细菌生物膜对航天器材料的危害及其防护简述

王大鹏，郭英华，刘 源，齐 欣，苏晓磊，王俊峰，刘长庭*

（1. 中国人民解放军总医院 第二医学中心，北京 100853； 2. 中国人民解放军总医院海南医院，三亚 572000）

0 引言

近20 年来，细菌生物膜一直被认为是太空飞行过程中航天器材料腐蚀持续存在的关键因素。空间环境中微重力、温度交变和粒子辐射等因素可诱导细菌的生物学性状发生改变，使得细菌的DNA 损伤修复能力下降、耐药性增加和生物膜形成能力增强等，其中细菌生物膜形成能力增强对航天器材料的危害是目前的研究热点之一。细菌生长及代谢会在航天器材料表面形成生物膜，促成了对材料的腐蚀。研究表明：空间微重力环境会促使铜绿假单胞菌的生物被膜生长速率加快，使大肠杆菌生物被膜的厚度增加；在空间环境下细菌生物膜厚度的增加可能与细菌胞外聚合物增多有关，而胞外聚合物可影响细菌生物膜的厚度和稳定性。材料表面的细菌生物膜同时也是抗菌剂的天然屏障，可产生抗腐蚀阻抗效应。生物膜中细菌的形态和生理作用均与浮游细菌不同，并且细菌生物膜对消毒剂的耐受性通常高出浮游细菌几个数量级，这是细菌生物膜危害性更强的主要原因。

细菌本质上都是水生生物，存活的环境需要有液态水。细菌生物膜是细菌正常生长周期的一部分，存在于多糖、细胞外基质中。细菌生物膜的产生受到RpoS 基因编码的产物σs 控制，细菌生物膜的相关信号分子一旦被激活，生物膜的形成和增厚过程就可能加快。航天器内细菌生物膜的产生通常与水净化系统和热交换器有关，并可能通过储箱中的冷凝系统污染或腐蚀存储设施。 空间站中湿度及温度等环境条件适宜，有利于细菌的迅速繁殖和生物膜的形成。“和平号”空间站以及国际空间站都面临细菌生物膜堆积带来的工程挑战。细菌生物膜不仅会腐蚀航天器设备材料，还可能会引起航天员的宿主免疫反应受损，被感染的机会增加，从而威胁航天员健康。因此，了解细菌生物膜的形成机制并采取有效的监控及防护措施有重要意义。

本文综述细菌生物膜的形成机制以及可能对航天器材料造成的危害，给出细菌生物膜的检测和评价方法，重点关注空间环境下细菌生物膜对航天器材料腐蚀相应的防护措施。

1 细菌生物膜的结构与形成机制

细菌生物膜是细菌被包裹在其自身分泌的多聚物等物质中所形成的膜状细菌群体，是细菌抵抗外界复杂环境的一种自我保护形式。细菌生物膜是有三维结构的细菌细胞群体（见图1），主要成分为细菌细胞和细菌分泌的胞外聚合物（EPS），包括胞外多糖、蛋白质及各类酶等。其中，胞外多糖犹如一个框架，维持细菌生物膜的完整性，支持菌体细胞、菌体之间互相黏连附着在框架表面，并支持细菌之间借助框架相互交流信息。细菌生物膜的结构具有不同一性，这是因为细菌所处微环境不同，导致相同的细菌其基因表达不同。因此，不同细菌或同种细菌所处环境不同时形成的细菌生物膜也会存在结构差异。尽管人们做了很多关于细菌生物膜结构方面的研究，但对其结构的变化仍不十分清楚。

图1 细菌生物膜结构Fig. 1 The structure of biofilm

细菌生物膜的形成是一个动态过程，总的来说要经历黏附、发展和成熟3 个阶段。在黏附阶段，细菌缺乏成熟生物膜结构保护，抗逆性不强。黏附对于细菌生物膜的形成尤为重要，因此在此阶段更容易限制细菌生物膜的形成。发展阶段是众多浮游菌落形成进而连接成大的扩散性结构的过程（见图2）。当浮游菌落扩大到一定程度，细菌生物膜就进入了成熟阶段。该阶段涉及多种信号传导的调控过程，需要多种遗传因子参与。已发现在细菌生物膜成熟过程中有大量的胞外多糖产生，这说明介导成熟阶段菌体聚集的黏附因子可能是胞外多糖。黏附是生物膜形成的开始，但主动扩散不是终点，而是下一轮生物膜形成的开始。

图2 生物膜形成机制Fig. 2 The formation process of biofilm

2 细菌生物膜对航天器材料的危害

细菌生物膜主要作用于航天器材料界面，对其造成腐蚀，腐蚀程度由界面的理化因素决定，如氧气和盐的含量、pH 值、氧化还原电位和电阻等，这些因素都受到生长于界面上的细菌的影响，即细菌腐蚀——腐蚀体系中存在的与细菌作用有关的金属腐蚀。细菌之所以参与腐蚀过程，是由细菌自身的特点决定的。细菌的生长需要水、电子供体和受体、能量和碳源等。对于金属材料而言，由于细菌新陈代谢，在金属表面形成的膜电阻发生了变化，创造膜内腐蚀环境。根据呼吸底物和电子受体的不同，可将腐蚀金属的微生物进行分类，如硫酸盐还原细菌、铁细菌、锰细菌，以及产生有机物和胞外多聚物/薄膜的细菌。这些细菌常常共存于自然发生的细菌生物膜中，协同启动并影响到金属材料的电化学过程。细菌生物膜的胞外基质成分含有95%～97%的水，提供细菌群落稳定的生存环境，在生态环境中占优势地位。细菌生物膜的存活方式是一个永无止境的循环，在这一动态过程中，特定的酶参与了细菌生物膜的降解和重构，不仅导致部分基质降解，还导致生物膜的主动扩散和随后的表面再聚集。这预示了细菌生物膜的持续再循环赋予细菌适应各种极端环境的能力。因此，空间环境下航天器材料表面的细菌生物膜一旦形成，造成的腐蚀也会进一步加快，大大缩短其使用寿命。

3 细菌生物膜的主要检测与评价方法

材料表面典型的细菌生物膜通常具有薄层、黏液状、柔软湿润、散发有机物味道和色泽变深等特征，但如果与腐蚀产物、碳水化合物及抗腐蚀物质吸附在一起，这些典型的特征就很难辨认。因此，能否精确检测出是否存在细菌生物膜十分重要。排除存在细菌生物膜的基本条件包括：材料表面工作温度超过80 ℃；表面干燥，不产生任何水汽；不存在有机/无机营养物；定期采用有效防污措施的部位。

对细菌生物膜的评估，一般采用定量或定性的方法。细菌生物膜（半）定量检测方法分为直接方法和间接方法。直接方法包括通过平板计数活细胞（菌落形成单位，CFU 计数）、流式的细胞计数，或可能使用荧光染料的光学和荧光显微镜。间接方法包括结晶紫染色、dry mass 染色或resazurin 染色。对于细菌生物膜的定性分析，扫描电子显微镜（SEM）和共焦激光扫描显微镜（CLSM）通常是首选，可以实现细菌生物膜结构的放大化和可视化。另外，DNA 测序技术可以直接评估细菌生物膜的特性：对特定环境中提取的核酸进行测序，通过获得的DNA 序列可知有关细菌生物膜的特性以及他们如何与其他已知细菌发出信息，同时也可以通过分子测定追溯到污染源。虽然细菌生物膜的评估方法有很多种，如果只选择一种方法则结果会有一定的偏差。因此，为避免出现误导性结果，建议至少使用两种评估方法。评估方法的合理选择和优化，对于细菌生物膜的精确评估、其形成及形态变化的分析，以及可对抗细菌生物膜材料的选择有非常重要的意义。

4 空间环境细菌生物膜的防控策略

对于空间环境下细菌生物膜的消杀措施主要有物理杀菌、化学杀菌和生物控制法。物理方法包括紫外线和电磁场杀菌方法：紫外线波长较短，可杀灭细菌且对细菌繁殖、生长等有抑制作用；电磁场杀菌是利用电磁场使细菌细胞中的原生质产生剧烈振荡，影响细胞的正常代谢，从而杀灭细菌。化学杀菌方法是指使用氧化性杀菌剂和非氧化性杀菌剂来杀灭细菌。氧化杀菌剂通过与细菌体内代谢酶发生氧化作用来降低微生物活性，使得酶被破坏，从而抑制微生物的繁殖，其中最具代表性的强氧化剂是臭氧，其对于密闭环境中水系统的杀菌处理效果尤为明显；非氧化性杀菌剂是以致毒剂的方式作用于微生物的特殊部位，从而破坏微生物的细胞，达到杀菌效果。生物控制法是目前非常有前景的防护措施，主要是采用噬菌体杀菌。噬菌体是一种病毒，可寄生在细菌细胞内，其杀菌原理可能是通过其两性多肽结构增加细菌外膜通透性，辅助酶解催化域进入其中降解肽聚糖，使得细菌不易在表面定植形成生物膜。

在太空飞行背景下使用消杀策略，有两个问题需要解决：一是质量限制措施使得配备的杀菌剂都是高浓度的，如何使其可方便地在低浓度下使用；另外是对杀菌剂的使用，尤其是臭氧，作为气态和挥发性化合物的代表，不仅需要考虑其对设备的杀菌效果，还要兼顾其对航天员安全的影响。

针对空间站等密闭舱室，开发和实施一种改进的细菌生物膜控制方法是目前研究重点。国际空间站系统在运行初始就控制住了水循环系统的生物膜生长，而不是试图通过破坏或分离现有生物膜来重新控制。虽然已确定大部分生物膜问题是与航天器水循环系统组件有关，但有部分研究认为也可能是微生物在易于冷凝或吸收水的表面上生长引起的，也就是说在航天器密闭舱内一些表面易积水的材料上容易形成生物膜。为此有学者提出一种假设的防控策略——将具有挥发性的有机化合物凝结到容易积水的材料上来控制生物膜的生长。因此，评估、预防或清除水分聚集，可以控制细菌生物膜的形成。

研究表明，细菌生物膜对单一的化合物有潜在的耐药性及抵抗性，这可采用多种化合物的相容性策略来缓解。因此对于航天器密闭舱内的设备，通过制作多种化合物合成的材料来降低细菌生物膜对设备及材料的腐蚀或是未来研究的重点。

设备表面使用涂料可以控制生物膜的形成，减少生物腐蚀。目前对于空间环境下航天器设备与材料的细菌生物膜控制研究更多集中于润滑剂在设备材料表面的应用。润滑剂具有两种修饰结构，这种结构不仅可以减少初始细菌的黏附，干扰表面的运动，还可以提高材料磨损表面的修复功能，增加材料表面的光洁度，尤为重要的是润滑剂通常不与含有微生物的液体结合。润滑剂在生物膜预防方面已显示出广阔前景，但目前的技术仅局限于在涂层中加入润滑剂来抑制化合物的释放，而使用涂层技术所面临的主要问题包括需要保持长期有效性以及饮用水中所释放的化合物的毒性问题，同时还需要兼顾到涂层材料与润滑剂的相容性。

细菌生物膜在不同环境中生长代谢不同。环境中多种细菌生物膜相互作用的复杂性，可能导致即使是同一种细菌生物膜也会出现对于同种材料的腐蚀行为不同。因此实际情况往往是几种传导途径以不同的方式在腐蚀过程中共同起作用。这与代谢物所处的地点或周围的环境条件密切相关。实际上，代谢互补在细菌生物膜的腐蚀过程中起着重要作用。例如，在缺氧环境下所发生腐蚀过程，就是由于发酵细菌和与嗜热类δ 蛋白细菌一起的合成氢而引起的腐蚀（如图3 所示）。在空间环境下，腐蚀性细菌形成的生物膜加快了腐蚀的发生。研究表明，细菌产生的EPS 可以在生物膜中保持较高的渗透压，从而增强生物膜吸收外界养分的能力，驱动生物膜扩张。 因此，如何调节生物膜的渗透压以控制有害生物膜的形成，同时增强有益生物膜的形成，应成为航天器材料细菌生物膜腐蚀的控制策略之一，这也可能是未来新的研究重点。

图3 金属表面生物膜作用的描述模型Fig. 3 Descriptive model of biofilm acted on metal surface

5 总结与建议

随着载人航天技术的飞速发展，空间载人密闭舱室内由细菌生物膜引起的材料腐蚀问题越来越受到重视。深入研究细菌生物膜对航天器内部材料的生物腐蚀机制，探索航天器在长期空间飞行下的细菌生物膜的防控技术，有助于保障航天器的长期安全运行，是载人航天的重大课题之一。细菌生物膜引起的污染或腐蚀可能与以下因素密切相关：航天器材料表面的化学成分，细菌生物膜固有的生物降解倾向，细菌生物膜与可能最终加速生物腐蚀过程的细菌的接触。虽然CLSM、DNA 测序等技术为细菌生物膜的评估鉴别提供了高效的路径，但是细菌生物膜引起的腐蚀问题仍是现阶段研究难点之一。因此，针对细菌生物膜特点设计抗膜策略，可为防护细菌生物膜引发的航天器材料的腐蚀提供有效手段。

生物腐蚀是一个非常复杂的过程，关于细菌生物膜的形成机制仍需进一步研究。清楚地了解细菌生物膜形成过程的细节及其信号通路的调节，有助于开发小分子、肽或蛋白质抑制剂，以产生特殊的抗生物膜作用。通过设计具有结构修饰的合成衍生物，可以开发更有效的抑制剂或改变应用方法，实现有害生物膜的快速消除。综合细菌生物膜的防控策略，主要有以下3 种：1）改变易感表面的特性以防止生物膜形成；2） 调节信号通路以抑制生物膜的形成；3） 施加外力以消除生物膜。未来对细菌生物膜控制的研究可能需要多学科、多专业协同开展，以探索更有效的细菌生物膜的预防、抑制和根除策略。