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撰文 | 易

人類邁向太空探索的步伐越來(lái)越快，未來(lái)的目標(biāo)不僅僅是短暫駐留，而是長(zhǎng)期居住，甚至殖民其他星球。然而，太空居住環(huán)境與地球上的建筑環(huán)境截然不同，它不僅完全與外界隔絕，而且長(zhǎng)期處于微重力、高輻射和密閉的生態(tài)系統(tǒng)之中。這種極端環(huán)境對(duì)宇航員的健康、艙內(nèi)設(shè)施的維護(hù)以及微生物群落的演變都帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。

相比地球，太空環(huán)境帶來(lái)了全新的生存壓力。首先，微重力影響流體動(dòng)力學(xué)，改變了微生物的附著和傳播模式。其次，國(guó)際空間站（ISS）暴露在高強(qiáng)度的宇宙輻射中，這可能導(dǎo)致微生物的突變，使其生存策略發(fā)生變化。此外，密閉環(huán)境使得微生物能夠長(zhǎng)期停留在特定表面上，形成生物膜，甚至影響宇航員的健康。而且，在有限資源的情況下，ISS 內(nèi)部的有機(jī)物、清潔劑、人體代謝物等都可能成為微生物的潛在養(yǎng)分來(lái)源。過去的研究表明，ISS 中的微生物群落與地球上的有顯著差異。某些耐受極端環(huán)境的菌株可能在 ISS 內(nèi)部生存時(shí)間更長(zhǎng)，并表現(xiàn)出更高的抗生素耐受性。例如，金黃色葡萄球菌和伯克氏菌可能在 ISS 內(nèi)部形成穩(wěn)定種群。此外，某些微生物可能對(duì)設(shè)備材料造成腐蝕，影響空間站的長(zhǎng)期運(yùn)行。除了微生物，ISS 還充滿了各種化學(xué)物質(zhì)。這些化學(xué)成分可能來(lái)自宇航員代謝（如汗液、尿液、皮脂分泌物）、食物殘留（如咖啡因、香料、人工甜味劑）、清潔劑和消毒劑（如季銨鹽、表面活性劑），以及設(shè)備材料釋放的化學(xué)物質(zhì)（如塑料添加劑、橡膠防腐劑）。

在太空，所有微生物的來(lái)源都被嚴(yán)格限定，主要來(lái)自宇航員自身、補(bǔ)給物資以及艙內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。這些微生物在空間站內(nèi)如何分布？它們?nèi)绾闻c環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)相互作用？它們是否會(huì)影響宇航員的健康，甚至改變艙內(nèi)材料的穩(wěn)定性？這些問題至今尚未完全解答。

近日，加州大學(xué)Rob Knight和Pieter C. Dorrestein聯(lián)合在Cell期刊上發(fā)表題為The International Space Station has a unique and extreme microbial and chemical environment driven by use patterns的研究文章，在國(guó)際空間站（ISS）美國(guó)軌道艙段進(jìn)行了大規(guī)模的采樣和分析，繪制出 ISS 內(nèi)部微生物與代謝物的“三維生態(tài)地圖”，揭示不同艙段的微生物生態(tài)特征，并探索 ISS 是否可以被視為人造環(huán)境微生物演變的極端案例。

為了全面剖析ISS內(nèi)的微生物和化學(xué)物質(zhì)分布，作者在空間站運(yùn)行期間進(jìn)行了廣泛采樣，收集了803份樣本，涵蓋了ISS內(nèi)9個(gè)主要艙段。采用了一種多層次的綜合分析策略，結(jié)合基因組學(xué)、代謝組學(xué)和三維建模，以獲得ISS生態(tài)系統(tǒng)的完整信息。

首先，作者利用SourceTracker2生物信息學(xué)工具追蹤ISS采樣表面的微生物群落來(lái)源，并結(jié)合16S rRNA基因測(cè)序分析ISS內(nèi)的微生物種類和豐度，以探測(cè)可能的致病菌或特殊耐受菌。研究發(fā)現(xiàn)，ISS內(nèi)的微生物主要來(lái)源于宇航員的皮膚、鼻腔和腸道。例如，金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）99.2%來(lái)源于皮膚，97.8%來(lái)源于鼻腔。此外，腸道細(xì)菌（如腸球菌、擬桿菌）主要出現(xiàn)在 Node 3（衛(wèi)生間模塊），表明糞便傳播是微生物擴(kuò)散的重要途徑。雖然部分微生物可能通過空氣傳播，但其貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體來(lái)源。這些結(jié)果表明宇航員是ISS微生物的最大貢獻(xiàn)者。

其次，為了分析ISS內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)，使用LC-MS/MS（液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用）進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析，從ISS采樣表面提取化學(xué)成分，并與多個(gè)化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)（如食品數(shù)據(jù)庫(kù)、微生物代謝數(shù)據(jù)庫(kù)、環(huán)境污染物數(shù)據(jù)庫(kù)），識(shí)別代謝物、清潔劑成分、塑料添加劑及其他潛在的污染物。檢測(cè)到10,961種不同的化學(xué)物質(zhì)，主要包括食物殘留（如胡椒堿、柑橘黃酮、咖啡因、人工甜味劑）、人體代謝物（如尿酸、苯乙酰谷氨酰胺、吲哚硫酸）、工業(yè)化學(xué)品（如鄰苯二甲酸酯、聚乙二醇表面活性劑、橡膠防腐劑）以及清潔劑和消毒劑（如季銨鹽、過氧化氫）。其中，Node 3（衛(wèi)生間 + 健身區(qū)）具有最多的特異性化學(xué)物質(zhì)（149種），與尿液、汗液和清潔劑密切相關(guān)。

最后，采用 ili100三維建模工具構(gòu)建ISS各個(gè)艙段的微生物-化學(xué)分布圖，分析其空間分布模式，從而更直觀地展示ISS內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性。大約31%的化學(xué)物質(zhì)在微生物培養(yǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中有對(duì)應(yīng)的代謝能力，提示某些微生物可能以ISS表面化學(xué)物質(zhì)為“養(yǎng)料”。其中，厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteriota）的某些成員在ISS內(nèi)部富集，可能與特定化學(xué)物質(zhì)的降解有關(guān)。此外，微生物多樣性和化學(xué)多樣性呈正相關(guān)，表明化學(xué)環(huán)境可能影響ISS的微生物群落。

總而言之，這項(xiàng)研究不僅繪制了ISS內(nèi)部的微生物-化學(xué)生態(tài)全景圖，還揭示了太空環(huán)境對(duì)微生物群落的深遠(yuǎn)影響。ISS是地球工業(yè)化環(huán)境的極端例子，它的微生物群落不僅受到宇航員活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，也反映了太空居住環(huán)境的特殊挑戰(zhàn)。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.039

制版人：十一

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（*排名不分先后）