如何在太空中防止微生物生物膜的生长

　　在国际空间站的实验中，麻省理工学院工程师开发的一种表面处理方法阻止了微生物生物膜的生长。这些薄膜会损坏设备，并可能导致疾病。

　　

科学家报告说，在国际空间站上暴露在太空后，一种新的表面处理方法显著减少了生物膜的生长。生物膜是微生物或真菌生长的垫子，可以堵塞水处理系统中的软管或过滤器，或可能导致人类生病。

在实验中，研究人员调查了以不同方式处理的各种表面，并暴露于一种叫做铜绿假单胞菌的细菌，这是一种机会性病原体，可以引起人类感染，尤其是在医院里。从2019年开始，这些表面在空间站上孵化了三天。结果表明，在长时间暴露于太空中，浸渍了润滑剂的纹理表面在防止生物膜生长方面非常成功。麻省理工学院的Samantha McBride博士和Kripa Varanasi，科罗拉多大学的Pamela Flores和Luis Zea，以及NASA Ames研究中心的Jonathan Galakza在《自然微重力》杂志上发表了一篇论文，描述了这一发现。

国际空间站上的水回收系统软管堵塞非常严重，这些软管不得不被送回地球进行清洁和翻新。研究人员说，虽然尚不清楚生物膜是否直接导致了宇航员的疾病，但在地球上，生物膜与65%的微生物感染和80%的慢性感染有关。

防止生物膜形成的一种方法是使用涂有某些金属或氧化物的表面来杀死微生物，但这种方法可能会失败，因为表面上积聚了一层死亡微生物，并允许生物膜在其上形成。但在国际空间站的实验中表现良好的液体注入表面并非如此:它不是杀死微生物，而是首先阻止它们附着在表面上。

所使用的特定表面是由硅制成的，经过蚀刻以产生纳米级的柱林。然后在这个尖刺的表面注入硅油，硅油被吸收到纹理中，并通过毛细作用保持在一定位置，留下光滑和高度光滑的表面，这大大减少了微生物的粘附，并防止它们形成生物膜。

在地球和空间站上进行了相同的实验，以确定轨道上微重力环境产生的差异。令研究人员惊讶的是，液体注入的表面在防止微生物粘附方面，在太空中的表现甚至比在地球上更好。

在以前和现在的空间站上，包括苏联的和平号空间站，礼炮6号和礼炮7号，以及国际空间站，“他们已经看到了这些生物膜，它们危及各种仪器或设备，包括太空服，回收装置，散热器和水处理设施，所以这是一个非常重要的问题，需要了解。”瓦拉纳西说，他是机械工程学教授，也是LiquiGlide公司的创始人，该公司生产浸渍液体的容器表面，以帮助容器内的物品滑出。

之前在地球上进行的测试表明，这些处理过的表面可以显著减少生物膜的粘附。当从空间站取回样本并进行测试时，“我们发现这些表面在防止空间站生物膜形成方面也非常好，”瓦拉纳西说。麦克布莱德说，这很重要，因为过去的研究发现微重力对生物膜形态、附着行为和基因表达有重大影响。因此，在地球上有效的缓解生物膜的策略不一定适用于微重力情况。

研究小组表示，防止生物膜对未来的长期任务尤其重要，比如月球或火星任务，在这些任务中，无法快速将受污染的设备或生病的宇航员送回地球。如果进一步的测试证实了它的长期稳定性和成功的生物膜预防，基于液体处理表面概念的涂层可以应用于各种已知易受生物膜污染的关键部件，如水处理软管和过滤器，或与宇航员密切接触的部件，如手套或食品准备表面。

弗洛雷斯说，在地面样本中，生物膜的形成减少了约74%，而空间站样本的生物膜形成减少了约86%。弗洛雷斯对暴露在国际空间站的样本进行了大量测试。“我们得到的结果令人惊讶，”她说，因为其他人早些时候进行的测试表明，生物膜在太空中的形成实际上比在地球上要大。“实际上，我们在这些样本中发现了相反的情况，”她说。

她说，虽然测试使用的是一种特定的、经过充分研究的革兰氏阴性细菌，但结果应该适用于任何一种革兰氏阴性细菌，也可能适用于革兰氏阳性细菌。他们发现，表面没有细菌生长的区域被一层薄薄的核酸覆盖，核酸带有轻微的负电荷，可能有助于防止微生物附着。弗洛雷斯说，革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都带有轻微的负电荷，这可以使它们远离带负电荷的表面。

瓦拉纳西说，其他类型的防污表面“主要是在生物杀灭特性上起作用，通常只对第一层细胞起作用，因为这些细胞死亡后会形成沉积物，微生物可以在它们上面生长。”所以，这通常是一个非常困难的问题。”但是在浸渍了液体的表面上，暴露出来的大部分只是液体本身，几乎没有缺陷或细菌可以找到立足点，他说。

虽然测试材料在空间站上存放了一年多，但实际测试只进行了三天，因为他们需要宇航员的积极参与，他们的日程总是很忙。但根据这些初步结果，该团队提出了一个建议，即在未来的任务中应该进行更长时间的测试。弗洛雷斯说，在第一次测试中，第三天的结果与第一天和第二天的结果是一样的。“我们不知道它能保持这种表现多久，所以我们绝对建议更长的潜伏期，如果可能的话，还要持续分析，而不仅仅是终点。”

与美国国家航空航天局共同发起这个项目的Zea说，这是美国国家航空航天局第一次进行由其两个科学项目——生物学和物理科学共同参与的测试。“我认为它强调了多学科的重要性，因为我们需要能够结合这些不同的学科来找到解决现实世界问题的方法。”

生物膜在地球上也是一个重要的医学问题，特别是在包括导管在内的医疗设备或植入物上，它们可能导致严重的疾病问题。瓦拉纳西说，同样的液体浸渍表面可能在帮助解决这些问题方面发挥作用。

该项目得到了NASA的支持，并使用了其他几家公司和组织提供的设备。