来源：Differential microbial degradation of cross-linked Polythene by Aspergillus niger in space and on the ground（Chemical Engineering Journal）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
聚合物材料在空间站中的微生物降解问题日益受到关注。本研究首次将中国空间站与地面同步开展90天实验，对比黑曲霉在微重力和地面环境下对交联聚乙烯（PEX）的降解行为差异。研究发现，空间环境中的黑曲霉表现出更强的生物活性、更完整的细胞结构，并分泌出高一个数量级的有机酸，导致PEX表面更严重的酸性水解损伤。该研究为空间站聚合物材料的微生物防护提供了重要参考。
研究背景
微生物广泛存在于自然与工业环境中，持续对金属、混凝土和塑料等材料造成降解。空间站中同样不可避免地存在微生物，其对高分子材料的影响不容忽视。真菌可通过分泌草酸、柠檬酸等有机酸降解聚合物材料的化学结构，还可通过分泌漆酶和过氧化物酶等酶类促进聚合物材料的氧化分解。
在国际空间站中，真菌广泛分布于水循环、热控和电气连接等系统中，通过粘附在聚合物基底上导致材料劣化或腐蚀，主要包括青霉属、曲霉属、枝孢霉属和念珠菌属。例如，空间站上的聚氯乙烯电缆表皮曾被真菌大量覆盖，在受影响区域产生明显孔洞。聚乙烯（PE）常用于电子设备的电缆绝缘，其长期服役性能对空间站至关重要。然而，PE材料是否会被空间环境中的真菌降解，以及微重力如何影响真菌的代谢活性，此前尚缺乏系统研究。
本研究通过中国空间站与地面的同步对照实验，系统考察了黑曲霉在两种环境下对交联聚乙烯的降解行为差异，并从真菌生理特性、材料表面形貌和化学结构三个维度进行了对比分析。
研究方法
2.1 材料准备
本研究所用商用PEX试样由浙江博众绝缘材料有限公司提供。聚乙烯材料经辐照处理，形成网状交联结构。所有测试用PEX试样均裁切为Φ29 mm×1 mm规格。每个试样上钻有两个孔（直径1.8 mm），用于将试样铆接至培养池。试样两面均用浸泡过异丙醇的无菌纱布擦拭。随后将所有试样浸入75%乙醇溶液中15 min，取出后干燥2 h。干燥后，试样每面在紫外辐射下灭菌15 min。
本研究共制备三组试样：未接种的无菌PEX试样作为对照组（PEX-C），接种后的试样分为两组，分别用于空间实验（PEX-S）和地面实验（PEX-G）。
【数据】试样规格：Φ29 mm×1 mm；孔径：1.8 mm；乙醇浓度：75%；浸泡时间：15 min；干燥时间：2 h；紫外灭菌：每面15 min
2.2 孢子悬浮液制备
本试验所用黑曲霉（ATCC16404）由神州空间生物科技股份有限公司提供。马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）斜面培养基组成如下：马铃薯提取物粉末3.0 g/L，葡萄糖20.0 g/L，琼脂14.0 g/L。营养液组成如下：KH₂PO₄ 0.7 g/L，K₂HPO₄ 0.3 g/L，MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L，NaNO₃ 2.0 g/L，FeSO₄·7H₂O 0.01 g/L，KCl 0.5 g/L，蔗糖30.0 g/L。营养液pH值用0.01 M NaOH溶液调至6.0。
培养前，PDA培养基和营养液均在121℃下高压灭菌20 min。用无菌接种环将黑曲霉接种于PDA斜面培养基上，在30℃下培养10天，直至培养基被孢子完全覆盖。随后用营养液稀释孢子浓度。用无菌接种环从斜面培养基表面收集孢子，制备孢子悬浮液，储存于4℃冰箱中备用。使用血球计数板在光学显微镜下测定，孢子悬浮液的孢子浓度约为10⁶ CFU/mL。
【数据】PDA培养基：马铃薯提取物粉末3.0 g/L、葡萄糖20.0 g/L、琼脂14.0 g/L；营养液：KH₂PO₄ 0.7 g/L、K₂HPO₄ 0.3 g/L、MgSO₄·7H₂O 0.5 g/L、NaNO₃ 2.0 g/L、FeSO₄·7H₂O 0.01 g/L、KCl 0.5 g/L、蔗糖30.0 g/L；pH：6.0；灭菌：121℃、20 min；培养温度：30℃；培养时间：10天；孢子浓度：~10⁶ CFU/mL
2.3 飞行实验与地面生物降解试验
#### 2.3.1 培养池装置
名为"微生物-材料相互作用科学实验装置"（ISED）的设备由神州空间生物技术集团提供。该装置用于提供微生物生长所需的基本条件，如温度、湿度和营养物质，并能根据预设水平动态调节培养室内的环境参数，确保实验精确进行。装置分为独立模块，可对不同材料类型进行实验。此外，各模块配有注水孔，用于无菌水注射和孢子激活，实现批量液体给药。装置还具备过程控制功能，可自动化启动和结束实验，并配备监测模块以在长期实验过程中实时跟踪微生物生长趋势。
【数据】培养温度：28±0.5℃；相对湿度：95±1%
#### 2.3.2 天地同步实验流程
1）试样表面接种
所有用于生物实验的试样和工具均用75%乙醇消毒。在无菌环境中，将孢子悬浮液在试样上方20 cm处喷洒，喷洒过程重复10次以确保均匀覆盖。接种过程共进行3次，以确保试样表面的孢子浓度达到约10⁶ CFU/mL。接种后的试样置于无菌培养皿中过夜干燥，然后储存备用。
【数据】喷洒高度：20 cm；喷洒次数：10次；接种次数：3次；孢子浓度：~10⁶ CFU/mL
2）试样装载
将接种后的试样用无菌纱布包裹以保持水分，然后固定在培养模块中。培养模块采用低温等离子体技术灭菌。
【数据】灭菌方式：低温等离子体技术
3）天地同步实验
接种后的试样到达轨道空间站后，向每个试样表面施加1.5±0.5 mL无菌水以激活孢子。培养池内温度和相对湿度分别维持在28±0.5℃和95±1%。地面实验在相同条件下进行。
【数据】无菌水量：1.5±0.5 mL；温度：28±0.5℃；相对湿度：95±1%
4）回收与分析
培养90天后取出试样进行分析。将一部分纱布（0.5 cm×0.5 cm）浸入2.5%（v/v）戊二醛中固定真菌形态。另一部分纱布用无菌水洗脱并过滤，收集真菌分泌的代谢产物。该纱布用于检查附着真菌的内部结构，代谢产物用于鉴定和定量有机酸种类。将纱布分离后的试样置于培养皿中，在4℃下储存，随后用于表征PEX的表面形貌、化学结构和绝缘性能。
【数据】培养时间：90天；纱布尺寸：0.5 cm×0.5 cm；戊二醛浓度：2.5%（v/v）；储存温度：4℃
2.4 代谢产物分析
黑曲霉分泌的胞外有机酸可加速聚合物材料的降解。采用LC-MS分析测定这些酸的积累量，以研究空间环境对黑曲霉胞外有机酸代谢的影响。
将滤液用1 mL提取液（甲醇:氯仿=7:3）在冰上提取30 min。随后向提取液中加入600 μL H₂O，在4℃下以12000 rpm离心10 min。收集上清液，加入10 μL 0.1 M 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）和10 μL 0.1 M 3-硝基苯肼（3-NPH）进行衍生化。衍生化反应在40℃下进行30 min。试样提取物采用超高效液相色谱（Vanquish，UPLC，Thermo，美国）和高分辨质谱（Q Exactive，MS，Thermo，美国）进行分析。
【数据】提取液：甲醇:氯仿=7:3；提取时间：30 min（冰上）；H₂O用量：600 μL；离心：12000 rpm、4℃、10 min；衍生化试剂：10 μL 0.1 M EDC + 10 μL 0.1 M 3-NPH；衍生化条件：40℃、30 min
2.5 表面分析方法
#### 2.5.1 PEX上黑曲霉生物膜的表面形貌表征
使用光学显微镜和体视显微镜观察试样表面的真菌分布。使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM，VK-X250K，KEYENCE，日本）采集试样的三维（3D）表面轮廓。使用SEM（FEI Quanta 250，FEI，Hillsboro，OR，美国）在高真空模式下以10 kV加速电压观察试样表面的微观形貌。SEM观察前，在试样表面溅射Au以提高导电性。
【数据】SEM加速电压：10 kV；模式：高真空
#### 2.5.2 黑曲霉细胞结构观察
细胞膜、细胞器和细胞质等细胞结构的变化可能影响胞内代谢物的转运。透射电子显微镜（TEM）可观察黑曲霉的横纵细胞超微结构，分析空间环境中细胞结构的变化。
将纱布试样用磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗，并在1%（v/v）锇酸溶液中固定2 h。随后，依次用30%、50%、70%、80%、90%和95%（v/v）乙醇溶液脱水，每个浓度处理15 min，再用100%乙醇和纯丙酮各脱水20 min。然后将固定试样包埋在Araldite树脂中，在60℃烘箱中聚合。将包埋后的试样切成90 nm厚的超薄切片。这些超薄切片分别用柠檬酸铅和50%（v/v）醋酸铀乙醇饱和溶液染色。使用TEM在高真空模式下以80 kV加速电压进行观察。
【数据】锇酸浓度：1%（v/v）；固定时间：2 h；乙醇梯度：30%、50%、70%、80%、90%、95%（v/v），各15 min；100%乙醇和纯丙酮：各20 min；聚合温度：60℃；切片厚度：90 nm；TEM加速电压：80 kV
#### 2.5.3 生物膜免疫荧光形貌
使用CLSM（TCS SP8 STED，Leica，德国）进行观察。
【数据】仪器型号：TCS SP8 STED，Leica
研究结果
3.1 黑曲霉在空间和地面的生长特征
#### 3.1.1 PEX上黑曲霉生物膜观察
图S2显示了通过光学显微镜和体视显微镜观察到的PEX试样的形态特征。不出所料，无菌的PEX-C表面没有黑曲霉生物膜，仅显示轻微的划痕和凸起。相比之下，PEX-G和PEX-S表面均观察到生物膜。PEX-G表面分布着稀疏的菌丝和少量孢子，而PEX-S表面则以密集交错的菌丝和丰富的孢子簇为特征。PEX-S上孢子和菌丝的粘附密度高于PEX-G。
孢子作为黑曲霉的繁殖单位，在环境适宜时从休眠状态萌发并延伸出芽管。芽管随后生长成菌丝，菌丝是黑曲霉的结构单位。因此，与地面环境相比，微重力环境更有效地促进了黑曲霉菌丝的萌发。
去除纱布前试样的形貌如图S3所示。由于纱布的毛细作用，试样表面形成水膜，促进了表面孢子的激活。纱布保持完整，无明显断裂或孔洞，表明黑曲霉未将其作为碳源利用。此外，纱布上的生物膜数量少于试样表面，表明纱布不妨碍黑曲霉在试样上的生长。
图1显示了不同重力环境下PEX试样上生物膜的形貌，包括生物膜高度测量结果。PEX-C表面缺乏生物膜。图1a显示了PEX-C试样的表面轮廓曲线。PEX-G试样上的菌丝出现干瘪现象，表明生物活性较低（图1b1）。孢子未密集分布于表面，最高孢子高度达4.686 μm。相比之下，PEX-S试样上的黑曲霉生物膜覆盖完全，最高生物膜高度达10.647 μm。这归因于孢子和气生菌丝的密集分层，表明黑曲霉在PEX-S试样上更有效地定殖。
采用荧光染色技术进一步区分PEX试样上黑曲霉生物膜的分泌物分布和连续性，结果如图2所示。在图2a-b中，识别到大面积红色区域，附近可见绿色荧光区域。这表明黑曲霉在PEX试样表面形成了连续生物膜，分泌大量胞外多糖并扩散到整个表面。相比之下，如图2c-d所示，PEX-G上既未识别到连续染色的菌丝，也未观察到明显的绿色荧光染色；此外，红色区域呈点状分布。图像中观察到的深绿色表示PEX材料在显微镜下的荧光，表明黑曲霉无法在PEX-G上形成连续生物膜，胞外多糖分泌可忽略不计。
Bamford等人指出，生物膜在孢子粘附和膜形成后开始分泌胞外多糖。胞外多糖作为保护层，可增强微生物对环境胁迫的耐受性，并为生物膜形成提供结构支撑。研究表明，微重力诱导glgP、exoD和epsB等基因表达增强，导致胞外多糖分泌增加，从而增强生物膜的保护作用。因此，黑曲霉在空间环境中保持了旺盛的生长活性，而PEX-G上孢子的萌发和黑曲霉生长明显较慢。
图3显示了不同环境下PEX试样上生物膜的SEM图像。在两种环境中，PEX试样表面均鉴定到菌丝，主要以营养菌丝的形式存在。附着在基底表面的营养菌丝在从基底吸收营养方面起关键作用。营养菌丝的生长对气生菌丝和分生孢子等生物结构的发育至关重要。PEX-S试样上的营养菌丝粗壮且密集（图3a），而PEX-G上的营养菌丝则稀疏枯萎（图3c）。这表明黑曲霉在空间环境中具有更强的从基底提取营养的能力。
研究表明，当真菌活跃生长时，菌丝可在微孔中生长并穿透到涂层内部，从而加速材料降解。如果延长实验周期，营养菌丝可能垂直穿透进入材料内部，进一步加速PEX的降解。此外，孢子呈现疣状外观。这些疣状层是由几丁质多糖组成的细胞壁。与PEX-G相比，PEX-S上的孢子结构更完整，富集程度更高。相反，PEX-G表面的孢子分散，细胞壁破裂，暴露了内部细胞质内容物和孢原质，这种情况在黑曲霉生物活性受损时出现。
#### 3.1.2 黑曲霉细胞结构的变化
如SEM图片所示，与地面相比，空间环境中的黑曲霉具有相对完整的细胞结构。为进一步验证，进行了TEM观察以比较不同环境中黑曲霉的细胞结构，如图4所示。在空间环境中生长的孢子具有完整的细胞结构，包括细胞核、液泡和线粒体。细胞壁和细胞膜分布均匀。线粒体和细胞核等主要细胞器呈正常形态（图4a）；然而，在地面环境中生长的黑曲霉中未发现明显的细胞器结构，包括细胞核和线粒体（图4c）。此外，部分细胞壁和质膜被破坏并碎片化。细胞内部内容物丢失并被液泡填充。这些现象验证了黑曲霉在空间环境中保持了完整的细胞结构，而在地面环境中细胞结构被破坏。
#### 3.1.3 代谢产物分析
在空间和地面环境90天实验后收集黑曲霉的分泌物。有机酸的主要组成列于表1。空间环境下分泌的有机酸总量比地面高出近一个数量级，这可归因于黑曲霉在空间环境中具有更好的生物活性，如前文所述。在这些酸中，草酸占空间分泌物的93%，对总量增加贡献显著。草酸的腐蚀性及其产生的酸性环境促进了PEX-S的生物降解。
除了酸量的贡献外，值得注意的是，一些分泌的有机酸具有抗真菌特性，包括己酸、苯甲酸和苹果酸。如图S4所示，这些酸在地面环境中的比例更高，表明毒性更大。己酸在12 mM时于早期阶段抑制菌丝生长，在16 mM时抑制孢子萌发；此外，它还能改变细胞膜的通透性。苯甲酸可抑制孢子萌发并降解菌丝。从石榴中提取的苹果酸显示出强效抗真菌特性。这些抗真菌剂可破坏黑曲霉的生物活性，并导致其在地面环境中的细胞结构受损。
【数据】空间环境有机酸总量：74,372.81 ng/ml；草酸占比：93%；己酸抑制浓度：12 mM（菌丝）、16 mM（孢子）
3.2 PEX表面形貌与化学结构变化
图5显示了去除生物膜后PEX-C、PEX-G和PEX-S表面的SEM图像。PEX-C表面（图5a、b）相对光滑，仅有少量划痕和微小凸起，未观察到明显的降解痕迹。相比之下，PEX-G表面（图5c、d）出现了少量微裂纹和浅层剥落，但损伤程度有限。而PEX-S表面（图5e、f）则呈现出明显的裂纹网络、深层剥落和表面粗糙化，表明空间环境中的黑曲霉对PEX造成了更严重的表面损伤。
图6显示了不同环境中暴露90天的PEX试样ATR-FTIR光谱。PEX-C的光谱显示典型的聚乙烯特征峰。PEX-G和PEX-S的光谱中，在1543 cm⁻¹和3388 cm⁻¹处出现了新的吸收峰，分别归属于羧基和羟基。这些新峰的出现表明PEX表面发生了酸性水解反应，产生了含氧官能团。PEX-S上这些峰的强度明显高于PEX-G，表明空间环境中酸性水解程度更高。
图7显示了不同环境中暴露90天的PEX试样表面形貌和显微FTIR光谱。对于PEX-S（图7a），被黑曲霉生物膜覆盖区域（A区域）的FTIR光谱显示在1543 cm⁻¹和3388 cm⁻¹处有明显的吸收峰，而未被覆盖区域（U区域）则未检测到这些峰。类似地，PEX-G（图7b）上被覆盖区域的峰强度低于PEX-S的对应区域。这些结果表明，黑曲霉生物膜覆盖区域发生了局部化学变化，且空间环境中的变化更为显著。
图8显示了PEX-S和PEX-G的立体形貌、显微FTIR形貌和化学图谱。PEX-S表面的化学图谱显示，在1543 cm⁻¹处的羧基信号分布广泛且强度高，与生物膜覆盖区域高度吻合。PEX-G表面的化学图谱中，羧基信号较弱且分布分散。这些结果进一步证实了空间环境中黑曲霉对PEX表面化学结构的破坏更为严重。
图9显示了90天实验后PEX-S和PEX-G截面的形貌及其显微FTIR光谱。PEX-S的截面形貌（图9a、c）显示表面层存在明显的降解区域，厚度约为数微米，降解区域内的FTIR光谱显示1543 cm⁻¹和3388 cm⁻¹处有吸收峰。PEX-G的截面（图9b、d）显示降解层较薄，峰的强度也较低。这些结果表明，黑曲霉引起的生物降解主要局限于PEX表面浅层，未深入材料内部。
图10显示了黑曲霉诱导PEX-S表面生物降解的机制示意图。在空间环境中，黑曲霉保持较高的生物活性，分泌大量有机酸（主要为草酸），有机酸通过酸性水解PEX中的酯基，导致表面产生裂纹和含氧官能团，从而加速材料降解。
【数据】新吸收峰：1543 cm⁻¹（羧基）、3388 cm⁻¹（羟基）
3.3 PEX体积电阻率变化
在90天飞行和地面试验中，PEX的体积电阻率出现轻微下降，降幅从PEX-G的2.54%到PEX-S的3.17%不等。这种下降归因于生物降解过程仅发生在试样浅层表面。与空间和地面环境相比，PEX体积电阻率的变化不显著，表明生物降解局限于表面，未在实验期间深入渗透到材料内部。
【数据】体积电阻率下降：PEX-G为2.54%，PEX-S为3.17%
讨论与解读
本研究从三个不同角度比较了黑曲霉在空间和地面环境下对PEX材料的生物降解行为：（i）黑曲霉的生理特性，（ii）PEX材料的表面形貌，（iii）PEX材料的化学结构。结果表明，空间环境中抗真菌酸的分泌减少，使黑曲霉表现出更强健的菌丝形态和更完整的细胞结构。此外，空间环境促进了大多数类型有机酸的分泌，总浓度达74,372.81 ng/ml，比地面分泌水平高一个数量级。因此，检测到归属于羧基和羟基的新吸收峰分别出现在1543 cm⁻¹和3388 cm⁻¹处。这些峰表明酸性水解加速，表现为PEX-S表面裂纹增多。相比之下，PEX的体积电阻率出现轻微下降，降幅从2.54%（PEX-G）到3.17%（PEX-S）不等。这种下降归因于生物降解过程仅发生在试样浅层表面。鉴于上述情况，有必要延长实验周期，以识别后续体积电阻率的所有变化。
编译者解读：该研究首次利用中国空间站平台开展聚合物材料的微生物降解天地对比实验，实验设计具有开创性。空间环境中黑曲霉活性增强这一发现，对空间站材料选型和寿命预测具有直接指导意义。值得注意的是，有机酸总量高出一个数量级而体积电阻率仅下降约3%，说明90天内的降解仍以表面为主——这既是好消息（材料主体性能保持），也是警示（长期服役后可能加速失效）。未来研究可关注更长时间尺度下的深层渗透问题，以及开发抗真菌涂层等防护策略。该研究为空间站环境中聚合物材料的微生物防护提供了关键基础数据。
参考来源
Zhang S. Differential microbial degradation of cross-linked Polythene by Aspergillus niger in space and on the ground. Chemical Engineering Journal, 2025. DOI: 10.1016/j.cej.2025.161394
DOI: 10.1016/j.cej.2025.161394