在浩渺无垠的宇宙中，距离地球约 400 公里的国际空间站（ISS）宛如一座孤独的太空堡垒。宇航员们在这一狭小且封闭的空间内，不仅要与失重环境、高强度辐射顽强抗争，还悄然与一群肉眼难见的 “小邻居” 长期共处。这些 “小邻居” 便是微生物以及各类化学物质，它们在 ISS 的封闭环境中，构建起了一个别具一格的生态系统。由于 ISS 的封闭特性，这里的微生物多样性相较于地球的建筑环境更为匮乏，然而，合成化学物质的暴露水平却显著偏高。
2 月 27 日，由加州大学圣地亚哥分校牵头的研究团队，在 Cell 杂志上在线发表了一篇题为 “The International Space Station has a unique and extreme microbial and chemical environment driven by use patterns” 的研究成果。该研究对 ISS 的微生物与化学环境展开了细致入微的探究，致力于揭示这些 “小邻居” 在太空环境中的生存与演化机制，期望借此明晰这些环境因素对宇航员健康所产生的影响，为未来长期太空任务的顺利开展提供科学指引。
一、研究设计：绘制 ISS 的 “微生物和代谢物地图”为了精准描绘 ISS 的微生物与化学环境全貌，研究人员精心从国际空间站 “美国轨道段”（USOS）的环境表面采集了 803 个样本。采样范围广泛覆盖了 ISS 的九个关键区域，包括食物准备区、废物处理区以及个人卫生区等。这些区域对于宇航员的日常生活和空间站的正常运作至关重要，且各自具备独特的功能与环境特点。
在样本采集完成后，研究团队对其实施了极为严格的低生物量质量控制措施。这一举措旨在最大程度地降低外界因素对样本的干扰，确保所获取数据的准确性与可靠性。研究过程中，团队综合运用了 16S rRNA 测序、宏基因组测序以及非靶向代谢组学等前沿技术，对样本进行全面剖析。通过 16S rRNA 测序，能够精准鉴定微生物的种类与分布；宏基因组测序则助力揭示微生物的基因组成与功能；非靶向代谢组学可全面分析 ISS 表面存在的各类化学物质。此外，研究人员还创新性地运用 3D 模型，将 ISS 的微生物和化学环境进行可视化呈现。这一可视化手段使复杂的数据变得直观易懂，有助于研究人员更深入地理解数据背后所蕴含的生物学与化学信息。
二、实验结果：揭秘 ISS 的 “微生物派对”（一）微生物分布及多样性特征研究结果显示，ISS 的不同功能模块各自拥有独特的微生物群落。在食物准备区，微生物主要源自各类食物。由于食物在加工与储存过程中，会引入不同种类的微生物，这些微生物便在食物准备区 “安家落户”。而废物处理区的微生物则与粪便和尿液紧密相关。在废物处理过程中，其中含有的微生物会释放到周围环境中，逐渐在该区域形成特定的微生物群落。这充分表明，模块的实际使用方式对微生物的分布起着决定性作用。与地球的建筑环境相比，ISS 的微生物多样性明显较低，并且主要由与人类密切相关的微生物占据主导地位。这意味着 ISS 的环境在微生物组成方面，与地球上的极端工业化环境具有一定的相似性。例如，在地球上一些高度工业化且人员密集的场所，微生物群落同样以与人类活动相关的微生物为主，且多样性相对较低。
（二）化学物质的多样性ISS 表面的化学物质呈现出丰富的多样性，涵盖了工业化学品、食物代谢物以及人体代谢物等多个类别。在不同的模块中，某些化学物质的含量尤为突出。如在废物处理区，研究人员检测到大量的尿液代谢物。这是因为废物处理过程中，尿液中的各种成分经过一系列物理和化学变化，产生了多种代谢产物，并在该区域积聚。研究还发现，特定微生物与某些化学物质之间存在着紧密的关联。部分细菌所产生的代谢产物，与 ISS 表面检测到的化学物质高度吻合。这一现象暗示着这些微生物在 ISS 化学环境的形成与维持过程中，可能发挥着关键作用。例如，某些细菌能够利用周围环境中的特定物质进行代谢活动，从而改变环境中的化学物质组成，进而影响整个 ISS 的化学生态系统。
图1 16S rRNA测序鉴定微生物组特征
（三）检测抗菌素耐药性基因和潜在病原体基于宏基因组测序数据，研究团队在 ISS 的微生物中发现了大量的抗生素耐药性基因（AMR）以及潜在病原体，其中包括肺炎克雷伯菌和 EB 病毒等。肺炎克雷伯菌是一种常见的条件致病菌，在免疫力低下的人群中容易引发严重感染。EB 病毒则与多种人类疾病密切相关，如传染性单核细胞增多症、鼻咽癌等。这些发现为宇航员的健康风险预警提供了全新的检测依据。在太空环境中，宇航员由于长期处于微重力、高辐射等特殊条件下，身体免疫力可能会受到一定程度的抑制。此时，ISS 环境中的这些潜在病原体和抗生素耐药性基因，便可能对宇航员的健康构成严重威胁。
图2 非靶向代谢组学揭示ISS表面化学特征
三、研究结论与展望这项研究借助微生物组学与代谢组学等多组学联合技术，为我们呈现了 ISS 微生物和化学环境的全景图，深入揭示了这些环境因素对宇航员健康的潜在影响。ISS 微生物多样性较低且以人类相关微生物为主，化学物质多样性却较高，这些研究成果不仅对未来太空任务的规划与执行具有重要的指导价值，还为我们理解地球上的微生物和化学环境提供了全新的视角。例如，通过对 ISS 微生物和化学环境的研究，我们可以更好地认识在封闭、极端环境下生态系统的形成与演变规律，这对于地球上一些特殊环境（如极地科考站、深海潜水器内部等）的生态研究具有借鉴意义。
图3 发现人类健康相关的微生物基因和基因组
展望未来，后续研究可进一步探索通过引入有益微生物来优化 ISS 环境的可行性。例如，某些益生菌能够抑制有害微生物的生长，改善环境中的微生物群落结构，从而降低宇航员感染病原体的风险。同时，开发新型消毒策略以减少抗菌素耐药性基因的传播也至关重要。在 ISS 这样的封闭环境中，一旦抗菌素耐药性基因广泛传播，将极大增加感染性疾病的治疗难度。可以预见，随着对 ISS “微生物派对” 研究的持续深入，我们将不断解锁太空环境中的奥秘，为宇航员的健康保驾护航，推动人类太空探索事业迈向新的高度。ISS 的 “微生物派对” 仍在继续，研究人员也将持续密切关注这些 “小邻居” 的动态，为人类的太空征程贡献更多的科学智慧。
