空間微生物的監(jiān)測與控制

空間微生物的監(jiān)測與控制

1空間組織及微生物控制隨著中國航空工程發(fā)展戰(zhàn)略的實施，未來中國航空工程的發(fā)展戰(zhàn)略將不可避免地面臨著艱巨的任務(wù)。國外經(jīng)驗表明,空間載人環(huán)境非常有利于微生物的生存［1-3］。登上過“和平”號空間站的太空人都曾在控制器后、空氣調(diào)節(jié)器及空間站的各個角落發(fā)現(xiàn)許多變種真菌。這些真菌在太空環(huán)境下變得極具破壞力,能釋放酸性腐蝕性物質(zhì),甚至?xí)诳諝庵嗅尫哦舅兀?］。在長期載人飛行任務(wù)中,如果不對這些微生物加以控制,將會對航天員的生命健康和航天器的長期安全運行造成以下風(fēng)險。首先,微生物的滋生會產(chǎn)生毒素,污染艙內(nèi)空氣、水源和食物,致病微生物會導(dǎo)致航天員生病或造成感染。在長期飛行條件下,航天員免疫功能會受到一定程度的抑制,某些致病微生物的感染毒性可能會增強。美國研究表明,鼠傷寒沙門氏菌在搭載航天飛機飛行12天后,對小鼠的毒性幾乎增為地面對照菌的3倍［5］。綠膿桿菌,一種能夠引起傷口感染的常見細菌,在太空培養(yǎng)環(huán)境下可以形成一種具有獨特結(jié)構(gòu)的生物膜,其擁有的活細胞數(shù)、生物量和厚度都明顯高于地面對照,這種改變可能會對病原菌的致病能力和耐藥性產(chǎn)生重要影響［6］。其次,微生物能夠腐蝕破壞空間材料,形成生物膜堵塞管道,導(dǎo)致技術(shù)設(shè)備故障?！昂推健碧柨臻g站在長達15年的運行期間曾發(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)一扇舷窗因為霉菌的生長造成能見度降低,光學(xué)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(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［1］。在國際空間站的運行期間,也曾多次報道發(fā)生微生物腐蝕事件。如,在2001年,俄羅斯艙的一個煙感器故障,返回地面后調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由真菌對電子部件的降解引起的［7］。俄羅斯在“和平”號空間站上的實踐表明,真菌和細菌經(jīng)空間飛行后,其對材料的腐蝕破壞能力會顯著增強［1］。此外,在太空孤立環(huán)境下發(fā)生變異的微生物變種,如果被活著帶返地球,可能會對人類和地球生態(tài)構(gòu)成威脅。在“和平”號空間站墜毀之時,其攜帶的各種變異真菌是否會逃脫被銷毀的命運,而進入地球的生物圈,曾引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注［8］。因此,為保障長期載人飛行人員健康和系統(tǒng)的運行安全,需要對空間微生物及其風(fēng)險進行控制。俄美等國在“和平”號空間站和國際空間站的建造及運營過程中非常重視微生物控制工作,并針對空間微生物的監(jiān)測、控制、防護等技術(shù)開展了大量研究,已經(jīng)積累了大量的技術(shù)和經(jīng)驗［1，2，9］。我國載人航天事業(yè)開展較晚,在前期神舟系列飛船任務(wù)中,由于飛行時間短,微生物控制的重要性未得到體現(xiàn),導(dǎo)致我國空間微生物控制技術(shù)水平相對薄弱。隨著我國空間站工程的啟動實施,在2020年前后,我國將建成和運營空間站,并將獨立開展長期有人參與的空間科學(xué)實驗［10］?？臻g微生物控制已成為我國空間站工程面臨的一個重大挑戰(zhàn)［11］,開展空間微生物控制技術(shù)研究是我國載人航天工程發(fā)展的重大需求。2控制空間飛行環(huán)境中的微生物空間微生物控制是指通過在航天器設(shè)計、建造和飛行過程中采取一系列的微生物監(jiān)測、控制、防護措施,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［1，9］。(對于一些需要返回地球或著陸外星球的航天器,其攜帶的微生物可能會對地球或外星球的生態(tài)或環(huán)境造成潛在威脅,因?qū)儆凇靶行潜Ｗo”考慮范疇［12］,不在本文討論之列。)2.1局部微生物航天員的活動,以及航天器組成和地面建造發(fā)射過程的復(fù)雜性,造成空間微生物的來源途徑多樣,控制難度大。空間微生物最主要來源是航天員的自體微生物,在航天員體表和體內(nèi)通常生活著大量微生物,它們是人體微生態(tài)平衡系統(tǒng)的重要組成,在正常情況下,有益于人體健康。航天員在軌期間,這些微生物會通過呼吸或其他途徑源源不斷地傳播到艙內(nèi)環(huán)境［1，11］。其次,航天器的結(jié)構(gòu)組件、設(shè)備載荷,攜帶的貨物、食品和水等,以及地面總裝測試、發(fā)射準備過程都可能引入微生物污染［1，11］。許多環(huán)境微生物的生命力非常頑強,特別是一些細菌的芽孢和真菌的孢子,一般的消毒滅菌措施很難完全消除,這些逃脫并進入太空艙的微生物或孢子,遇到適宜的條件,就會繼續(xù)生長繁殖,并擴散到艙內(nèi)各個角落［13］。艙內(nèi)的微生物種類復(fù)雜,且一直處于動態(tài)變化之中。俄羅斯生物醫(yī)學(xué)研究中心曾先后從“和平”號空間站分離出234種微生物,包含126種真菌和108種細菌［1］。與地面相對一致的微生物生活環(huán)境不同,艙內(nèi)的微生物通常生活在各種局部微環(huán)境中,如,控制面板背面、通信設(shè)備內(nèi)部、空調(diào)管道系統(tǒng)、各種材料表面等。這些局部微環(huán)境中生存條件差異很大,且經(jīng)常發(fā)生變化,如溫度、濕度波動,冷凝水形成,材料老化和有機物累積等。造成適宜生活微生物種群的多樣性,及種類、數(shù)量的經(jīng)常性變化［1］。在艙內(nèi)密閉環(huán)境下,這些生活在不同生境中的微生物群落,一方面發(fā)生自身演變,群落內(nèi)不同種群相互依存、相互競爭,優(yōu)勢種群不斷演替;另一方面,不同的微生物群落之間通過空氣以及其他傳播途徑進行種群交流,最終演化形成一種獨立的空間微生物生態(tài)系統(tǒng)。這種微生物生態(tài)系統(tǒng)也是動態(tài)變化的,當(dāng)發(fā)生環(huán)境變化或外源種群進入時,原有生態(tài)平衡即被打破,并向新的平衡演變。此外,微生物處于太空輻射、微重力等環(huán)境下,還可能會發(fā)生菌群性狀和生理遺傳等方面變化,如,生物膜的形態(tài)結(jié)構(gòu),微生物的生長速度、適應(yīng)性和抗性,真菌的腐蝕性和破壞性,病原菌的致病性和毒性等［1，5-6］。這些變化會導(dǎo)致空間微生物風(fēng)險和控制難度的增大。2.2微生物防護措施。在軌空間微生物的以上特點,決定了空間微生物控制的復(fù)雜性。按航天工程的不同階段微生物控制任務(wù)可劃分為:1航天器設(shè)計階段。在艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計、材料選擇等過程中,需要盡量減少有利于微生物生長的環(huán)境或表面,避免使用易受微生物腐蝕破壞的工程材料,對可能發(fā)生的微生物風(fēng)險采取預(yù)先防護或?qū)勾胧?地面建造階段。在航天器的總裝測試、發(fā)射準備過程中,需要采取消毒滅菌、潔凈組裝、微生物監(jiān)測等一系列措施,嚴格控制航天器和設(shè)備載荷等攜帶的微生物污染。3在軌飛行階段。需要定期監(jiān)測飛行中艙內(nèi)環(huán)境的微生物污染及變化,并通過清潔消毒等操作降低微生物水平,以及在發(fā)現(xiàn)微生物風(fēng)險后采取應(yīng)對措施。由于不同航天任務(wù)的微生物危害性不同,微生物控制任務(wù)要求也不盡相同。1人造衛(wèi)星、月球或行星探測器等無人航天器。由于內(nèi)部無大氣存在,微生物不能生長,不會對航天器造成危害,無需進行飛行微生物風(fēng)險防護。但是,如果航天器需返回地球或著陸外星球,需考慮“行星保護”相關(guān)要求。2神舟飛船等短期載人航天器。由于在軌時間短,微生物對材料設(shè)備的危害較小,主要風(fēng)險是病原微生物對航天員的感染。所以,微生物控制重點為地面階段的消毒滅菌和病原微生物的檢驗檢疫,以及在軌微生物采樣監(jiān)測。3空間站等長期載人航天器。由于在軌時間長,微生物的滋生不僅威脅航天員的生命健康,還會對艙內(nèi)材料設(shè)備造成潛在危害。所以,不僅需要在航天器地面階段嚴格控制微生物污染的引入,在軌階段對艙內(nèi)微生物水平進行長期監(jiān)測和控制,還需要在航天器的設(shè)計階段對潛在的微生物風(fēng)險采取預(yù)先防護措施。4與空間站對接的載人或貨運飛船。主要防范對接過程中將外源微生物引入空間站艙內(nèi)。所以,其地面階段應(yīng)執(zhí)行與空間站類似的微生物控制標準,并在發(fā)射前進行采樣檢測。3國外空間微生物控制的發(fā)展3.1飛行微生物監(jiān)測國際空間站是一個長期在軌飛行的近地載人航天器,在國際空間站醫(yī)學(xué)操作要求文件(ISSMORD)中,包含了對空間站發(fā)射前和在軌運營期間微生物控制的相關(guān)要求［14］。國際空間站各艙段在發(fā)射前,需依據(jù)ISSMORD“國際空間站飛行前微生物控制和監(jiān)測要求”對艙內(nèi)的表面、空氣和水進行微生物采樣檢測,分析細菌、真菌的數(shù)量和種類。與空間站對接的航天飛機、“聯(lián)盟號”飛船和“進步號”貨運飛船在發(fā)射前也需要進行微生物檢測。如果發(fā)現(xiàn)細菌或真菌水平超標,需采取適當(dāng)措施進行處理,將其降低到允許范圍之內(nèi)。國際空間站在軌運營期間,需按照ISSMORD“國際空間站在軌飛行微生物控制和監(jiān)測要求”對艙內(nèi)表面和空氣進行定期微生物采樣,并對艙內(nèi)表面材料和金屬部件受微生物腐蝕破壞的情況進行評估。需要同時采用兩種手段對微生物樣品進行分析:1)在軌微生物計數(shù),分析細菌和真菌的數(shù)量與動態(tài)變化;2)返回地面分析,將飛行期間和人員返回前采集的樣品帶回地面,在實驗室中對樣品中的微生物進行分離鑒定,分析微生物的種類和性狀變化。如果發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)空氣或表面微生物水平超標,可通過向地面?zhèn)魉鸵曨l或照片,由美國NASA/JSC和俄羅斯RSA/IBMP的微生物專家對微生物風(fēng)險進行評估,并將結(jié)果通知參與飛行任務(wù)的醫(yī)生;同時,嘗試鑒定污染源,并協(xié)調(diào)相關(guān)人員采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧τ诒砻嫖⑸镂廴?可根據(jù)情況采用清潔或消毒拭巾進行擦拭。3.2空氣中的微生物在航天器設(shè)計中,常用的微生物防護措施有:在艙內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)中加入HEPA(高效空氣粒子過濾)裝置,用以去除空氣中的微生物和顆粒物;調(diào)整艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計,控制空氣相對濕度及均勻度,防止?jié)駳庠谀承┎课环e累并形成冷凝水［15］?！昂推健碧柨臻g站和國際空間站還裝備了等離子發(fā)生裝置,用于凈化空氣和殺滅微生物［16］。美國NASA還十分重視航天工程材料的抗菌防霉性能篩選和抗菌涂料研究,在上世紀70年代曾委托哥倫布實驗室開展抗菌材料和涂料的實驗研究［17］。3.2.2熱法計量材料的研究航天器零部件在出廠前,需要進行清洗消毒,NASA常用的方法有:70%異丙醇或超純水擦拭法、多重有機溶劑清洗法等［18］。航天器部組件在組裝完成后,還需要進行滅菌處理。干熱滅菌為NASA早期“行星保護”計劃的主要滅菌方法［19，20］,但是,長時間熱處理會引起某些材料的降解,影響材料設(shè)備的性能或可靠性,僅適用于航天器一些耐熱金屬零部件的滅菌［21］。航天飛機等現(xiàn)代航天器,含有大量有機合成材料和電子元器件等熱敏感部件,干熱滅菌法很難完全適用。所以,NASA一直在積極需找可以替代的常溫滅菌技術(shù),已報道的有:環(huán)氧乙烷(ETO)、低溫甲醛蒸汽、過氧化氫蒸汽(VHP)、低溫等離子體等氣體滅菌技術(shù)［22-24］。其中,VHP是最新經(jīng)過NASA認可的常溫滅菌技術(shù),NASA噴氣推進實驗室(JPL)已完成了VHP與系列航天材料的兼容性試驗,并對過氧化氫濃度、滅菌時間、溫度等各項滅菌參數(shù)進行了系統(tǒng)優(yōu)化研究［24，25］。現(xiàn)代VHP滅菌技術(shù)由于滅菌溫度低、無害無殘留、對大部分航天材料有很好的兼容性,非常適合載人航天器表面及組件設(shè)備的滅菌處理。3.2.3航天器硬件的消毒消毒經(jīng)過消毒滅菌的航天器零部件需要在潔凈環(huán)境中進行總裝測試和發(fā)射準備,以避免微生物二次污染。在國際空間站的地面組裝過程中,裝配車間對微生物控制的要求遠高于外科手術(shù)間的要求,以避免人員或環(huán)境對航天器硬件的污染［26］。目前,國外航天器裝配車間通常采用層流系統(tǒng)控制空氣微生物水平,并制定例行的清潔消毒、微生物監(jiān)測和人員操作規(guī)程。例如,在JPL的滅菌組裝與研發(fā)實驗室(SADL),進入人員必須經(jīng)過鞋子清潔處理和風(fēng)淋除菌后,才能進入實驗室前廳(更衣室),然后穿上實驗室提供的全套無菌操作裝備,包括鞋子、襪子、外罩、帽子、手套等才能進入實驗室進行操作。實驗室同時配有專業(yè)的微生物控制人員,包括:微生物工程師、微生物技師、質(zhì)控工程師等,定期進行清潔消毒和檢測防護,以保證實驗室的潔凈度［26］。3.2.4空氣微生物檢測方法NASA制定了一系列的標準方法和程序,用于對航天器裝配環(huán)境和硬件設(shè)備的微生物監(jiān)測［27］。對裝配車間的空氣沉降微生物水平,一般采用滅菌不銹鋼片或滅菌特氟龍條帶法進行監(jiān)測。其中,滅菌不銹鋼片法是將一系列滅菌不銹鋼片放置于待檢測區(qū),每隔一段時間,回收部分鋼片,檢測上面的微生物水平。這種檢測方法已證明比傳統(tǒng)的容積式空氣取樣器更靈敏可靠。滅菌特氟龍條帶法與滅菌不銹鋼片法操作類似,區(qū)別在于用特氟龍條帶替代了不銹鋼片。對地板和工作臺面等堅硬平整表面,采用RODAC接觸平板印壓法進行采樣,對航天器硬件或其他表面使用無菌棉簽或無菌布擦拭法進行采樣。對裝配車間空氣微生物樣品,采用狹縫撞擊法進行采樣,對一些狹小空間,如飛船指揮艙內(nèi)及周圍區(qū)域的空氣微生物樣品,則采用過濾膜取樣器進行采集［27］。在樣品分析方面,瓊脂平板培養(yǎng)法仍然是最常用的微生物檢測方法,其他的方法還有ATP熒光檢測法、內(nèi)毒素水平檢測法(LAL)、PCR檢測法等［28］。航天器在發(fā)射前,還需對其攜帶的微生物水平進行監(jiān)測。在航天飛機項目(SSP)中,要求分別在航天飛機到達發(fā)射場(通常為發(fā)射前15-25天)和發(fā)射前2天對駕駛艙、中艙和空間實驗室的空氣和表面進行采樣［3］。空氣微生物采樣使用一種帶電池的小型便攜式采樣器,表面采樣需與空氣采樣同時進行。除了檢測細菌和真菌的水平之外,還需對微生物的種類進行分析。在早期航天飛機項目中,還要求在航天飛機著陸后立即在同樣部位進行采樣,但在后來的項目中,著陸后和發(fā)射2天前采樣都被取消了［3］。3.2.5調(diào)查微生物檢測技術(shù)在載人航天發(fā)展的早期階段,人們即已認識到飛行中微生物監(jiān)測對保證航天員健康的重要性。自人類首次載人航天飛行起(尤里·加加林,1961),美蘇就開始采用傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法對飛行艙內(nèi)的微生物進行監(jiān)測。在美國航天飛機項目中,宇航員常用一種小型便攜離心式采樣器對艙內(nèi)空氣進行采樣,空氣中的微生物被撞擊到瓊脂平板上,細菌和真菌分別采用不同的培養(yǎng)平板。10年間14次任務(wù)的監(jiān)測結(jié)果表明:飛行中,空氣中的細菌水平通常隨飛行時間的延長趨于增加,并經(jīng)常會超過1000CFU/m3,真菌水平一般會很低,并在飛行中呈降低趨勢,可能受低濕、缺乏自由態(tài)水等因素影響?？諝庵械某Ｒ娂毦鸀榻瘘S葡萄球菌、微球菌、芽孢桿菌和腸桿菌,主要為人和環(huán)境相關(guān)的典型菌群;常見的優(yōu)勢真菌為曲霉、青霉和絲孢菌［3］。“和平”號空間站運營近15年,為研究長期載人飛行環(huán)境下微生物組成、種群選擇和適應(yīng)的動態(tài)變化提供了絕佳的機會。1995—1998年間,作為美俄國際空間站合作計劃的一部分,美國共有7名宇航員登上“和平”號空間站。美俄合作開展了從75天到209天在軌飛行發(fā)射前、在軌和返回后的微生物采樣分析工作,采樣對象包括機組人員、“和平”號空間站和航天飛機環(huán)境等。其中,空氣微生物采樣用的是Burkard撞擊式采樣器,“和平”號空間站內(nèi)四個取樣點空氣細菌平均水平為200~425CFU/m3(俄羅斯限值為500CFU/m3),空氣真菌平均水平為175~325CFU/m3(俄羅斯限值為100CFU/m3)?？諝庵谐Ｒ娂毦鸀榻鹕咸亚蚓?、芽孢桿菌和棒狀桿菌,常見真菌為青霉、曲霉和枝孢霉。“和平”號空間站表面微生物采樣用的是拭子和接觸培養(yǎng)板,平均細菌水平不高于2700CFU/100cm2,平均真菌水平不高于500CFU/100cm2。表面常見細菌為金色葡萄球菌、芽孢桿菌和微球菌,常見真菌為青霉、念珠菌和曲霉［2］。目前在國際空間站,每90天,宇航員就要用一種在軌工具包對各艙段的空氣、水和表面進行采樣,工具包中含有多種基于培養(yǎng)的采樣分析工具,包括表面采樣工具(SSK),空氣微生物采樣器(MAS),水樣收集工具(WSCK)等。樣品分析主要有兩種方式:1在軌培養(yǎng),通過觀察進行菌落計數(shù);2樣品返回地面,在實驗室中進行更復(fù)雜的分析［29］。國外前期經(jīng)驗表明,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:1超過95%的微生物種類不能在傳統(tǒng)的培養(yǎng)基上生長,不能被培養(yǎng)法檢測;2分析時間長,在軌培養(yǎng)分析需3—5天,返回地面分析則要長達幾個月;3培養(yǎng)板內(nèi)容易結(jié)霧,不利于菌落觀察統(tǒng)計;4培養(yǎng)可能會導(dǎo)致有害微生物的生長,用完必需進行安全處理,以防造成污染。因此,近年來歐美等國一直在積極改進或研究免培養(yǎng)基的在軌微生物檢測技術(shù)。在“和平”號空間站的EuroMir95項目中,意大利航天局開展的“MIRIAM-T2”空間站微生物監(jiān)測實驗的主要目的之一,就是驗證兩種簡單快速的在軌微生物檢測技術(shù)。1熒光分析儀,是一種半自動、實時的分析技術(shù),利用一種“生物熒光”反應(yīng)測定樣品中的ATP(三磷酸腺苷,細胞反應(yīng)的主要能源分子)水平,來評價微生物生物量。2“微培養(yǎng)”技術(shù),這種技術(shù)基于傳統(tǒng)的菌落培養(yǎng)方法,用浸有營養(yǎng)液的滅菌紙片代替瓊脂培養(yǎng)基。先用一種濾膜采集微生物樣品,然后放在營養(yǎng)紙片上,再用無菌的透明樣品袋密封后直接在軌培養(yǎng)。優(yōu)點為:方便在軌操作,培養(yǎng)菌落半徑小,易于計數(shù),污染風(fēng)險低［30］。在國際空間站,目前正在使用一種手持式微生物檢測設(shè)備“LOCAD-PTS”,它是從用于制藥和衛(wèi)生行業(yè)的一種便攜式內(nèi)毒素檢測系統(tǒng)(Endosafe-PTS)發(fā)展而來,NASA的Marshall空間飛行中心聯(lián)合相關(guān)研究機構(gòu)將其改進以適應(yīng)空間環(huán)境使用。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,可以與多種可互換的測試卡配合使用,用于檢測多種微生物分子。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,相對應(yīng)于革蘭氏陰性細菌、真菌和革蘭氏陽性細菌的水平。“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分鐘內(nèi)即可完成。LOCAD-PTS于2006年12月由“發(fā)現(xiàn)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(nèi)微生物污染的監(jiān)測［29］。3.2.6清潔消毒和防護在軌微生物控制措施主要分為兩大類:1主動控制,主要包括使用空氣過濾裝置去除空氣浮游微生物,使用吸塵器和浸有去污劑或消毒液的擦布清潔艙內(nèi)表面等?！昂推健碧柨臻g站在軌運行期間,每周會安排一天進行大掃除(通常為周日),所有人員必須參與。在國際空間站美國艙段,每周會安排4個小時進行清潔,使用一種便攜式吸塵器,6種消毒濕巾(消耗型,每次任務(wù)補充),以及去污劑和擦布等,對艙內(nèi)環(huán)境進行清潔消毒。但是,并非艙內(nèi)的所有部位或表面都可以用擦布進行清潔消毒,如一些死角或設(shè)備內(nèi)部。這些部位必需在設(shè)計建造時采取一些防護措施［31］。2被動控制,主要通過優(yōu)化艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計、選擇抗菌防霉材料、對艙內(nèi)表面進行處理等措施,抑制微生物生長,防范微生物可能導(dǎo)致的風(fēng)險。3.2.7飲用水的消毒和消毒航天器飲用水微生物污染會嚴重威脅航天員健康,并誘導(dǎo)對硬件的生物腐蝕。微生物可以在飲用水儲箱或輸送管道內(nèi)形成生物膜,這些附著的微生物菌落可以提高致病菌的持留性和微生物對消毒劑的抗性。因此,需要采用適當(dāng)?shù)南敬胧ζ溥M行控制［32］。美國航天飛機飲用水主要通過添加碘離子進行消毒。航天飛機飛行前,水箱中飲用水來自于城市用水,先使用0.1μm濾膜濾除微生物污染,然后添加2~3ppm(終濃度)的碘離子作為消毒劑。航天飛機空間飛行階段,飲用水主要由燃料電池提供,并添加2—3ppm的碘離子進行消毒［3］。俄羅斯“和平”號空間站飲用水采用銀離子作為消毒劑,其飲用水主要來自于經(jīng)水處理系統(tǒng)凈化的空氣冷凝水,也有部分來自于地面,需要在地面運送之前或在軌添加銀離子(0.5mg/L)進行消毒［2］。國際空間站飲用水有多種來源,包括:地面運送的飲用水,航天飛機飛行階段燃料電池產(chǎn)生的水,以及空間站在軌回收再生的飲用水(主要來自于空氣冷凝水、尿液的蒸餾水等)。國際空間站飲用水主要通過在地面運送之前或在軌添加0.5mg/L銀離子進行消毒,航天飛機飛行階段燃料電池產(chǎn)生的水,則先添加碘離子(2~5mg/L)進行消毒,在輸送至空間站飲用水系統(tǒng)之前,去除碘離子,再添加銀離子代替。航天飛機在飛行前和返回后,需對飲用水的細菌總數(shù)和大腸桿菌數(shù)進行檢測,細菌總數(shù)限量為50CFU/100mL,大腸桿菌為低于1CFU/100mL［3］。國際空間站需定期對不同來源的飲用水質(zhì)量進行檢測,利用美國提供的水微生物分析試劑盒,在軌對水的異養(yǎng)微生物進行定量,美國艙段飲用水還需額外檢測大腸桿菌數(shù)量。國際空間站還要定期對水微生物樣品進行存檔,供返回地面后分析［32］。由于碘離子作為消毒劑與國際空間站的銀離子消毒系統(tǒng)不兼容,所以,航天飛機燃料電池產(chǎn)生的水在輸送至國際空間站之前,需要通過離子交換去除碘離子。此外,碘離子會使飲用水產(chǎn)生一種不好的味道,并可在甲狀腺中積累,導(dǎo)致有機化合物鹵化形成細胞毒性物質(zhì),對長期飛行的航天員健康造成風(fēng)險。因此,NASA已決定以氟化銀替代碘離子作為下一代航天器飲用水系統(tǒng)的消毒劑。但是,氟化銀會在溶液或濕潤金屬表面發(fā)生離子相互作用,銀離子會快速從溶液中析出,并逐漸失去抗菌作用［33］。由于當(dāng)前國際空間站使用的飲用水消毒劑(銀離子、碘離子)存在的缺點,如:對人的毒性限量低,殺菌持效時間短,需要再補充,具有不好的味道等［34，35］。NASA正在研究新一代的飲用水系統(tǒng)抗菌技術(shù),如:使用具有殺菌作用的UV-C發(fā)光二極管作為點端消毒裝置;聯(lián)合使用UV-A發(fā)光二極管與光催化材料(TiO2等)對飲用水系統(tǒng)進行消毒;采用多種抗菌或具有表面拓撲結(jié)構(gòu)的材料,殺死水中微生物,阻止生物膜的形成;保持銀離子的溶解性,延長其殺菌持效時間等［34-36］。4空間微生物控制的基本技術(shù)體系空間微生物控制技術(shù)是長期載人航天的關(guān)鍵技術(shù)之一,是保障航天器長期安全運行和航天員生命健康的重大需求。美俄等航天大國在航天技術(shù)發(fā)展的早期(上世紀50-60年代)即已開始重視航天活動相關(guān)的微生物控制工作。經(jīng)過長期實踐,已經(jīng)積累了大量的技術(shù)與經(jīng)驗,并建立了較完善的空間微生物控制技術(shù)體系［1-3］。我國由于載人航天事業(yè)發(fā)展較晚,相關(guān)研究和技術(shù)試驗開展較少,技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,目前尚未建立空間微生物控制的基本技術(shù)體系。為促進我國空間微生物控制技術(shù)的快速發(fā)展,盡快滿足我國載人航天工程的微生物控制需求,我國應(yīng)立即開展空間微生物控制技術(shù)體系建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研究。4.1我國微生物控制的現(xiàn)狀空間微生物控制是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,貫穿于載人航天器設(shè)計、建造和運營的整個過程,涉及微生物監(jiān)測、控制、防護等多種技術(shù)手段,任何一個環(huán)節(jié)上的紕漏,都可能導(dǎo)致嚴重的安全問題。只有建立系統(tǒng)全面的微生物