，必要時實施過濾、殺菌的控制措施，避免管路堵塞，導致系統運行中斷，過濾裝置應可以更換。若采用化學殺菌還要考慮殺菌劑對工質物理特性的影響和對管路系統的腐蝕，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展戰略的逐步實施，未來我們必將面臨長期載人飛行中的微生物安全問題。載人航天器內微生物滋生不僅會污染環境，導致航天員感染或生病，更會腐蝕材料，導致設備故障。與此同時，在空間發生變異的微生物如被帶回地球，還會威脅地球生態安全。

    據了解，“和平”號空間站在長達15年的運行期間曾發生多次由微生物導致的設備故障。例如，其第3批宇航員曾發現一扇舷窗因為霉菌的生長造成能見度降低，光學性能下降。第5批宇航員進駐期間氧氣電解裝置因真菌的繁殖而出現堵塞。第14、15批宇航員在軌期間其溫控系統曾發生故障，經調查發現是被真菌繁殖形成的膠狀物質堵塞了管道。第24批宇航員進駐期間曾發生由于真菌腐蝕造成的電子通訊設備故障。

    中國空間技術研究院航天生物集團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計、建造和飛行過程中采取一系列的微生物監測、控制、防護措施，控制空間飛行環境中的微生物水平，防范微生物可能對航天員或飛行系統造成的潛在風險 。

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

    “希望能夠在未來的空間站、載人飛船以及貨運飛船建造期間，就采取一種嚴格的微生物的防控措施，減少和降低空間內部的微生物的含量。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。

    國際空間站通信設備內部霉菌生長情況

    “第二就是開發適用在空間環境下，在軌航天器內微生物的檢測工具和微生物的消殺產品，為在軌微生物的防控創造條件。”趙輝還認為，應該對航天員進行有關微生物檢測與消殺的培訓，或者給他們提供一種培訓的方案，使他們未來在軌能夠定期開展對空間環境內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中，都安排了有關空間微生物的各種實驗項目以及實驗材料。而對于空間微生物的研究也不僅只在“天上”有用，在地面的應用前景也十分廣闊。“假如這類產品在天上能夠有效的應用，我們相信它回到地面，對于許多需要進行微生物控制和防護的地方就有極大應用的領域和前景。所以我們回到地面，會和相關專業結合，使它能夠得到應用、推廣和產業化。從另一個角度來說，這就是載人航天對社會經濟發展帶來的促進作用，是航天技術轉民用，軍民融合等戰略的具體落實。”

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責任編輯：王元

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