用于行星保護的微生物消殺技術分析

徐子昂，謝倍珍*，劉 紅

(1.北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100191;2.北京航空航天大學環境生物學與生命保障技術研究所，北京 100191)

1 引言

隨著人類對外太空認識的不斷加深以及在外太空活動的日益頻繁，外層空間環境也因此發生著不可避免、無法挽回的變化。這種變化不僅可能給外太空行星地質以及地外生物包括生命起源等的研究帶來誤差，嚴重的甚至可能威脅地球環境和人類。行星保護概念的提出，旨在約束人類探索外太空的行為，應盡可能避免對外層空間的潛在負面影響，特別是生物污染，同時還應確保地球免受來自星際飛船返回地球的外太空物質所帶來的潛在危險[1]。目前，國際科學理事會空間研究委員會(Committee on Space Research，COSPAR)受聯合國委托，負責制定和頒布行星保護政策，作為各國航天機構制定本國和地區行星保護政策和規范的依據。歐美等國已開展并嚴格實施行星保護工作五十余年，且仍在進一步研究和提升行星保護技術水平。與之相比，中國行星保護技術研究尚處于起步階段。隨著深空探測事業的不斷發展以及中國火星探測任務的實施，發展中國的深空探測行星保護技術體系成為了履行行星保護國際公約的迫切需求。

在COSPAR明確劃分行星保護任務類別和各類別任務的行星保護要求[2]后，各航天大國及組織根據航天器全生命周期各階段研究相應的防控技術。在生產、運輸和發射等過程中均需采取嚴格的微生物消殺措施，減少航天器生物載荷，防止活的、可生長發育的地球有機物被帶到地外環境，這是行星保護技術具體實施的核心內容之一。干熱滅菌是最早被應用于行星保護的微生物消殺方法[3]，但其可能會對航天器硬件載荷造成不可挽回的損害，進而影響探測任務的實施[4]。因此，不斷開發和發展不影響航天器材料性能以及各部件乃至系統整體功能的微生物消殺技術及其輔助技術，形成完善的航天器微生物消殺技術體系，以滿足不同深空探測任務的行星保護需求，是目前行星保護技術發展的重要方向。

本文對目前行星保護中所采用的以及具備潛在應用前景的微生物消殺技術及可能的輔助技術進行簡介，對其研究現狀及實際應用中可能出現的問題及解決方法進行系統綜述分析，在此基礎上，對中國行星保護微生物消殺技術體系提出思考和建議。

2 微生物消殺技術

2.1 干熱滅菌

干熱滅菌(Dry Heat Microbial Reduction，DHMR)技術主要通過高溫氧化細胞成分，破壞細胞膜結構使內容物流出、破壞微生物酶結構及核酸結構達到殺滅微生物的目的。作為目前美國NASA和歐洲ESA認證通過的僅有的2種行星保護航天器預發射滅菌技術之一，干熱滅菌是唯一經過認證的穿透性滅菌技術和參數化滅菌技術。ESA和NASA分別公布了ECSS-Q-ST-70-57c和NPR 8020.12D規范文件，對應用于行星保護的干熱滅菌技術流程提出了完整的規范性要求。

20世紀70年代初，美國海盜計劃率先采用DHMR來減少航天器表面和總體的生物負荷。該行星保護項目中多數成本都用于驗證航天器所采用的電子元件及其他各類組件在110～125 ℃之間的兼容性[3]。在隨后的美國航天任務中，干熱滅菌一直作為行星保護的金標準而存在。DHMR與其他滅菌技術的最大區別在于，它不僅是一種表面滅菌技術，同時也是一種體滅菌技術，在系統層面完整使用DHMR可實現整體的高無菌保證水平(Sterility Safe Level，SAL)。海盜號是為數不多在系統層面完整應用DHMR的任務之一，而其后的多數任務僅在組件層級應用DHMR。為滿足歐羅巴木衛二探測器的行星保護需求，NASA正考慮對肯尼迪航天中心的設施進行改造，以通過在系統層級應用DHMR來減少歐羅巴探測器的生物負荷[5]。

圖1 115 ℃和170 ℃下不同濕度條件對孢子死亡速率的影響[6]Fig.1 Effects of different humidity conditions at 115 ℃ and 170 ℃ on the death rate of spores [6]

在已多次成功應用于航天任務的基礎上，NASA仍對DHMR技術進行了進一步的深入研究。Kempf等[6]測定了在常規室內環境濕度(36%～66%相對濕度)條件下，溫度高于125 ℃時，萎縮芽孢桿菌(ATCC 9372)孢子的存活率，以確定DHMR的功效是否超出當前規范文件所批準的溫度(104～125 ℃)和濕度(相對濕度<25%)規格。實驗中將孢子沉積在薄的不銹鋼熱孢子暴露容器內，并在干燥環境或常規室內環境濕度條件下進行115～170 ℃加熱，計算不同溫度下的孢子死亡率。結果顯示在115 ℃和125 ℃時，作為對照的干燥組死亡速率比環境濕度實驗組的死亡速率更大；135 ℃時，對照組和實驗組的死亡速率無明顯統計學差異；而在150 ℃和170 ℃下，實驗組的死亡速率略大于對照組的死亡速率(圖1)。該研究為NASA擴寬干熱滅菌法采用的濕度控制范圍提供了依據，但在名義上仍以DHMR命名該系列滅菌方式。此外，考慮到潛在的極端耐熱菌株芽孢的存在可能導致干熱滅菌技術的參數放行失效問題，Schubert等[7]在DHMR技術規范的基礎上，驗證了航天器裝配車間內所提取的一株極端嗜熱芽孢桿菌菌株ATCC 29669與作為生物指示劑的標準萎縮芽孢桿菌菌株ATCC 9372的環境耐受性差異，其中ATCC 29669的十倍致死時間(Decimal reduction time，D值)在各種滅菌參數條件下均比ATCC 9372的D值大20到50倍；進而提出了干熱滅菌技術進一步強化規范的建議。

DHMR在行星保護中的適用性還體現在部分航天器硬件的生產特點中。許多航天器硬件在制造過程(材料成型及性能測試)中可暴露于300 ℃以上的高溫中。因此，可認為其制造過程也是較為徹底的消殺過程，進而將該類組件的行星保護滅菌工作量降低至總裝時的表面滅菌即可[4]。另一方面，也提示自航天器組件設計加工階段，就將各類硬件生產檢測工藝過程納入到行星保護環節，對其生物污染防控進行規范化處理，可在系統層面上極大減輕微生物消殺工作量。

然而，DHMR除上述技術特征及優點外，還具有難以避免的局限性。其缺點集中于航天器中廣泛應用的熱敏感部件與DHMR的不兼容。塑料封裝及導電環氧樹脂粘膠等一系列現代航天器電子設備設計特征使得干熱滅菌的應用存在較高風險；對該類組件或設備使用干熱滅菌潛在風險是帶來的功能失效可能具有相當地時滯性[4]。此外，部分儀器設備和結構部件有著極為嚴格的精密度要求，例如，機械系統的配合可能會因組件(如螺栓、墊片、密封結構等)中材料種類的差異而存在熱膨脹系數不匹配問題，進而影響裝配或影響設備正常工作[8]。評估這些配合結構在DHMR處理后的可靠性，并在組件的設計環節開始考慮不匹配的影響是將風險降至最低的必要步驟。

因此，干熱滅菌技術雖是目前應用最為成熟的行星保護滅菌技術，但仍存在處理工藝復雜、成本高昂、材料兼容性不佳的問題，特別是在當前航天器大量使用各種功能涂層材料以及精密電子儀器等敏感部件的情況下，干熱滅菌技術的應用將嚴重受限，急需其他滅菌方式對不兼容部件的滅菌進行補足。

2.2 氣相過氧化氫滅菌

氣相過氧化氫(Vapor-phase Hydrogen Peroxide，VHP)通過羥基自由基和活性氧成分破壞膜蛋白、膜脂質和核酸成分，對真菌、細菌、原生動物的營養細胞和孢子具有廣譜殺滅效果[9]。VHP滅菌技術在醫療領域的應用已相當完善，廣泛用于藥物生產、醫療器械生產、醫院污染控制等方面[10]，同時被認為是其他氣相化學滅菌劑(例如環氧乙烷)的安全替代品[11]。在具有極強氧化滅菌性能的同時，完全分解后僅生成水和氧氣的特性使其不會對設備造成二次污染，目前已成為NASA和ESA認證的新一代航天器消殺技術[12]，ESA已在ECSS-Q-ST-70-56C《氣相法降低航天器硬件生物載荷》中明確提出了規范要求。

VHP方法的優點包括有效的微生物減少功能，可以在小腔室中使用，也可以按比例放大到整個房間，從而極大方便了大面積表面和復雜幾何形狀的應用。VHP技術在行星保護中的應用可分為真空腔環境下以及常壓大氣環境下2種形式。真空腔內VHP滅菌流程主要包括：①腔體抽真空；②注入過氧化氫；③擴散階段；④壓力校正；⑤通風。但在實際運用過程中，由于真空條件限制，常壓VHP滅菌工藝仍然是目前應用的主流。常壓VHP滅菌工藝大致分為以下環節[13]：①腔體干燥階段；②注氣調控階段；③滅菌階段；④排氣階段。常壓VHP滅菌工藝對于組件級和系統級終端滅菌處理均有較好的適用性。

在用于行星保護的VHP滅菌工藝流程參數建立過程中，研究人員對VHP的濃度時間分布及滅菌效果進行檢測。來自NASA噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Chung等[14]于2008年將VHP的濃度對時間的積分Ct作為量化滅菌過程中材料實際暴露情況的參數，討論了VHP濃度、溫度、相對濕度、基底材料對滅菌效力的影響。VHP對時間積分Ct與芽孢生存分數N/N0的線性擬合程度較好(圖2)，而環境溫度和氣體環境的相對濕度對滅菌效果也均有一定程度的影響。各類影響因素中，尤以不同基底材料所引起的滅菌效果差異最大。該研究采用了不銹鋼、鋁合金(6061)、聚酰亞胺膠帶、石墨烯、一種白色航天用涂料(Aptek 2711)及一種黑色航天用涂料(Z306)作為測試用基底材料。其中，除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各組基底材料D值接近，而白色涂料(Aptek 2711)組基底材料D值比其余各組高出近一個數量級。推測白色涂料(Aptek 2711)組表面芽孢的高生存分數可能源于材料表面較高的粗糙度以及孔洞結構引起的材料對芽孢的保護作用以及材料成分導致的過氧化氫過早降解。Malik等[15]測試了10～90 ppm范圍內的VHP對枯草芽孢桿菌殺滅效果，并通過Weibull模型合理預測了10～4000 ppm范圍內的VHP的D值。Simard等[16]測試了VHP-臭氧聯合滅菌器對具有復雜管腔結構的十二指腸內窺鏡的滅菌效果，最終SAL達到了10-6。

圖2 濃度時間積分Ct 與孢子存活率函數關系[14]Fig.2 Relationship between integration of concentration and time Ct with spore survival rate[14]

針對VHP滅菌技術的材料兼容性，NASA JPL實驗室內部報告顯示，其于2011年前對逾100種航天材料進行了6個數量級的VHP滅菌實驗中，多數材料性質變化極小或幾乎未發生變化，但仍有部分材料某些性質變化率達到15%。對此，NASA認為材料的性質變化并不影響其特定的工程應用，同時VHP滅菌所產生的影響可通過硬件設計生產環節進行提前考量加以解決[17]。Gale等[18]于2009年就VHP對材料微觀結構的影響、材料拉伸性能和耐腐蝕性的影響進行研究。結果表明VHP對2024型鋁材、7075型鋁材和304奧氏體不銹鋼的微觀結構影響幅度相對較小，且僅限于暴露表面周邊區域，同時所檢測的3種合金的拉伸性能及暴露區域對耐腐蝕性也無較大影響。Chou等[19]指出，在對飛行器常用結構材料，包括碳纖維/環氧樹脂(CF/E)復合材料和碳纖維/玻璃纖維/環氧樹脂(CF/GF-E)復合材料及其他無涂層結構進行VHP滅菌及檢測后，各結構的化學性能或機械性能無明顯變化。

除去達到行星保護規范的滅菌效力和良好的材料兼容性之外，VHP滅菌技術的另一優勢在于其遠高于干熱滅菌技術的使用靈活性，使其具有很好的原位利用潛力。Stott等[20]在研究VHP參數對滅菌效果影響的基礎上，研究了一種可擴展模塊化滅菌箱體，用于在潔凈室或發射臺硬件裝配集成處的現場滅菌。發展過氧化氫現場滅菌技術，并將其與無菌裝配技術結合應用，可極大程度降低行星保護成本，減少行星保護需求對組裝、測試、發射全流程的時間影響。

盡管被認為是降低表面微生物領域最具希望的替代技術，但過氧化氫本身的強氧化性同樣具有一定的長期風險，而使其應用受限。鑒于此，雖然ESA和NASA已經對過氧化氫滅菌技術進行了相當的材料相容性研究，但仍在統籌考量DHMR和VHP兩者的特點，并從系統工程角度將材料的可替代性和組件的裝配特性等納入考慮[11]。

2.3 環氧乙烷

環氧乙烷通過與蛋白質中多種化學鍵的烷基化反應破壞蛋白質結構達到滅菌作用，是一種極為活潑的廣譜滅菌劑，廣泛應用于醫療器械滅菌領域。然而由于環氧乙烷的易燃性及高致癌風險，其在航天器材料表面滅菌的應用相對較少。環氧乙烷曾被NASA用于徘徊者系列運載火箭的終端表面滅菌，但也被認為其運用與發射任務失敗有關[21]。

環氧乙烷具有和過氧化氫不同的材料/工藝兼容性[22]，通過比較分析環氧乙烷與過氧化氫的兼容性差異，可以更好地完善行星保護中的滅菌技術體系。NASA戈達德空間飛行中心(Goddard Space Flight Center，GSFC)正在考慮將這項技術用于多個天文任務，包括與ESA合作的ExoMars任務[4]。

2.4 輻射滅菌技術

輻射滅菌包括電離輻射和紫外輻射滅菌等。電離輻射如γ射線滅菌技術通常是以放射性同位素鈷-60為放射源，其產生的高能γ射線使微生物中的蛋白質、DNA等物質失活，從而達到滅菌目的。隨著大功率輻射源技術的發展，電離輻射滅菌已在醫學和食品工業等行業中有了極為成熟的應用[23]。而單純的紫外輻射殺菌是通過254 nm左右(屬于C波段短波紫外線，Ultraviolet C Irradiation，UVC波段)的紫外線照射，破壞及改變微生物的DNA結構，使細菌當即死亡或不能繁殖后代，從而達到殺菌目的。

輻射滅菌技術在行星保護領域應用不多，最為知名的應用案例為歐洲Beagle 2火星著陸器的降落傘輻射滅菌。盡管DHMR已用于其他火星著陸器的降落傘，但Beagle 2火星著陸器降落傘的材料不耐高溫，因此選擇γ射線電離輻射滅菌工藝作為替代，但其加速了材料的老化[24]。

雖然可能存在材料兼容性問題，輻射滅菌技術的滅菌水平表現相對良好。Pilai等[25]使用30 kGy電子束輻射可以在鋁(Ti/Al合金)試樣上對各類型芽孢桿菌孢子實現6個數量級的殺滅，同時根據芽孢桿菌菌株孢子的類型，20 kGy和40 kGy之間的劑量足以使孢子數減少12個數量級以上。Urgiles等[26]使用10 MeV源和100 keV源分別進行滅菌實驗，實驗試樣為接種有自航天器表面分離的芽孢桿菌孢子的鋁合金。其中10 MeV的高能電子達到了數厘米的穿透，使得其表現出一定的穿透滅菌能力；而100 keV的電子能量沉積深度達到數十微米，其尺度與細菌孢子大致相當，從而使得其對表面細菌孢子的殺滅效果極為有效。此外，研究發現不同能級對10 MeV的高能電子束對短小芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌的D值分別為2.12 kGy、4.11 kGy和2.05 kGy。100 keV的低能電子束的對應D值則分別為1.34 kGy、3.46 kGy和1.01 kGy。Newcombe等[27]測試了不同波長范圍的紫外線輻射對芽孢桿菌的滅菌效果。通過比較不同波長范圍的輻射滅菌效果，得出在254 nm波長處具有最高的效率。值得注意的是，實驗中采自火星奧德賽號、國際空間站及航天器組裝車間的共計43個芽孢桿菌菌株中，有19株芽孢桿菌表現出高于標準菌株的耐受性。因此，針對不同的滅菌任務要求、潛在的菌種輻射抗性而進行一系列滅菌效力實驗，是輻射滅菌技術應用中的重要工作。

另外，輻射滅菌的一大應用前景在于利用探測星體的自身輻射實現生物負荷的降低。針對這一特點，Schuerger等[28]搭建了火星環境模擬腔以測試火星大氣環境下紫外線對材料表面微生物的殺滅效率。在對氣體成分、溫度、紫外線強度等變量進行綜合考量后，得出在晴朗的火星天氣環境下，火星紫外線可在幾十秒到幾分鐘內殺滅材料表面99.9%以上的菌群。除火星的強紫外輻射環境外，NASA也在積極探討木星遠高于地球同步軌道的強輻射環境是否可以應用于歐羅巴探測任務的行星保護滅菌體系中[29]。

輻射滅菌技術在之前的行星保護探測中應用較少，而在NASA和ESA的現階段行星保護技術發展路線中也未得到足夠重視，同時還需要確定其與各種類型的材料和硬件幾何形狀的兼容性。

2.5 超臨界二氧化碳

二氧化碳的超臨界態指一定溫度下的二氧化碳在臨界壓力下表現出的一種同時具有液態密度和氣態粘度的高擴散性狀態，具有極強的溶解能力，這使得其在食品醫藥行業和精密光學儀器清潔作業得到了一定的應用。而在行星保護領域，超臨界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide，sCO2)的高擴散性和高溶解性使其可以更好地深入到具有復雜結構的裝配體縫隙深處，因而在清潔航天器表面有機物附著和降低航天器生物負荷方面具有相當的應用潛力。

NASA lin等[29]于2010年開發出一套sCO2系統(圖3)，用于航天器材料表面有機污染物及芽孢的去除。結果表明，sCO2對鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)和有機硅等疏水性污染物的清潔度達到0.01 μg/cm2以下，達到了NASA許可的與外星樣品直接接觸的標準，但樣品表面殘留孢子數量并無顯著減少。由于單純sCO2處理的微生物殺滅效率并不理想，學界主要通過在sCO2中摻雜微量化學滅菌劑的方法來提高其滅菌效力。Meyer等[30]在sCO2中摻雜300 mg/L的過氧化氫，實現了對膠原膜和海綿材料內萎縮芽孢桿菌的有效殺滅，使材料的SAL達到10-6。同時，在對膠原膜和海綿材料的拉伸強度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸組成等理化性質及結構特征進行比較后，得出sCO2未對材料產生負面影響的結論。盡管缺乏sCO2對航天材料的性能影響數據，但前述相對脆弱的生物高分子材料在經過sCO2處理后未表現出明顯結構和功能失效的結果，可能預示著sCO2滅菌技術的優良材料兼容性。

圖3 NASA開發的sCO2系統示意圖[30]Fig.3 Schematic diagram of sCO2 system developed by NASA[30]

目前，sCO2滅菌技術在行星保護領域的應用仍處在探索階段，雖然其必須添加化學滅菌劑才能實現較好的殺菌效力，且受高壓腔體大小限制，sCO2技術尚無法應用于大型部件的清潔和滅菌，但對有機物的高效溶解清潔能力使得在去除航天器表面有機物污染，避免地外生命探測活動中出現地外有機物誤陽性等方面可能具有重要應用前景，可作為滅菌技術的輔助補足技術。

2.6 低溫等離子體滅菌

低溫等離子體又稱非平衡態等離子體，特征在于具有很高的電子溫度同時，體系保持在低溫狀態。一般認為，低溫等離子體的滅菌能力主要歸結為以臭氧、氮氧化物為代表的氧化活性物質、激發產生的紫外線和離子成分。由于低溫等離子體滅菌技術相對復雜的途徑，使其具有了通過結合使用不同種類工作氣體、利用不同滅菌機制完成滅菌，并避免微生物產生耐受性的優點。目前，低溫等離子體滅菌技術在醫療器械滅菌領域已有相當成熟的應用[31]，而其在行星保護領域的應用，也在積極探索之中。

低溫等離子體獲得方式有介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge，DBD)、大氣壓等離子體射流(Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ)等多種類型。DBD技術的特征在于通過在電極之間插入絕緣介質實現電荷在介質表面的均勻積累，避免了電極之間的直接放電，從而使得放電更加均勻。該種放電方式的等離子體產生于兩電極之間，電極間距受加載的工作電壓和所用的氣體類型的影響，在幾毫米到幾厘米之間變化。Cooper等[32]驗證了DBD低溫等離子體對嗜熱鏈球菌這一極端微生物的殺滅效果。干燥樣本在低溫等離子體下直接暴露30 min后CFU降低了6個數量級，而潤濕樣本在15 s內便降低了4個數量級，有力驗證了低溫等離子體的滅菌效力。除直接暴露在等離子體作用下之外，DBD低溫等離子體還存在擴散暴露這一非直接接觸模式。Shimizu等[33]測試了非直接暴露模式、空氣介質下表面微放電對萎縮芽孢桿菌、安全芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、放射球菌、大腸桿菌的殺滅效果，在經過30 min間接暴露后，放線菌和萎縮芽孢桿菌數量降低了3個數量級。此外，該研究還將擴散腔內不同位置劃分樣方并測試了各樣方的孢子殺滅效果，發現無明顯差異，表明擴散腔內各處殺滅效果較均一。

由于DBD技術具有相對靈活的設計特征，其滅菌應用也形式多樣。Schwabedissen等[34]通過在密封包裝內設置第三電極的方式實現對密封包裝內部消毒。密封包裝內的普通環境氣體在DBD下激發出H2O2, HNO3, HNO2, N2O4和N2O5等氧化活性物質，并在10 min內對106CFU的枯草芽孢桿菌實現了4個數量級的滅菌效果。Patil等[35]對放置于密封聚丙烯容器中的萎縮芽孢桿菌孢子條滅菌處理，60 s內即實現了6個數量級的孢子滅活；并對包裝內封裝不同種類氣體以及不同相對濕度情況下進行實驗，得出氣體種類及相對濕度對殺傷效力均具有較大的影響。

APPJ最早由Schutze等[36]提出，主要結構為外層金屬管電極和內部針狀電極。該技術特征在于APPJ的氣流可將等離子體射出管腔形成射流，實現放電區域與等離子體區域分離，且形成的等離子體射流溫度低，可與機體直接接觸，因此在醫學領域具有一定應用。APPJ發生裝置體積小的特點使其在應用中具有很強的靈活性，例如，Weltmann等[37]構建了移動式APPJ裝置，并用其處理了用于微創心內電生理研究的狹縫導管，將總處理時間根據處理面積和裝置移動速度進行等效后，發現該裝置可在16 s內將狹縫內的金黃色葡萄球菌降低3個數量級，使用靈活的同時，還具有優秀的滲透滅菌能力。Lee等[38]構建了由2組外電極和1個懸浮式內電極構成的微型三電極式等離子體射流裝置。Larousi等[39]構建了直徑2.5 cm、長12 cm的等離子體滅菌筆。

在具有良好滅菌效力和多樣化的應用方式外，不能忽視的是低溫等離子體滅菌這一復雜過程對材料性能的影響。Prysiazhnyi等[40]研究了APPJ處理對鋁片的影響，發現鋁材經過處理后表面自由能增加到72.6 mJ/m2，表明材料表面的極性有所增加，但處理結束后其自由能又呈逐漸降低的趨勢；處理后鋁材水接觸角減小，表明等離子體處理可能造成鋁材潤濕性提高。紅外光譜測試表明經過等離子體處理后，材料表面碳氫化合物污染程度降低，但伴隨有OH基團的產生和氧化程度的加劇。鋁板的表面形貌在經過Ar等離子處理后變得多孔，而Ar/O2混合等離子處理組孔隙率增加較小，推測可能與氧化機制有關。Shimizu等[33]在等離子體滅菌處理前在鋁質樣品表面滴加6 μL水后，觀測到水滴附近出現擴散型點狀腐蝕痕跡，推測可能為空氣經過等離子體激發后產生的氮氧自由基與水反應產生硝酸對氧化鋁的腐蝕所致。但值得注意的是，在一項受NASA小企業創新研究計劃(SBIR)支持的民間行星保護技術研究中，研究人員使用APPJ裝置處理處于工作狀態的可編輯集成電路(圖4)，包括現場可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和同步動態隨機存取內存(Synchronous Dynamic Random-access Memory，SDRAM)后，結果顯示FPGA和SDRAM在等離子體處理過程中工作狀態未受影響，始終維持于正常狀態[41]。

圖4 APPJ處理運行中的集成電路[41]Fig.4 APPJ treats integrated circuits in operation[41]

目前，低溫等離子體滅菌技術在行星保護領域尚未得到應用認證[24]，但其相關基礎研究已有較大進展。通過上述研究可以看出，低溫等離子體滅菌技術可靈活滅菌多類包裝形式下的物品，具有較為優秀的材料兼容性，甚至可能用于處理運行中的電子設備；同時，整體裝置易于小型化的特點使其可靈活運用于狹小空間、復雜環境的滅菌操作中，具有極大降低行星保護任務復雜程度的潛力。因此，低溫等離子體滅菌技術在行星保護領域具有極為廣闊的應用前景。

3 輔助技術

在發展用于行星保護的微生物殺滅技術同時，可針對不同任務特征選取合適的輔助技術手段輔助滅菌，例如可通過較為溫和的物理手段在滅菌前處理材料表面，降低材料表面細菌密度，從而降低嚴苛的滅菌處理時間，避免材料的性能損失。此外，對于具有較高潔凈度要求的滅菌車間，同樣需要進行一定的預處理，以防止零部件進樣對潔凈間的污染。目前NASA主要采取多種有機溶劑擦拭后紫外照射和烘干的方式進行初步清潔[42]。在此基礎上，簡要介紹另外幾種潛在的滅菌前后輔助技術。

3.1 干冰清潔預處理

干冰清潔主要基于熱學和機械兩方面，其熱學原理為當特定尺寸的干冰顆粒在一定流速下作用于材料表面時，材料熱量向干冰顆粒的傳導引起材料表面溫度下降，材料表面附著的雜質隨之失去彈性、收縮、變脆并破裂。隨后，干冰及氣流的動能帶動脫落的雜質隨反射氣流脫離材料表面。干冰清潔的機械原理為干冰顆粒與材料表面的相互碰撞以及干冰顆粒的彼此碰撞導致的升華而引起巨大的體積變化，氣體在雜質與材料表面的粘附層之下形成一道氣墊并將其剝離[43]。

根據所用干冰顆粒大小和氣流速度的不同，干冰清潔目前在汽車工業的除漆操作、各類精密儀器的清潔處理，甚至一些如天文光學器件等高度精密儀器的清潔作業中均有研究和應用[44-46]，為其在行星保護中的應用提供了一定的支撐。

干冰清潔不僅具有較好的材料兼容性，還對材料表面附著的微生物具有一定的清潔能力。Witte等[47]比較了干冰清潔技術對陶瓷、金屬、高分子聚合物等多種材料表面大腸桿菌的清潔效果，結果顯示清潔效果主要受干冰用量、氣體壓力和材料種類的影響。Purohit等[48]使用干冰清潔技術處理不銹鋼表面的傷寒沙門氏菌和李斯特菌，發現7 s處理可將2種菌的數量降低3個數量級。Millar[49]關于干冰清潔機技術報告中測試其對多種食品級材料表面沙門氏菌、大腸桿菌和李斯特菌的清潔效果，顯示對多種不銹鋼表面沙門氏菌的清潔效果均達到了4個數量級，其中對表面光潔的不銹鋼清潔效果可達5個數量級。

因此，在行星保護應用中，可以選擇干冰清潔作為污染程度較高的大面積平面零部件的前期清潔工藝，但在應用時需嚴格選取合適的干冰粒徑和氣流速度以免磨損材料表面。

3.2 超聲清潔預處理

隨著超聲波清洗理論研究的不斷深入和明晰，超聲清潔技術在工業中有著越來越成熟的應用。超聲波的高頻機械振動使得液體清洗介質產生接近真空的空泡，通過空化作用完成對材料表面的清洗。空化作用會在固體和液體界面處產生高速的微射流，達到破壞附著物、加速溶解的去污目的。超聲清潔可以很好地清潔深孔和復雜幾何形狀的物體，廣泛應用于精密器械的清潔作業中，具有相對良好的材料兼容性。

由于空泡在收縮崩潰時可產生5000 ℃高溫及50 MPa高壓，因而超聲清潔對細菌具有一定的致死性，但整體殺滅效率較低，因而更多地作為一種清潔技術而非嚴格的滅菌技術。因此，超聲清潔也是一種極具潛力的行星保護微生物消殺前期清潔預處理工藝，尤其是對污染程度較高的復雜幾何形狀零部件進行前期清潔處理，具有明顯的優勢。

3.3 敏感器件封裝處理

1969年，COSPAR計算了人類地外探索活動對目標天體的污染概率，認為在航天器表面的微生物，其釋放到目標天體的概率為1，在緊固組合部件之間的微生物釋放概率為2×10-3，而包埋在組件內部的微生物釋放到目標天體的概率僅為1×10-4[50]。鑒于此，可針對航天器內部敏感器件進行封裝處理，對于在滅菌工藝材料兼容性評估中被認為存在較大性能和功能風險的敏感材料和元器件，可以對其采取一定的保守滅菌處理后，使用滅菌工藝可兼容的材料進行封裝。事實上，隨著航天器信息處理載荷對性能要求的不斷提高，以及對深空探測衛星及微小衛星等越來越高的小型化、輕質化要求，灌封、系統級封裝等技術已經被越來愈多地應用在航天領域，并在未來航天產品中起到越來越重要的作用，極大提升航天產品精密部件的絕緣、防震，抵抗各種復雜、惡劣的地理、氣候、空間輻照、高低溫等的防護性能[51]。因此，可從航天任務的規劃伊始，便將與消殺工藝兼容的封裝處理方法納入行星保護整體考量，對敏感材料和元器件進行不影響本身性能和功能的封裝處理后，采用消殺技術對封裝系統整體進行表面處理，以符合行星保護的要求。

3.4 無菌包裝、傳遞與貯存

在滅菌過程中，待滅菌物品的包裝是一個相當重要的環節，其主要用于避免物品經過滅菌后在存放和傳遞過程中受到細菌的再次污染，從而使其在打開包裝使用時都能夠保持無菌狀態。

NASA和ESA的行星保護文件中并未對行星保護消殺體系中的無菌包裝形式具體描述，但來自NASA JPL的研究人員于2006年和2008年所開展的消殺技術測試中，均使用了Tyvek/Mylar滅菌袋包裝樣品[13-14](圖5)。Tyvek/Mylar滅菌袋由杜邦公司生產的Tyvek無紡布和聚脂薄膜熱封而成，是一種常用的醫用滅菌袋，具有透氣隔菌的特性，且兼容環氧乙烷、伽馬射線、電子束、蒸汽、VHP及低溫等離子體等多種滅菌工藝，并且在滅菌后仍可維持原本特性。目前醫療衛生行業中所使用的低溫等離子體滅菌器的滅菌流程中普遍使用硬質器械盒、Tyvek/Mylar滅菌袋或其他無紡布等多種形式包裝手術器械，對行星保護消殺應用中的無菌包裝具有極大的參考價值。

圖5 使用Tyvek/Mylar滅菌袋包裝的樣品[13]Fig.5 Samples packed in Tyvek/Mylar sterile bags[13]

在完成零部件的無菌包裝和消殺處理后，還應采取適當的傳遞與貯存措施，以保證滅菌后的零部件保持無菌狀態。ESA在行星保護任務中使用手套箱傳遞滅菌后的零部件，并且在ECSS-Q-ST-70-53C《消殺過程中的材料與硬件兼容性測試》中對進行兼容性檢測的樣品保存環境提出了要求。NASA對海盜號探測器的污染防控中搭建了專門的生物屏蔽室，通過持續的熱封吹掃和內外壓力梯度保持了良好的清潔程度[11]。目前，醫療器械生產、醫院感染控制及消毒供應中心等領域均已建立了完善的污染控制體系，通過合理劃分不同功能區域，并建立嚴格的氣壓梯度和人員流動規章，實現醫療器械和物資的無菌管理。這些在當今醫療衛生行業成熟的相關經驗技術，對我國行星保護消殺應用中部件無菌傳遞與貯存流程的建立也具有重要借鑒作用。

4 中國行星保護微生物消殺技術體系的思考

歐美等國經過幾十年的行星保護實踐，已經發展出一套較為完善的行星保護體系規范，特別是在減少航天器微生物載荷方面，要求在航天器生產、運輸和發射等過程中均采取嚴格的微生物消殺措施，并出臺了相應的技術規范文件。而在體系規范的建立和執行過程中出現的一些問題以及由此而來的經驗教訓，對中國的行星保護事業建設具有重要的參考意義。NASA和ESA在總結前期行星保護成果上，達成了行星保護需要從任務伊始便納入總體設計的共識。例如，ESA在對Beagle 2任務失敗的后期研討中指出，Beagle 2項目的早期設計決策出現的遺漏導致無菌裝配任務的復雜性增加[24, 52]。NASA對海盜號任務的回顧總結中，盡管項目仔細地選取耐消毒的零件和材料，但某些粘合劑、潤滑劑等組件在最終滅菌后仍無法保持完整性，極大地增加了行星保護工作量，因此得出滿足行星保護要求的系統工程需要在設計過程中盡早實施的建議[53]。

有鑒于此，對中國行星保護微生物消殺技術體系建立提出如下思考：

1)應在航天器早期設計環節及早加入對行星保護滅菌要求的考量，將行星保護要求作為航天器設計要求之一，對于降低行星保護成本、提高行星保護完成水平、保障任務成功，具有重要的現實指導意義。

2)行星保護微生物消殺技術體系的建立，不僅包括對現有滅菌技術實際滅菌效果的檢測及應用參數的確定，還應包含滅菌技術與航天器所用材料兼容性的測試記錄工作。由于沒有任何一種滅菌技術可以適用于所有的材料，所以應針對航天器所用材料的自身特性選取對應滅菌技術，或根據滅菌要求而在設計環節選取對應材料。

3)建立完整的行星保護微生物消殺技術體系，不僅應在航天器全生命周期各階段研究和采取有針對性的生物載荷防控和消殺措施，在針對航天器各部件以及系統整體的具體消殺防控措施中，也應考慮全面、全過程管理。在考慮材料性能和部件功能基礎上選擇適宜的消殺技術，隨后基于核心消殺手段，設計和執行系統完整的微生物消殺措施。首先深空探測器部件需采取清潔預處理，有效降低有機物污染并減輕后續消殺負擔；隨后采取核心消殺手段；其次所有過程包括不同操作之間的傳遞應在符合行星保護微生物控制等級要求的潔凈環境中進行，相關操作流程、人員以及器件工具等均有相應的規范管理；最后經過消殺處理的部件，特別是著陸器、采樣器等關鍵整機或設備還應采取嚴格的無菌、防污染包裝(如生物防護罩等)，確保部件及系統在總裝、集成和測試階段以及發射前所攜帶的微生物總量符合行星保護要求。

4)在建立中國行星保護微生物消殺技術體系的過程中，可在借鑒他國已有成功經驗的基礎上，更多地利用醫療衛生等行業發展成熟的微生物消殺技術及污染控制體系現有技術手段，實現穩中求進，快速發展。

5 結語

本文通過深入挖掘歐美各國行星保護技術經驗，分別介紹了干熱滅菌、氣相過氧化氫、環氧乙烷、輻射、超臨界二氧化碳以及低溫等離子體等多種滅菌技術以及與滅菌過程相關的前期預處理、敏感器件封裝處理和無菌包裝、傳遞與貯存等輔助技術，在此基礎上提出建立中國行星保護微生物消殺技術體系的思考，以期為中國開展行星保護工作提供參考和借鑒。