载人航天工程中的微生物科学与技术应用

袁俊霞，印 红，马玲玲，徐侃彦

(航天神舟生物科技集团有限公司空间微生物研究室，北京100190)

1 引言

微生物是地球上出现最早、分布最广、多样性最丰富的生物类群。 在地球漫长的演化历史中，微生物因其生长周期短、繁殖快、变异累积丰富等遗传特征，形成了极高的生物多样性，同时对多种极端环境产生了极强的环境耐受性。 在空间极端环境下一些微生物被发现可以生存且表现出良好的环境适应性[1-2]。 考虑到空间环境的独特性与复杂性，探索微生物在空间环境中的生存能力与适应机制成为推进人类空间探索可持续发展、支撑人类开展地外生命探索和宇宙生命起源等基础科学研究的核心问题。 同时，在载人航天活动支撑下，利用微生物在空间环境下特有的生命机能、活动特性和代谢过程，发展服务于空间和地面环境的微生物技术和转化应用，将大大丰富地面医药、环境、能源和农业等领域的发展。

2 空间环境特点

空间环境是由空间高能粒子辐射、微重力、高真空、温度骤变等复杂因素组成的独特环境。 随着载人航天任务的推进，人类对空间环境的探索已经从近地轨道环境推向深空环境，两者的环境参数差异如表1 所示。 与近地轨道相比，处于深空环境中的生命体受环境影响表现往往更加极端[3]。

空间高能粒子辐射是制约人类开展长期深空探索的关键因素，主要由各种能量以及随时空变化的粒子组成。 对于近地轨道任务，主要的辐射来源是银河宇宙辐射和地磁捕获粒子(范艾伦带)，辐射粒子主要由质子和电子组成[4]。 在深空任务中，由于脱离了地磁保护，主要的辐射来源是银河宇宙辐射和太阳粒子事件。 单次火星任务(单程飞行各6 个月，表面驻留2 年)航天员受到的累积辐射总量接近1 Sv[5]。 对微生物而言，高能粒子辐射能量高、贯穿力强，可以直接作用于DNA，DNA 双链断裂是高能粒子辐射造成的最严重损伤[5-6]。

空间电磁辐射也会对进入其中的生命体产生影响。 由于没有地球大气臭氧层对290 nm 以下射线的阻挡，在近地轨道存在全光谱紫外辐射，除了UVA(320～400 nm)、UVB(290 ～320 nm)长波紫外辐射，还包含被大气层屏蔽的UVC(190 ～280 nm)和真空UV(＜190 nm)，其中，UVC 波长短、能量高，对地球生命体有强烈的刺激作用[3，6]。

表1 深空环境、LEO 和空间站舱内的环境参数比较[3]Table 1 Comparison of environmental parameters in interplanetary space， low Earth orbit， and cabin of manned spacecraft[3]

微重力环境中自然对流、沉积等现象的消失，将诱使生命体产生不同于重力环境的生命特征。近地轨道飞行过程中微重力介于10-3～10-6g。 此外，不同轨道飞行任务中压力和温度变化也不同。在近地轨道任务中，真空度介于10-7～10-4Pa，火星上的大气压力约为700 Pa，比地球上低100 多倍。 在星际空间，真空度可达10-14Pa。 空间站外直接暴露在太阳下的温度在-120 ～120 ℃之间波动。 在火星任务中，探测器数据显示温度在-153 ℃(极点)～20 ℃间波动[4]。

3 空间环境对微生物的影响

大量的空间实验表明，在空间环境下生长的细菌易表现出许多不同于地面的生物学特征，如生长速度加快、迟缓期缩短、毒力增加、抗生素抗性增强、更易形成生物膜等，并且随着空间飞行时间延长，这些生物效应明显加剧[7-8]。

微重力环境是影响微生物空间行为的主要因素。 与地球重力环境不同，微重力条件下对流和沉积现象的消失，会导致微生物细胞在生长、代谢过程中与环境中的物质交换效率降低，进而使微生物对营养物质的有效获取难度增大。 Zea[9]对大肠杆菌的研究进一步支持了上述观点：微重力环境会激活大肠杆菌体内能量合成相关基因，诱发饥饿相关基因过表达，加快细菌的新陈代谢。同时，在空间条件下微生物趋向于聚集成更大的细胞群落，与生物膜相关的细胞外基质形成加速，进而通过形成生物膜增加对环境的耐受性，增加其在空间条件下的存活几率。 空间环境下微生物生物膜的形成通常伴随着毒性、感染性和抗生素抗性等特征的改变[10-12]。 此外，在空间条件下，微重力与空间辐射环境的互作可能会对微生物产生叠加效应，微重力环境影响DNA 损伤修复系统的正常功能也是导致微生物在空间环境下生物学行为变化的因素之一[6，13]。

研究表明，空间环境对微生物的影响涉及基因、生物组件、细胞功能和代谢产物等多个层面。Kim 等[12]基于微阵列和蛋白质组学分析显示，经过空间培养的肠沙门氏菌体内大量转录物和蛋白质的表达会发生变化，其中，培养基中的无机磷酸盐变化是引起其生物膜形成，毒性增强的重要因素[14]。 多项研究显示，细菌RNA 分子伴侣蛋白Hfq 被认为是调控上述反应的关键因子，Hfq 调控系统也是发现的第1 个影响微生物空间环境适应性的潜在作用机制[15-16]。 Hfq 作为细菌转录后调控网络中的核心成员，通过结合sRNA 促进其与目标mRNA 配对，从而触发蛋白质水平的调控。在细菌中，Hfp 缺失突变株表现出复杂表型，包括致病性、毒性减弱，环境适应能力差等[17]。 此外，Wilson 等[18]研究表明，rpoS 编码的稳定σ 因子也是细菌应激响应的核心调控因子，被发现参与调控鼠伤寒沙门氏菌中的各种应激反应。 逐步挖掘与空间适应性相关的潜在调控因子，揭示其与宿主细胞的相互作用机制，并将上述机制与微生物生物膜形成、毒性改变和适应性变化等生物学特征相关联是未来空间微生物研究的重点内容。

4 微生物在载人航天工程中的应用

4.1 空间微生物安全

在载人航天活动中，俄罗斯早期的礼炮系列、和平号以及目前正在运行的国际空间站中都发现了多种微生物生存和繁衍。 空间密闭舱内微生物的过度积累以及辐射、微重力等空间因素将导致微生物生长、致病性和毒性改变，并可能进一步引发航天员出现感染、过敏等症状，及空气和水源污染，各种结构材料降解等。 因此，对空间站内微生物生态长期追踪分析，确保微生物安全是支撑长期载人航天活动的重要内容。

以国际空间站为例，科学家针对微生物安全的研究策略主要是：确定微生物在舱内环境定殖的特征；分离和识别微生物的组成；确定抑制微生物活动的有效方法[19-20]。 在空间站密闭舱内，多种生物组成生物膜是微生物在环境表面定殖的主要形式，这种生命形式可以增加微生物对环境的耐受性，其存在机制包括了微生物间合作、竞争、信号分子传递以及水平基因转移等[21]。 在微重力环境下，生物膜的形成具有与地面环境中不同的生物特征。 Kim 等[12]通过“Micro-2”实验研究微重力对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌生物膜细胞聚集的影响，发现在空间寡养条件下生长的生物膜具有比在地球上更高的细胞密度，生物膜的厚度明显增加。 同时，铜绿假单胞菌在微重力环境下还有柱状和冠状生物膜的形成，鞭毛结构在这种结构的形成中发挥了关键作用。 当前，由于空间实验条件的限制，针对微重力如何改变生物膜(微生物聚集)形成，以及微重力影响微生物腐蚀性等机理研究仍不清楚，开展上述研究对于制定新的微生物安全控制策略，最大限度地减少微生物对航天器的有害影响具有重要意义。

在国际空间站运行过程中，多项空间微生物采样和监测项目用于分离和识别舱内微生物的组成，并对后期微生物的动态变化规律进行预测。早期研究主要通过对不同环境介质采样、培养、观察、统计进行。 近年来，基于PCR、芯片以及高通量测序的方法，发现了多种非培养法获得的条件致病菌，进一步完善了空间站微生物检测结果[22-23]。 微生物在轨观察项目“ISS-MO”将微生物群落变化、基因组变化与舱内环境特征相关联，对空间站舱内微生物展开了长期多代的动态分析。 对分离的20 种细菌比较发现，长期生长的细菌对多种抗生素的抗性明显增加[24]；分离出的两株烟曲霉的化学抗性虽然与地面相比无明显变化，但其对斑马鱼幼虫感染的毒性更加致命[25-26]。 该结果进一步预示了微生物群落特征变化对航天员免疫系统的潜在风险。

基于此，美欧科学家正在对分离自空间站的微生物菌株遗传信息等进行收集分析，建立了相应的空间微生物数据库。 将微生物系统信息分析与特异微生物基因组分析方法相结合，对潜在的病原生物、腐蚀性微生物等进行识别鉴定，进而对某些微生物的生物安全风险进行评估。 随着我国空间站在轨建造任务临近，首个航天微生物数据库也正在构建，数据库囊括了我国空间站、火星探测器等航天器在建造过程中的环境微生物菌株[27-28]，这些菌株将构成未来我国空间站运营过程中微生物安全监测和风险评估的“基线”。

4.2 微生物在生物再生生命保障系统中的应用

利用天然、工程微生物菌群进行舱内航天员生活代谢产生的废物转化同时完成生物质(食物)生产，实现人类所需的营养、氧气和水等重要资源的再生是空间环境下生物再生生命保障系统中微生物功能部件开发的主要思路。 值得注意的是，微生物功能部件在空间环境下的稳定性也是评估系统整体性能的重要因素。 因此，微生物，特别是针对特定目标进行遗传改造的微生物工程菌在近地轨道环境以及深空环境的中储存、运输以及复苏后的遗传稳定性、生物活性、毒性等特征均需经过空间验证与评估。

Lasseur 等[29]建造的微生态生命支持系统替代系统MELiSSA(Micro-Ecological Life Support System Alternative)是由微生物与植物共同组成的闭合系统，微生物生物部件作为生产者与分解者均发挥了重要作用。 系统主要包含由嗜热厌氧细菌组成的废物分解系统，由光合异养细菌、微藻(螺旋藻)、高等植物组成的食物生产系统，以及由亚硝化细菌和硝化细菌组成的硝化室(将循环中产生的氨转化为硝酸盐，供光合细菌使用)。光合细菌由于具有营养价值高、易消化、生长速度快、收获及后处理简单等优点，是系统中食物生产部件的良好选材。 在MELiSSA 系统大量地面研究的基础上，节旋藻(Arthrospira)作为氧气和生物质生产的候选者，验证了其在空间站长周期培养过程中生物质生产动力学和光合作用效率。 在此基础上，评估了微重力、辐射等条件对节旋藻菌株的形态、结构和生理学以及遗传变化的影响[30]。

此外，为解决未来深空探测人类营养素的原位按需补充，Ball 等[31]的“Bionutrients”实验搭建了1 个用于实现目标营养素的原位微生物生产平台。 该实验使用能够制造玉米黄素的工程酵母从可食用培养基中生成类胡萝卜素，以补充长期储存的食物中潜在的维生素损失。 在大量地面研究的基础上，针对微生物生物部件的空间验证实验正在逐步展开，这也是人类未来向地外轨道生物基生命支持系统开发迈出的重要一步，对于未来长期飞行任务的执行中生物质的生产以及发射成本的控制等都具有重要意义。 同时，这些技术在未来地面食品生产、环境保护等领域的应用也极具潜力。

4.3 微生物在深空探测中的原位应用

原位资源利用(In-situ Resource Utilization，ISRU)是指利用地外目标星体的资源生产载人航天任务所需要的物资资源，如氧气和水，进而提高飞行任务中的安全性和经济可承受性。 尽管当前原位资源利用技术仍处于初级阶段，基于生物的原位资源利用仍表现出巨大的应用前景。 Montague 等[32]认为微生物可以利用月球上大量存在的含碳物质、水分生产食物。 Hogan 等[33]在国际空间站上开展的“Micro-12”实验通过研究微重力条件下胞外呼吸模式菌Shewanellaoneidensis MR-1的生物膜形成、细胞外电子传递特征，以期将其用于生物电化学系统(BES)中微生物电合成过程。Loudon 等[34]的“Biorock”实验着眼于火星岩石在未来原位资源中的应用前景，通过研究鞘氨醇单胞菌、枯草芽孢杆菌及耐金属贪铜菌对岩石的营养物质利用和对岩石蚀变的影响，为未来基于微生物的空间开采技术奠定基础，提高未来的原位资源利用能力。

5 微生物在天体生物学研究中的应用

研究地球及地外星球的生命起源、进化、生命在宇宙中的分布以及生命和环境相互作用，进而在太阳系内、外寻找生命及宜居环境是天体生物学的主要研究内容。 地球上极端环境中(包括盐湖、旱地、深海、极地、永久冻土等)微生物的存在使人类推测微生物能够在地外极端空间环境下生存。 由于生命的起源过程不可能在实验室里完整复现，因此，将微生物用作代表性的生物模型系统，在宇宙进化的框架下关注地球生命体在真实空间环境下的存活、耐受和适应机制是开展天体生物学研究的主要方法。 目前，欧美国家已经开发了多种用于短期和长期微生物空间暴露实验的生物学装置，能够针对不同实验需求提供相应实验环境，实现了对细菌、孢子、地衣、真菌等生命体的空间暴露实验[3，6，35-36]。

在太阳系的各大行星中，火星是最“类地”的行星，和地球环境不同的是，由于缺乏内在磁场、表面稀薄的大气对辐射的屏蔽能力极弱，火星几乎是持久地暴露于空间辐射场中，这种环境与早期地球环境极为相似。 因此，揭示地球微生物在火星表面环境的生存与繁衍方式，对于探讨地球生命起源和火星生命探测至关重要。 多次的空间暴露实验[37-38]表明，火星上的紫外辐射(λ ≥200 nm)是影响微生物存活的主要限制因子。UV-B、UV-C 射线能够诱发生物体DNA 链中相邻的嘧啶碱基产生嘧啶二聚体，阻碍DNA 的复制和碱基的正常配对，使DNA 空间构象发生改变，进而影响转录以及蛋白质的生物功能。 短波的真空紫外辐射会被生物DNA 分子吸收，直接或间接导致生物体DNA 链断裂，引发生物的高突变率或者致死。 Wassman 等[38]将具有抗紫外辐射能力的枯草芽孢杆菌株MW01 在地球低轨道环境中搭载559 天发现只有少数的芽孢能够存活，表明太阳紫外辐射对枯草芽孢杆菌的芽孢极具破坏力。

相比之下，温度、压力和宇宙电离辐射等环境因素对微生物孢子的存活率影响较小[4，6]。 特别是，向微生物加以适当的保护结构对于提高微生物对火星环境的耐受性极为重要。 在生物盘(Biopan)上开展的生存实验中，暴露的枯草芽孢杆菌在经过2 周飞行后，返回地面时全部失活，而被包被在泥土、陨石层或者盐晶中的芽孢的存活率则为100%[7，39]。 Pacelli 等[40]将石生微生物空间暴露了548 天后生物类群仍能存活，在一定程度上支持了微生物能够在星际尘埃或者陨石中存活、运移的可能性，同时也表明石生微生物在宇宙生命起源研究中的应用潜力。

随着人类航天活动的日趋频繁，更多的天体生物学研究通过空间暴露的方式开展，但许多研究仅关注于空间单一因素对生命体的影响。Nicholson 等[41]对枯草芽孢杆菌的转录组学分析显示：地面单一模拟环境对枯草芽孢杆菌孢子的破坏性小于真实空间环境，因此，天体生物学研究需要更多地考虑空间复合环境对微生物造成的协同效应。 此外，受当前空间实验技术能力的限制，多数实验主要围绕休眠态微生物的生存能力评估展开，未来的研究中只有开发多种生物技术手段，才能实现从休眠态到代谢旺盛的微生物，从基因到个体，甚至群落适应空间真实环境的生物学机制，在此基础上，才能利用微生物开发、预测和假设空间环境中存在生命的可能性。

6 空间微生物技术转化与应用

微生物在多个空间环境因素的协同作用下，其基础生物学特征以及致病性、抗性等均会产生变化，甚至产生一些地面环境中难以获得的生物特性。 将微生物实验技术和空间生物工程研究相结合，进而实现空间微生物技术研究与转化是微生物应用的重要形式。

在空间飞行任务中，航天员表现出心血管功能失调、骨质流失、肌肉萎缩等症状，解决航天员在空间飞行环境下的生存、健康和工效的问题是载人航天的首要问题。 研究表明，药物在空间环境中施用时的表现与在地球上表现不同。 酵母是一种适用于多种健康疾病的模式生物，Zea[42]利用酿酒酵母在微重力环境下评估了二甲双胍影响细胞代谢途径，了解微重力条件下药物在细胞内的作用途径，进而提高药物在空间环境下的有效性。 Johanson 等[43]、Coleman 等[44]在空间环境下分析了Msn4、Sfp1 介导的酵母细胞簇的遗传分化，进而为寻找抑制肿瘤细胞簇的新药或寻找新的基因靶点奠定基础。

利用空间特殊条件筛选产率高、活性强的生产用菌也是微生物技术应用的重要方面。 利用微生物开发抗病毒研究和癌症治疗的γ 干扰素、治疗肺气肿的弹性蛋白酶、治疗糖尿病的胰岛素等已经取得很大的进展[45]。 更重要的是，将空间环境作为创新平台，利用微生物工程菌实现药品、食品、化学品的制备，能够促进空间生物技术向生物发酵、生物化工以及生物基材料生产等工业领域渗透和转化。 如NASA Briggs 研究团队[46]利用微重力环境改变大肠杆菌工程菌异丁烯合成的代谢网络，进而指导空间环境下异丁烯生产；Birlem等[47]通过开展空间特殊环境下产甲烷菌的培养，旨在寻找未来地面燃料的替代品。 Nickerson等[48]在空间培养重组减毒的沙门氏菌疫苗(RASV)菌株，通过提高疗效和保护性免疫反应促进下一代疫苗的设计和开发。

7 结束语

探讨空间环境对微生物生命体的影响，其最终目标是为维持人类的空间探索可持续发展制定相应的对策。 开展微生物在空间特殊环境下的生命现象及其活动规律的基础研究，特别是长期处于空间条件下微生物生存、变异、以及与宿主生物的相互作用机制，对于长期航天任务的安全性和可持续性开展具有重要的支撑作用。 同时，立足于微生物在空间环境下独特的代谢特征，利用空间微生物技术指导地面生产，挖掘人类对空间资源利用潜力，也是未来我国空间站建成后航天技术应用的重要方面。 因此，如何最大化利用空间微生物科学与技术成果，将是我国载人航天工程发展以及空间微生物研究的重要课题。

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