Cell | 国际空间站的微生物与化学物质全景

撰文 | 易

人类迈向太空探索的步伐越来越快，未来的目标不仅仅是短暂驻留，而是长期居住，甚至殖民其他星球。然而，太空居住环境与地球上的建筑环境截然不同，它不仅完全与外界隔绝，而且长期处于微重力、高辐射和密闭的生态系统之中。这种极端环境对宇航员的健康、舱内设施的维护以及微生物群落的演变都带来了前所未有的挑战。

相比地球，太空环境带来了全新的生存压力。首先，微重力影响流体动力学，改变了微生物的附着和传播模式。其次，国际空间站（ISS）暴露在高强度的宇宙辐射中，这可能导致微生物的突变，使其生存策略发生变化。此外，密闭环境使得微生物能够长期停留在特定表面上，形成生物膜，甚至影响宇航员的健康。而且，在有限资源的情况下，ISS 内部的有机物、清洁剂、人体代谢物等都可能成为微生物的潜在养分来源。过去的研究表明，ISS 中的微生物群落与地球上的有显著差异。某些耐受极端环境的菌株可能在 ISS 内部生存时间更长，并表现出更高的抗生素耐受性。例如，金黄色葡萄球菌和伯克氏菌可能在 ISS 内部形成稳定种群。此外，某些微生物可能对设备材料造成腐蚀，影响空间站的长期运行。除了微生物，ISS 还充满了各种化学物质。这些化学成分可能来自宇航员代谢（如汗液、尿液、皮脂分泌物）、食物残留（如咖啡因、香料、人工甜味剂）、清洁剂和消毒剂（如季铵盐、表面活性剂），以及设备材料释放的化学物质（如塑料添加剂、橡胶防腐剂）。

在太空，所有微生物的来源都被严格限定，主要来自宇航员自身、补给物资以及舱内循环系统。这些微生物在空间站内如何分布？它们如何与环境中的化学物质相互作用？它们是否会影响宇航员的健康，甚至改变舱内材料的稳定性？这些问题至今尚未完全解答。

近日，加州大学Rob Knight和Pieter C. Dorrestein联合在Cell期刊上发表题为The International Space Station has a unique and extreme microbial and chemical environment driven by use patterns的研究文章，在国际空间站（ISS）美国轨道舱段进行了大规模的采样和分析，绘制出 ISS 内部微生物与代谢物的“三维生态地图”，揭示不同舱段的微生物生态特征，并探索 ISS 是否可以被视为人造环境微生物演变的极端案例。

为了全面剖析ISS内的微生物和化学物质分布，作者在空间站运行期间进行了广泛采样，收集了803份样本，涵盖了ISS内9个主要舱段。采用了一种多层次的综合分析策略，结合基因组学、代谢组学和三维建模，以获得ISS生态系统的完整信息。

首先，作者利用SourceTracker2生物信息学工具追踪ISS采样表面的微生物群落来源，并结合16S rRNA基因测序分析ISS内的微生物种类和丰度，以探测可能的致病菌或特殊耐受菌。研究发现，ISS内的微生物主要来源于宇航员的皮肤、鼻腔和肠道。例如，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）99.2%来源于皮肤，97.8%来源于鼻腔。此外，肠道细菌（如肠球菌、拟杆菌）主要出现在 Node 3（卫生间模块），表明粪便传播是微生物扩散的重要途径。虽然部分微生物可能通过空气传播，但其贡献远远小于人体来源。这些结果表明宇航员是ISS微生物的最大贡献者。

其次，为了分析ISS内部的化学物质，使用LC-MS/MS（液相色谱-质谱联用）进行非靶向代谢组学分析，从ISS采样表面提取化学成分，并与多个化学数据库比对（如食品数据库、微生物代谢数据库、环境污染物数据库），识别代谢物、清洁剂成分、塑料添加剂及其他潜在的污染物。检测到10,961种不同的化学物质，主要包括食物残留（如胡椒碱、柑橘黄酮、咖啡因、人工甜味剂）、人体代谢物（如尿酸、苯乙酰谷氨酰胺、吲哚硫酸）、工业化学品（如邻苯二甲酸酯、聚乙二醇表面活性剂、橡胶防腐剂）以及清洁剂和消毒剂（如季铵盐、过氧化氢）。其中，Node 3（卫生间 + 健身区）具有最多的特异性化学物质（149种），与尿液、汗液和清洁剂密切相关。

最后，采用 ili100三维建模工具构建ISS各个舱段的微生物-化学分布图，分析其空间分布模式，从而更直观地展示ISS内部生态系统的复杂性。大约31%的化学物质在微生物培养数据库中有对应的代谢能力，提示某些微生物可能以ISS表面化学物质为“养料”。其中，厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteriota） 的某些成员在ISS内部富集，可能与特定化学物质的降解有关。此外，微生物多样性和化学多样性呈正相关，表明化学环境可能影响ISS的微生物群落。

总而言之，这项研究不仅绘制了ISS内部的微生物-化学生态全景图，还揭示了太空环境对微生物群落的深远影响。ISS是地球工业化环境的极端例子，它的微生物群落不仅受到宇航员活动的强烈影响，也反映了太空居住环境的特殊挑战。

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

制版人： 十一

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