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特殊的“战斗”:航天器微生物防控策略

更新时间:2022-08-21 23:58:30 作者:火狐体育登录链接 来源:火狐体育在线电脑版


  微生物通过各种途径进入航天器之后,会在舱内空气、材料表面和冷却水系统等处大量繁殖。微生物会腐蚀舱内材料以及设备线路、元器件;附着有微生物的漂浮性尘埃对舱内空气质量也会造成影响。

  空间科学试验发现,微重力和空间辐射等环境因素会使微生物生长繁殖能力增强、毒力增强、抗性增强,微生物代谢活性、细胞功能、基因表达发生变化。

  对航天器建造材料进行微生物控制,保证其清洁等级是实现对航天器微生物污染进行源头控制的首要环节,因此国外航天机构对材料微生物控制技术进行了比较系统的研究。

  不同的微生物控制技术适用于不同级别或不同部位的硬件。一些技术只能杀灭材料表面上存在的微生物,而穿透能力强的技术则能杀灭硬件内部的微生物,如嵌套结构、多孔/扩散结构或集成结构内部的微生物。

  在“礼炮号”、“和平号”空间站以及国际空间站的运行过程中均发生过严重的微生物污染事件。国际空间站采集到多种条件致病菌、腐蚀菌,栖息在不同种类的结构材料中并参与高分子聚合材料及金属材料的生物降解。

  空间环境中分离到的大部分微生物与人相关,其中细菌主要包括葡萄球菌属、微球菌属,真菌主要为酵母菌属(念珠菌);此外还有一些微生物来源于环境,其中细菌主要为芽孢杆菌属、真菌主要为曲霉属、青霉属和枝孢属等。

  航天器面临的微生物污染包括细菌污染和真菌污染。其中需要重点防范的主要包括产芽孢微生物、嗜极微生物,以及真菌的菌丝和孢子。

  产芽孢微生物可以在极端环境下形成休眠体——芽孢。芽孢含水量极低,包膜厚而致密,通透性低,抗逆性强,对热、干燥、化学消毒剂和辐射等理化因素有较强的抵抗力,可以极大提升微生物在各种严酷环境下的生存能力,普通消毒方法均无法有效杀灭。

  因此,这类微生物成为了AIT厂房中的优势微生物。常见产芽孢细菌主要为芽孢杆菌属、梭状芽孢杆菌属、芽孢乳酸菌属等。NASA曾在航天器AIT装配厂房中分离出一株短小芽孢杆菌Bacillus pumilus SAFR-032,该菌对UV254的抗性提升约300倍,暴露在5%的过氧化氢溶液中存活率提升了12%。

  由于芽孢所能耐受的环境与火星等地外星球的环境具有一定的相似性,因此它成为了深空探测行星保护工作中微生物污染控制指示对象和重点控制对象,一般情况下,以芽孢对数值减少量来评估某种技术对微生物污染的清除效果。ESA和NASA均制定了芽孢检测的标准操作程序。主要是利用拭子或擦布对航天器表面进行微生物采样,对样品进行80℃热处理15min后进行计数。

  嗜极微生物指的是在极端环境下能够生存和繁殖的一类微生物,航天器建造过程中,由于采取了严格的微生物防控措施,普通的微生物被有效杀灭,嗜极微生物在长期的洁净环境控制过程中也逐渐成为AIT厂房的优势微生物。ESA和NASA从航天器AIT厂房环境中分离出了多种类型的极端微生物,包括嗜热、嗜冷、耐辐射、嗜碱、厌氧等嗜极微生物。Expose-R2任务中曾在真空环境中发现了一类异常球菌(Deinococcus geothermalis)。嗜极微生物适应极端环境的特性使它们有在空间暴露环境或地外星球环境中存活的可能,因此是火星探测以及地外生命探测活动中所需要重点防控的微生物。

  干热灭菌技术是最常用的航天器灭菌技术,是第一种满足行星保护要求的灭菌技术。NASA对航天器进行干热灭菌时,通常采用“135℃-22h-1个循环”的方式,并规定所有航天器硬件必须通过“145℃-36h-3个循环”的耐受测试。2013年,结合细菌芽孢耐热性的最新研究结果,对干热灭菌技术操作规范进行了修订,可以杀灭耐热性更强的细菌孢子。

  紫外辐射:UV254能够破坏微生物DNA,使其无法繁殖或生长甚至完全消亡,是医疗行业常用的杀菌方案。但紫外线的穿透能力很弱,辐射效果只能直接照射到表面,不能作用于材料内部、孔内部,会受到材料几何结构、表面遮挡物、照射距离和表面污染初始水平等多种因素的影响。目前NASA和ESA都未将紫外辐射作为航天器微生物控制的标准程序。

  微波辐射:微波辐射消毒是一项新消毒技术。一般采用2450MHz和915MHz的微波消毒。2450MHz升温快、杀菌作用强、消毒时间短,但穿透力较弱,一般用于小件物品消毒。915MHz频率低、升温慢、消毒时间长,但穿透力强,可以用于大件及较厚物品的消毒。

  γ辐射:γ辐射是一种高能形式的电离辐射,通过交联蛋白质与水接触时自由基的生成使芽孢失活,但需要配合其他方法才能清除微生物残体。辐射和热具有协同效应。与单独的γ辐射灭菌或干热灭菌相比,“γ辐射+热”可以在较低的辐射剂量(<150krad)、较低的温度(95-110℃)和较短的处理时间下(<15小时)大幅度杀灭航天器常见的产芽孢微生物。NASA已经将γ辐射作为航天器微生物控制的标准程序。

  一些活性化合物可以氧化或与芽孢外壳发生反应,破坏并进入芽孢的核心从而杀死芽孢,通常应用于对高温和高湿敏感的材料。在使用活性化合物时,需要分析其腐蚀敏感性和蚀刻速率,以确保航天器材料不受影响。常见的活性化合物包括以下几类:

  等离子体:近年来,低温等离子体在生物工程、基因工程、环境工程领域,尤其是在温度敏感材料(塑胶、光纤、人工晶体、化学玻璃材料)、不适合用微波处理的金属物品、复杂形状工件表面的处理方面显示出了独特的技术优势。等离子体主要通过活性氧化物和带电粒子杀死芽孢,具有灭菌温度低、时间短、无副产物、无有毒残留物、对环境和操作人员安全以及灭菌全面等诸多优点。但其使用受限于在大表面上产生光栅化冷等离子体的能力,同时使用成本较高。

  过氧化氢:过氧化氢蒸气(VHP)可以有效降低生物负荷,同时具有良好的材料相容性,且能够在室温下工作。2024和7075系列铝、304不锈钢、碳纤维/环氧树脂(CF/E)、碳纤维/玻璃纤维环氧树脂(CF/GF-E)等多种材料都可以使用VHP进行灭菌。目前市场上也已有商业化的过氧化氢蒸汽灭菌系统。ESA和NASA均已经将VHP作为航天器微生物控制的标准程序。

  其他活性物质:二氧化氮可以降解芽孢体内的DNA,在几分钟内就可以有效杀灭嗜热脂肪酸杆菌和枯草芽孢杆菌,但其材料相容性和抗性研究很少,使用和推广还处于初级阶段。臭氧可以分解芽孢的外层,使其内核暴露后被活性氧杀死,该方法持续时间短,价格低廉,适用于无菌组件的工具灭菌,但目前NASA和ESA未将臭氧作为航天器微生物控制的标准程序应用。

  溶剂:溶剂是降低材料表面微生物负荷的第一道工序,通常与擦拭等物理方法配合使用从而清除航天器表面的微生物。大多数常用溶剂(醇类和酸类)只能抑制芽孢萌发和生长,或去除粘附的芽孢。能够杀灭芽孢的溶剂包括:戊二醛、碘化合物、氯化合物、过氧酸、过氧化氢、环氧乙烷和13-丙内酯,使用时需要考虑安全性和环境及材料适用性。

  泡沫:泡沫的特性与溶剂类似,能够渗透到各种几何形状和表面镀层中。通常在使用表面去污泡沫后应使用中和剂,以中止泡沫和材料之间的反应。

  二氧化碳:固体二氧化碳:具有超临界流体特性,能以机械作用方式去除材料表面微米级的微粒。该方法常用于对热和化学敏感的食品和医疗行业。由于二氧化碳的输送方式受限,难以扩展到子系统或系统级,NASA或ESA没有批准在航天器材料微生物控制中使用超临界二氧化碳。

  对于更大的子系统甚至系统级设备来说,灭菌技术必须能够适应更大的表面积以及更复杂、更多样化的内部结构。目前,干热灭菌是NASA唯一在大尺度条件下可用的技术。

  美国国家卫生研究院、疾控中心和国防部已经尝试使用VHP来灭活结构简单房间内的炭疽杆菌,γ辐射已经在食品工业和军工领域应用,但像航天器这样更大、结构更加复杂的还需要进一步的研究验证,以确保可以穿透金属结构、接头和接口等。泡沫、等离子和二氧化氮还处于探索阶段,因此这些技术在航天器系统水平的应用还需要更多研究。

  另一方面,提高航天器建造材料自身的抗菌防霉能力,是进行微生物控制的关键手段。美俄自20世纪60年代起已经进行了大量航天器材料筛选与评价工作,包括抗微生物腐蚀材料的筛选、腐蚀材料微生物的鉴定、微生物腐蚀材料机理以及生物膜的形成机理等。目前也有越来越多的材料在经过抗菌防霉处理后才应用于航天器建造。

  国外航天强国对长期在轨航天器的微生物安全非常重视,经过多年的发展,已经形成了较为完整的控制规范和相应的技术措施,进行了多种微生物控制手段的研究及验证。研究表明,航天器的几何形状是影响其表面微生物控制效果的关键因素,角落、缝隙和结构盲端不易接近,必须在进行表面微生物去除操作时加以考虑;同时有机物和无机物的存在可能会遮蔽表面上的微生物,影响清除效果;航天器材料自身特性也会显著影响微生物控制技术的选择及其控制效果。

  微生物安全防控对维护航天器在轨安全运行和航天员健康至关重要。航天器微生物防控要求高、难度大,单一的防控技术无法满足微生物防控的全部需求,但不同航天器微生物清除技术的效果并不能简单相加,必须在对微生物特性及航天器特性充分了解的基础上,针对性地使用航天器微生物控制策略及技术。开发先进的航天器微生物控制技术,能够有效维护未来我国航天器的微生物安全,保障航天员健康,维护我国航天强国的国际形象。

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