美国宇航局马歇尔研究人员在太空中对抗生物膜

美国国家航空航天局(NASA) 2024-07-10

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美国宇航局位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天中心生物膜缓解团队的一小部分科学家正在研究针对未来太空任务对抗快速生长的细菌或真菌群落(即生物膜)的解决方案。

当一群细菌或真菌产生一层粘稠的“细胞外聚合物”基质来保护自己免受不利环境因素的影响时,就会形成生物膜。生物膜几乎随处可见,从漂浮在死水池塘上的灰绿色浮渣到脏浴缸中粉红色的残留物。

对于医疗、食品生产和废水处理行业来说,生物膜通常是一个代价高昂的问题。但在外星,生物膜的弹性更强。

马歇尔太空站的微生物学家兼环境控制系统工程师 Yo-Ann Velez-Justiniano 说:“细菌能够应对人类在太空中面临的许多挑战,包括微重力、压力变化、紫外线、营养水平、甚至辐射。”

“生物膜很黏,黏性很强,很难杀死,”北卡罗来纳州立大学罗利分校的化学工程师、NASA Pathways实习生 Liezel Koellner 说道。Koellner 使用先进的落射荧光显微镜(在不同焦平面捕获的二维图像的三维可视化)来微调团队的研究。

美国宇航局敏锐地意识到生物膜可能对未来阿尔特弥斯时代的航天器和月球栖息地造成的潜在障碍,因此委托马歇尔的工程师和化学家研究缓解技术。马歇尔建造并维护了国际空间站的 ECLSS(环境控制和生命支持系统),并正在开发下一代空气和水回收和再循环技术,包括该系统的废水箱组件。

“废水箱位于我们大多数内置水净化方法的‘上游’。由于它是废水进料箱,细菌和真菌在此生长良好,产生的生物膜足以堵塞沿途的流道和管道,”Marshall 的 ECLSS 测试工程师 Eric Beitle 说道。

到目前为止,一旦部件被生物膜堵塞,解决办法就是拆除并更换旧硬件。但工程师们希望避免使用这种策略。

“即使能够在月球或火星上3D 打印备件,首先找到防止生物膜积聚的策略也是有意义的,”Velez-Justiniano 说。

2023 年 6 月,该团队迈出了第一步,公布了从空间站水回收系统中分离出的几种细菌菌株的完整基因组序列,这些细菌均能培养生物膜形成。

接下来,他们设计了一个试验台,模拟距离地面约 250 英里的废水池的情况,以便同时研究多种缓解方案。该装置装有八个美国疾病控制与预防中心的生物膜反应器 - 圆柱形装置,大小与跑步者的水瓶差不多 - 每个反应器的大小都是实际水池的 1/60。

Yo-Ann Velez-Justiniano, Connor Murphy,他们都是位于阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心的环境控制和生命支持系统工程师,他们正在该中心的测试设施中准备载玻片,用于研究培养的细菌生物膜

美国宇航局/埃里克·贝特尔

每个生物反应器载玻片上最多可容纳 21 个独特的测试样本,这些样本连续浸泡在真实或人造废水流中,由自动化系统计时和测量,并由团队密切监控。由于生物反应器尺寸紧凑,测试台每周需要 2.1 加仑人造废水流,以每分钟 0.1 毫升的速度连续滴入八个生物反应器中的每一个。

“本质上,我们构建了一系列微型系统,所有这些系统都必须允许温度和压力发生微小变化、保持无菌环境、提供高压灭菌功能,并在最少的人为干预下连续运行数周,”Beitle 说道。“测试系列的一个阶段连续运行了 65 天,另一个阶段持续了 77 天。从工程角度来看,这是一项独特的挑战。”

每个生物反应器都采用了不同的表面缓解策略、上游反作用剂、抗菌涂层和温度水平。一项有希望的测试涉及浮萍,浮萍是一种已被公认为天然水净化系统的植物,具有捕获毒素和控制废水气味的能力。浮萍通过吞噬生物反应器上游的营养物质,使细菌无法获得生长所需的营养,从而将生物膜生长减少了高达 99.9%。

在为期三个月的测试期内,团队定期从每个生物反应器中取出样本,并准备在显微镜下研究,对每个平板上的生物膜菌落形成单位进行详细计数。

“细菌和真菌很聪明,”Velez-Justiniano 说。“它们适应能力很强。我们认识到,要克服这一挑战,需要采用多种有效的生物膜缓解方法。”

生物膜会阻碍长期太空飞行和在其他星球执行长期任务,因为更换零件可能成本高昂或难以获得。生物膜缓解团队将继续与学术和行业合作伙伴一起评估和发布研究结果,并将在马歇尔进行全尺寸水箱实验以进一步研究。他们希望进行飞行测试,在轨道上的真实微重力条件下试验各种缓解方法,以找到保持表面清洁、水可饮用和未来探险者健康的解决方案。



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