載人航天空間載荷生物安全工程論文范文

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1空間微生物的來源與危害

長期飛行的航天器環(huán)境是一種特殊類型的生態(tài)環(huán)境，適合屬于特殊物種的細菌和真菌的生長發(fā)育和繁殖。細菌和真菌主要駐留在空間室內(nèi)裝飾物和結(jié)構(gòu)與設備材料的表面。這些地方聚集著有機化合物和空氣冷凝水，足以讓各種異養(yǎng)微生物(如霉菌青霉、曲霉、枝孢菌)生長和繁殖。在航天器長期飛行期間，菌群的數(shù)量變化和結(jié)構(gòu)動力學特性不是線性的，在生物群落激活和停滯的交替期間呈現(xiàn)出一個波形周期變化，變化周期由內(nèi)部生物機制的自我調(diào)節(jié)能力和外部空間環(huán)境控制。菌群激活期間，充滿著醫(yī)療和技術風險，顯著地影響著飛行安全和硬件的可靠性。微生物可以輕易地借助航天員或者貨運飛船進入空間站，同時迅速適應空間站內(nèi)的環(huán)境并四處蔓延，微生物主要來源及在載人航天器中可能存在的位置如圖1所示。前蘇聯(lián)科學家曾經(jīng)在“禮花”號空間站與“和平”號空間站內(nèi)發(fā)現(xiàn)上百種對人體和空間站設備有害的致病細菌和微小真菌。“和平”號空間站曾發(fā)生過微生物“蠶食”電纜的事故。國際空間站上也發(fā)現(xiàn)了危險的微生物，這些微生物可能導致設備發(fā)生故障，可能會對空間站結(jié)構(gòu)造成災難性后果。它們不僅會損傷金屬，也會損傷高分子聚合物制成的設備，進而可能導致技術故障。2003年國際空間站內(nèi)，細菌堵塞了3套艙外航天服的冷卻泵，航天員不得不使用穿脫更為麻煩的備用服裝完成了太空行走，造成問題的細菌生活在作為冷卻液的水中。研究人員對空間站的水樣進行分析后曾發(fā)現(xiàn)，空間站自身冷卻系統(tǒng)內(nèi)細菌數(shù)量增加的速度遠比預料的快，這讓人擔心細菌有可能腐蝕冷卻系統(tǒng)最為脆弱的組成部分。根據(jù)各種體外研究，空間微重力環(huán)境促進微生物的生長。不同的細菌在空間或在地球上模擬的微重力試驗表明，重力變化可能直接或間接地影響它們的生長和微生物的代謝和生理，例如增加自身的抗藥性和毒性，改變生物膜增長方式等。長期暴露于高劑量的空間電離輻射中，也能影響微生物的代謝和生理。除了封閉和微重力條件外，還存在各種未知因素影響微生物的生長，如熱交換影響，磁變影響，細胞懸浮，營養(yǎng)物的濃度梯度、毛細特性、流體行為等均可能引起生物體的遺傳和生物學特性的變異反應，這導致了某些微生物最終變得更難消除。因此，空間環(huán)境條件可能會促進微生物生長的這一新特征，并且增加了損害航天員健康和導致環(huán)境惡化的風險，影響生命支持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2空間應用系統(tǒng)生物安全工程技術體系框架

空間應用系統(tǒng)生物安全工程技術體系覆蓋了在空間應用有效載荷的工程研制過程中應遵循的生物安全要求、分析、設計防護以及評價等各項技術范疇，其總體框架如下圖2所示。圖中可以看出，在空間有效載荷產(chǎn)品研制過程中，空間生物安全在工程上首先需要解決的是空間生物安全要求指標問題，然后根據(jù)生物安全要求，結(jié)合空間應用的需求情況，對應用系統(tǒng)的生物危害材料進行危害等級的識別，再依據(jù)危害等級的識別結(jié)果確定相應的安全性包覆等級，作為空間實驗載荷設備的生物安全性設計準則要求，依據(jù)此設計準則開展相應的安全性設計防護;在采用了必要的防護措施同時，有效載荷對于生物危害還應具備有效的監(jiān)測手段，確保空間應用實驗過程中的生物危害可檢測。最后，空間應用載荷在上站之前，應對生物安全問題進行風險評估，其結(jié)果將作為空間科學實驗載荷上站安全性認證的重要考核內(nèi)容之一，從而為工程決策提供安全性方面的依據(jù)。

2空間應用系統(tǒng)生物安全的工程設計要素

2.1空間應用系統(tǒng)生物安全指標要求借鑒實驗室生物安全標準以及國際空間站有關生物安全的經(jīng)驗，生物安全指標主要是指針對微生物的最低可接受閾值，相關指標又可細分為飲用水、食品、艙內(nèi)空氣、表面四個主要方面，其中，飲用水、食品以及艙內(nèi)空氣的最低可接受閾值與航天員的醫(yī)學要求密切相關。對于表面的生物安全要求，涉及艙內(nèi)艙體內(nèi)表面、艙內(nèi)平臺設備和有效載荷設備表面等多個方面，其可能的影響除了傳染到航天員(航天員有可能接觸的情況下)，影響航天員健康外，另一個重要的影響就是對硬件設備的腐蝕和侵蝕，最終導致硬件設備的失效或者污染艙內(nèi)環(huán)境。因此，對于空間應用系統(tǒng)設備，應提出明確的表面生物安全指標要求，該要求可以參照空間站平臺的表面微生物最低可接受閾值要求，也可根據(jù)空間應用系統(tǒng)載荷研制的特點和使用需求單獨提出。另外，對于影響實驗任務成功的可致病的病原體(包括植物可致病病原體和動物可致病病原體)也應根據(jù)實際情況提出有針對性的指標要求。空間應用系統(tǒng)生物安全相關指標體系框架如圖3所示。圖中涉及的植物可致病菌主要是寄生性病菌，病原體有病毒、類病毒、支原體、衣原體、立克次氏體、細菌、真菌、藻類、線蟲和高等植物，其中以細菌、真菌、病毒、支原體和線蟲誘發(fā)的病害較普遍和嚴重，尤以真菌性病害為最，如水稻的瘟病、小麥銹病、棉花的萎蔫病等。各種病原體的生理、生態(tài)、增殖方法和生活史以及侵染寄主的方式、途徑和時期各不相同。可根據(jù)具體實驗樣品和實驗要求確定需要檢測的植物可致病菌。動物可致病菌主要是微生物，包括原生動物、細菌、真菌、病毒、支原體、酵母等，其中細菌和真菌污染是最常見的，如各種沙門氏菌等。可根據(jù)具體實驗樣品和實驗要求確定需要檢測和加以控制防護的動物可致病菌。以微生物污染為主要檢測對象，包括原生動物、細菌、真菌、病毒、支原體、酵母等，其中檢測重點為細菌和真菌。空間站微生物主要存在于艙內(nèi)氣體、食品、水、艙體材料、硬件設備表面以及有效載荷等地方，因此，其微生物控制的要求也應根據(jù)這些方面進行規(guī)定。例如，國際空間站微生物控制的指標要求如表1所示。我國空間站工程微生物控制定量要求主要參照國際空間站制定，在我國載人航天工程一期和二期階段，未對微生物控制提出明確的定量要求，在載人空間站階段，提出的初步醫(yī)學要求中，也僅僅對空氣和物體表面微生物控制提出了限值，與表1中國際空間站的相關規(guī)定是一致的，而對于食品和水未作明確規(guī)定。

2.2空間應用系統(tǒng)生物安全等級的識別開展空間生物安全防護設計時，首先應對生物危害的等級(或稱生物安全等級，BiosafetyLev-el，BSL)進行識別，根據(jù)不同的危害等級制定不同的設計防護策略，避免設計上的冒進所帶來的安全性隱患，或者設計過于保守而帶來的資源浪費和技術瓶頸。根據(jù)NASA的生物安全小組的工作經(jīng)驗，所有有關生物學的材料都要進行生物危害識別，對識別出的生物危害材料都要分配一個生物安全等級［18］。因此，生物危害材料生物安全等級的確定是生物安全工程設計的首要出發(fā)點。NASA的JSC中心針對空間應用項目的生物安全等級制定了專門的規(guī)定［19］，如表2所示。空間生物安全等級主要來源于地面公共衛(wèi)生系統(tǒng)和實驗室生物安全的相關標準，在空間上用時考慮了空間環(huán)境可能帶來的影響，由于空間飛行獨特的環(huán)境和條件，BSL-2微生物又被分為兩類，BSL-2(中等風險)和BSL-2(高風險)。主要是由于在微重力環(huán)境下，微生物氣溶膠可能比在地球1g重力下具有更大的風險，對于地面上BSL-2等級的微生物在空間應用時可能產(chǎn)生更嚴重的后果。因此，在對空間生物安全等級的規(guī)定上進行了適應性修改，其原則為:對于地面上可能導致災難性后果(高致病性)的微生物(BSL-3和BSL-4)禁止在太空項目中使用;對于地面上可能造成中等危害后果的微生物，其在空間環(huán)境影響下可能帶來更嚴重的后果，甚至是災難性的，因此，地面上BSL-2級微生物在太空中又分為中等危害和高危害兩類。我國載人航天工程目前采用的生物安全等級劃分標準主要遵照現(xiàn)有的國內(nèi)實驗室生物安全防護等級相關規(guī)定，對于空間生物安全等級尚無具體的標準進行規(guī)定。因此，合理的劃分生物安全等級對于工程中遴選生物樣本和明確有效的控制措施具有重要的意義。

2.3空間應用系統(tǒng)生物安全包覆等級的識別與設計

2.3.1空間應用系統(tǒng)生物安全包覆等級的確定工程實踐中，在已明確了有效載荷生物安全等級BSL的基礎上，需要根據(jù)生物安全等級確定相應的包覆設計等級(LevelofContainment，LoC)要求。兩個重要的原則是:1)生物安全防護的包覆等級不得低于其生物安全等級;2)存在多種微生物的情況下，其包覆等級應根據(jù)生物安全等級最高的生物樣品來確定。我國空間站空間應用規(guī)劃了多項有關生物、生命、生態(tài)、醫(yī)學等應用與科學領域?qū)嶒烅椖俊Ｒ援斍耙?guī)劃的有關生命科學研究的實驗平臺為例，確定其初步的生物安全包覆等級，如表3所示。

2.3.2空間生物安全設計準則空間應用載荷生物安全控制的優(yōu)先級主要包括五個層次(見圖4)。工程設計實現(xiàn)過程中，有效載荷研制單位應根據(jù)識別出的生物載荷的生物安全等級確定相應的防護設計準則，遵循以下原則:1)生物材料的選擇上，應在滿足科學實驗需求的前提下，盡量選擇危害等級低的生物材料和樣品;2)生物實驗載荷的生物包覆等級應與其生物安全等級相對應，不得低于其生物安全等級;3)對于具有致病性或可能導致設備故障的主要微生物應具有實時監(jiān)測或者離線檢測能力;4)包覆設計應按照最小風險控制或者故障容限，或者兩者相結(jié)合的設計準則進行設計，如金屬結(jié)構(gòu)采用較高的安全系數(shù)要求;采用多層密封包覆等;5)包覆設計應考慮最大使用條件下進行設計，并采用試驗的方法驗證;多層包覆設計時，應對每層包覆手段的有效性進行獨立驗證;6)采用物理隔離的方式進行包覆設計時，應滿足密封設計要求，如所有泄漏路徑均采用軟密封件，墊片或其他密封材料進行雙重密封;金屬零件沿著所有接口有兩個密封(如蓋);流體連接器內(nèi)部和外部的雙道密封;電連接器外部雙道密封和引腳周圍雙密封等;7)采用密封設計時，需要考慮容器材料與有害生物質(zhì)的相容性設計與驗證問題;8)采用多層包覆設計時，應盡量采用組合式包覆形式，即不同形式的隔離方式，如物理隔離與負壓相結(jié)合，確保各級包覆是相互獨立的，不會發(fā)生關聯(lián)失效;樣本操作用手套箱采用在手套故障的情況下保持負壓的雙故障容限的設計等;9)對于有限壽命的生物危害防護措施，如HEPA過濾器，應具有有效的壽命預測手段，以便采取定期的更換或者清洗消毒等措施。

2.4空間生物危險的監(jiān)測空間微生物的監(jiān)測是實施微生物控制的前提條件。目前對于載人航天工程領域，較為先進的微生物監(jiān)測技術主要包括以下幾項:1)非培養(yǎng)核酸技術(基于PCR聚合酶鏈反應);2)三磷酸腺苷生物發(fā)光技術(ATP);3)生物傳感器，直接激光檢測;4)流式細胞術方法;5)基質(zhì)輔助激光解析/電離飛行時間質(zhì)譜(Matrix-AssistedLaserDesorption/IonizationTimeofFlight(MALDI-TOF)massspectrometry);6)微觀方法(MicroscopicMethods)。傳統(tǒng)上，環(huán)境和人員的微生物監(jiān)測主要集中在采用基于培養(yǎng)技術的細菌和真菌。然而，在空間環(huán)境中，采用大量的分子、生化和理化實驗系統(tǒng)，建立在非培養(yǎng)技術基礎之上。采用單一的監(jiān)測技術往往難以滿足微生物監(jiān)測的需求，因此，在工程實踐中，空間科學實驗載荷研制單位應根據(jù)自身產(chǎn)品的特點，結(jié)合各種檢測技術的優(yōu)缺點，合理選用生物檢測技術。生物檢測技術選用參考表如表4所示。另外，空間科學實驗載荷應重點監(jiān)測BSL-2級以上的微生物。根據(jù)國外的經(jīng)驗(ISS，MIR)［10］，空氣中主要的細菌種類為金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌，內(nèi)表面主要的細菌種類為金黃色葡萄球菌和芽孢桿菌等;真菌主要為青霉屬和曲霉。在監(jiān)測點設置方面，對于密閉的實驗培養(yǎng)箱，應從空間應用的需求出發(fā)，對于影響實驗效果的入口端應設置微生物監(jiān)控裝置，防止艙內(nèi)空氣和水源中的有害微生物影響實驗效果;同時對于出口端同樣需要設置微生物監(jiān)控裝置，防止科學實驗產(chǎn)生的有害微生物污染艙內(nèi)大氣環(huán)境和熱控管路。

2.5空間應用系統(tǒng)生物安全風險評估國際空間站上，有效載荷生物材料的生物危害風險評估在發(fā)射前必須進行，評估生物有害物質(zhì)的標準包括微生物的特性，感染劑量，微生物的存量、感染途徑，以及與實驗協(xié)議相關的危害。識別出的所有有害微生物被分配一個生物安全等級(BSL)。有效載荷安全審議小組參照BSL為每個有效載荷制定必要的防護等級。空間應用生物安全風險評估的實施流程如圖5所示。

3結(jié)論

本文在借鑒國外空間站生物安全工程經(jīng)驗的基礎上，提出了我國空間應用系統(tǒng)開展科學實驗載荷生物安全設計的工程體系，并對生物控制定量要求、空間生物安全等級的識別、空間科學實驗載荷的生物安全包覆設計、空間生物危險的監(jiān)測、空間生物危害風險評估等問題進行了剖析。在我國后續(xù)空間站空間應用系統(tǒng)的研制過程中，應結(jié)合相關科學實驗應用的實際，針對空間生物安全這一影響航天員安全和空間站長期穩(wěn)定運行的重要安全性問題，開展專門的研究，研究的重點應關注以下幾個方面:1)空間應用系統(tǒng)的生物安全指標要求(即最低可接受閾值的確定)。隨著在軌駐留時間以及空間應用任務規(guī)模的大幅增加，對于空間生物險材料的種類、生物危害的影響、航天員和空間站硬件系統(tǒng)所能承受的閾值等都帶來了更大的不確定性。因此，有必要結(jié)合未來空間應用系統(tǒng)生物應用的實際需求，針對空間生物安全的指標要求開展更為深入研究。2)空間生物安全等級的識別與確定。生物安全等級劃分的正確性和適當性直接影響著后續(xù)系統(tǒng)的設計方案與控制措施的有效性和合理性，生物安全防護措施的過設計將造成設計成本的增加和設計實現(xiàn)上的瓶頸，而生物安全防護措施的欠設計則帶來難以接受的安全性風險。因此，有必要結(jié)合空間站應用系統(tǒng)的建設需求和實際，遴選滿足科學實驗需求的實驗樣品和實驗項目，準確識別其生物安全等級，為工程設計提供安全、可靠、穩(wěn)妥的設計基準。3)空間生物安全防護的工程實現(xiàn)問題。根據(jù)合理的生物安全等級確定生物安全防護等級(LoC)，制定包覆設計準則，對于有效控制空間生物危害和最大限度、最高效地實施空間科學任務具有重要的意義。同時，生物安全防護的工程實踐也是空間應用系統(tǒng)中有關生物危害材料選擇和科學實驗設施、設備研制的重要參考和依據(jù)。因此，有必要在空間站空間應用系統(tǒng)研制的早期，緊密結(jié)合空間應用系統(tǒng)的建設需求，梳理應用系統(tǒng)生物生態(tài)科學相關的科學實驗載荷，在合理確定生物安全等級的基礎上，研究制定有效的空間生物安全防護的安全性設計準則。

作者：王偉王功單位：中國科學院空間應用工程與技術中心