用于行星保护的微生物消杀技术分析

徐子昂，谢倍珍*，刘 红

(1.北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京 100191;2.北京航空航天大学环境生物学与生命保障技术研究所，北京 100191)

1 引言

随着人类对外太空认识的不断加深以及在外太空活动的日益频繁，外层空间环境也因此发生着不可避免、无法挽回的变化。这种变化不仅可能给外太空行星地质以及地外生物包括生命起源等的研究带来误差，严重的甚至可能威胁地球环境和人类。行星保护概念的提出，旨在约束人类探索外太空的行为，应尽可能避免对外层空间的潜在负面影响，特别是生物污染，同时还应确保地球免受来自星际飞船返回地球的外太空物质所带来的潜在危险[1]。目前，国际科学理事会空间研究委员会(Committee on Space Research，COSPAR)受联合国委托，负责制定和颁布行星保护政策，作为各国航天机构制定本国和地区行星保护政策和规范的依据。欧美等国已开展并严格实施行星保护工作五十余年，且仍在进一步研究和提升行星保护技术水平。与之相比，中国行星保护技术研究尚处于起步阶段。随着深空探测事业的不断发展以及中国火星探测任务的实施，发展中国的深空探测行星保护技术体系成为了履行行星保护国际公约的迫切需求。

在COSPAR明确划分行星保护任务类别和各类别任务的行星保护要求[2]后，各航天大国及组织根据航天器全生命周期各阶段研究相应的防控技术。在生产、运输和发射等过程中均需采取严格的微生物消杀措施，减少航天器生物载荷，防止活的、可生长发育的地球有机物被带到地外环境，这是行星保护技术具体实施的核心内容之一。干热灭菌是最早被应用于行星保护的微生物消杀方法[3]，但其可能会对航天器硬件载荷造成不可挽回的损害，进而影响探测任务的实施[4]。因此，不断开发和发展不影响航天器材料性能以及各部件乃至系统整体功能的微生物消杀技术及其辅助技术，形成完善的航天器微生物消杀技术体系，以满足不同深空探测任务的行星保护需求，是目前行星保护技术发展的重要方向。

本文对目前行星保护中所采用的以及具备潜在应用前景的微生物消杀技术及可能的辅助技术进行简介，对其研究现状及实际应用中可能出现的问题及解决方法进行系统综述分析，在此基础上，对中国行星保护微生物消杀技术体系提出思考和建议。

2 微生物消杀技术

2.1 干热灭菌

干热灭菌(Dry Heat Microbial Reduction，DHMR)技术主要通过高温氧化细胞成分，破坏细胞膜结构使内容物流出、破坏微生物酶结构及核酸结构达到杀灭微生物的目的。作为目前美国NASA和欧洲ESA认证通过的仅有的2种行星保护航天器预发射灭菌技术之一，干热灭菌是唯一经过认证的穿透性灭菌技术和参数化灭菌技术。ESA和NASA分别公布了ECSS-Q-ST-70-57c和NPR 8020.12D规范文件，对应用于行星保护的干热灭菌技术流程提出了完整的规范性要求。

20世纪70年代初，美国海盗计划率先采用DHMR来减少航天器表面和总体的生物负荷。该行星保护项目中多数成本都用于验证航天器所采用的电子元件及其他各类组件在110～125 ℃之间的兼容性[3]。在随后的美国航天任务中，干热灭菌一直作为行星保护的金标准而存在。DHMR与其他灭菌技术的最大区别在于，它不仅是一种表面灭菌技术，同时也是一种体灭菌技术，在系统层面完整使用DHMR可实现整体的高无菌保证水平(Sterility Safe Level，SAL)。海盗号是为数不多在系统层面完整应用DHMR的任务之一，而其后的多数任务仅在组件层级应用DHMR。为满足欧罗巴木卫二探测器的行星保护需求，NASA正考虑对肯尼迪航天中心的设施进行改造，以通过在系统层级应用DHMR来减少欧罗巴探测器的生物负荷[5]。

图1 115 ℃和170 ℃下不同湿度条件对孢子死亡速率的影响[6]Fig.1 Effects of different humidity conditions at 115 ℃ and 170 ℃ on the death rate of spores [6]

在已多次成功应用于航天任务的基础上，NASA仍对DHMR技术进行了进一步的深入研究。Kempf等[6]测定了在常规室内环境湿度(36%～66%相对湿度)条件下，温度高于125 ℃时，萎缩芽孢杆菌(ATCC 9372)孢子的存活率，以确定DHMR的功效是否超出当前规范文件所批准的温度(104～125 ℃)和湿度(相对湿度<25%)规格。实验中将孢子沉积在薄的不锈钢热孢子暴露容器内，并在干燥环境或常规室内环境湿度条件下进行115～170 ℃加热，计算不同温度下的孢子死亡率。结果显示在115 ℃和125 ℃时，作为对照的干燥组死亡速率比环境湿度实验组的死亡速率更大；135 ℃时，对照组和实验组的死亡速率无明显统计学差异；而在150 ℃和170 ℃下，实验组的死亡速率略大于对照组的死亡速率(图1)。该研究为NASA扩宽干热灭菌法采用的湿度控制范围提供了依据，但在名义上仍以DHMR命名该系列灭菌方式。此外，考虑到潜在的极端耐热菌株芽孢的存在可能导致干热灭菌技术的参数放行失效问题，Schubert等[7]在DHMR技术规范的基础上，验证了航天器装配车间内所提取的一株极端嗜热芽孢杆菌菌株ATCC 29669与作为生物指示剂的标准萎缩芽孢杆菌菌株ATCC 9372的环境耐受性差异，其中ATCC 29669的十倍致死时间(Decimal reduction time，D值)在各种灭菌参数条件下均比ATCC 9372的D值大20到50倍；进而提出了干热灭菌技术进一步强化规范的建议。

DHMR在行星保护中的适用性还体现在部分航天器硬件的生产特点中。许多航天器硬件在制造过程(材料成型及性能测试)中可暴露于300 ℃以上的高温中。因此，可认为其制造过程也是较为彻底的消杀过程，进而将该类组件的行星保护灭菌工作量降低至总装时的表面灭菌即可[4]。另一方面，也提示自航天器组件设计加工阶段，就将各类硬件生产检测工艺过程纳入到行星保护环节，对其生物污染防控进行规范化处理，可在系统层面上极大减轻微生物消杀工作量。

然而，DHMR除上述技术特征及优点外，还具有难以避免的局限性。其缺点集中于航天器中广泛应用的热敏感部件与DHMR的不兼容。塑料封装及导电环氧树脂粘胶等一系列现代航天器电子设备设计特征使得干热灭菌的应用存在较高风险；对该类组件或设备使用干热灭菌潜在风险是带来的功能失效可能具有相当地时滞性[4]。此外，部分仪器设备和结构部件有着极为严格的精密度要求，例如，机械系统的配合可能会因组件(如螺栓、垫片、密封结构等)中材料种类的差异而存在热膨胀系数不匹配问题，进而影响装配或影响设备正常工作[8]。评估这些配合结构在DHMR处理后的可靠性，并在组件的设计环节开始考虑不匹配的影响是将风险降至最低的必要步骤。

因此，干热灭菌技术虽是目前应用最为成熟的行星保护灭菌技术，但仍存在处理工艺复杂、成本高昂、材料兼容性不佳的问题，特别是在当前航天器大量使用各种功能涂层材料以及精密电子仪器等敏感部件的情况下，干热灭菌技术的应用将严重受限，急需其他灭菌方式对不兼容部件的灭菌进行补足。

2.2 气相过氧化氢灭菌

气相过氧化氢(Vapor-phase Hydrogen Peroxide，VHP)通过羟基自由基和活性氧成分破坏膜蛋白、膜脂质和核酸成分，对真菌、细菌、原生动物的营养细胞和孢子具有广谱杀灭效果[9]。VHP灭菌技术在医疗领域的应用已相当完善，广泛用于药物生产、医疗器械生产、医院污染控制等方面[10]，同时被认为是其他气相化学灭菌剂(例如环氧乙烷)的安全替代品[11]。在具有极强氧化灭菌性能的同时，完全分解后仅生成水和氧气的特性使其不会对设备造成二次污染，目前已成为NASA和ESA认证的新一代航天器消杀技术[12]，ESA已在ECSS-Q-ST-70-56C《气相法降低航天器硬件生物载荷》中明确提出了规范要求。

VHP方法的优点包括有效的微生物减少功能，可以在小腔室中使用，也可以按比例放大到整个房间，从而极大方便了大面积表面和复杂几何形状的应用。VHP技术在行星保护中的应用可分为真空腔环境下以及常压大气环境下2种形式。真空腔内VHP灭菌流程主要包括：①腔体抽真空；②注入过氧化氢；③扩散阶段；④压力校正；⑤通风。但在实际运用过程中，由于真空条件限制，常压VHP灭菌工艺仍然是目前应用的主流。常压VHP灭菌工艺大致分为以下环节[13]：①腔体干燥阶段；②注气调控阶段；③灭菌阶段；④排气阶段。常压VHP灭菌工艺对于组件级和系统级终端灭菌处理均有较好的适用性。

在用于行星保护的VHP灭菌工艺流程参数建立过程中，研究人员对VHP的浓度时间分布及灭菌效果进行检测。来自NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Chung等[14]于2008年将VHP的浓度对时间的积分Ct作为量化灭菌过程中材料实际暴露情况的参数，讨论了VHP浓度、温度、相对湿度、基底材料对灭菌效力的影响。VHP对时间积分Ct与芽孢生存分数N/N0的线性拟合程度较好(图2)，而环境温度和气体环境的相对湿度对灭菌效果也均有一定程度的影响。各类影响因素中，尤以不同基底材料所引起的灭菌效果差异最大。该研究采用了不锈钢、铝合金(6061)、聚酰亚胺胶带、石墨烯、一种白色航天用涂料(Aptek 2711)及一种黑色航天用涂料(Z306)作为测试用基底材料。其中，除白色涂料(Aptek 2711)之外的其余各组基底材料D值接近，而白色涂料(Aptek 2711)组基底材料D值比其余各组高出近一个数量级。推测白色涂料(Aptek 2711)组表面芽孢的高生存分数可能源于材料表面较高的粗糙度以及孔洞结构引起的材料对芽孢的保护作用以及材料成分导致的过氧化氢过早降解。Malik等[15]测试了10～90 ppm范围内的VHP对枯草芽孢杆菌杀灭效果，并通过Weibull模型合理预测了10～4000 ppm范围内的VHP的D值。Simard等[16]测试了VHP-臭氧联合灭菌器对具有复杂管腔结构的十二指肠内窥镜的灭菌效果，最终SAL达到了10-6。

图2 浓度时间积分Ct 与孢子存活率函数关系[14]Fig.2 Relationship between integration of concentration and time Ct with spore survival rate[14]

针对VHP灭菌技术的材料兼容性，NASA JPL实验室内部报告显示，其于2011年前对逾100种航天材料进行了6个数量级的VHP灭菌实验中，多数材料性质变化极小或几乎未发生变化，但仍有部分材料某些性质变化率达到15%。对此，NASA认为材料的性质变化并不影响其特定的工程应用，同时VHP灭菌所产生的影响可通过硬件设计生产环节进行提前考量加以解决[17]。Gale等[18]于2009年就VHP对材料微观结构的影响、材料拉伸性能和耐腐蚀性的影响进行研究。结果表明VHP对2024型铝材、7075型铝材和304奥氏体不锈钢的微观结构影响幅度相对较小，且仅限于暴露表面周边区域，同时所检测的3种合金的拉伸性能及暴露区域对耐腐蚀性也无较大影响。Chou等[19]指出，在对飞行器常用结构材料，包括碳纤维/环氧树脂(CF/E)复合材料和碳纤维/玻璃纤维/环氧树脂(CF/GF-E)复合材料及其他无涂层结构进行VHP灭菌及检测后，各结构的化学性能或机械性能无明显变化。

除去达到行星保护规范的灭菌效力和良好的材料兼容性之外，VHP灭菌技术的另一优势在于其远高于干热灭菌技术的使用灵活性，使其具有很好的原位利用潜力。Stott等[20]在研究VHP参数对灭菌效果影响的基础上，研究了一种可扩展模块化灭菌箱体，用于在洁净室或发射台硬件装配集成处的现场灭菌。发展过氧化氢现场灭菌技术，并将其与无菌装配技术结合应用，可极大程度降低行星保护成本，减少行星保护需求对组装、测试、发射全流程的时间影响。

尽管被认为是降低表面微生物领域最具希望的替代技术，但过氧化氢本身的强氧化性同样具有一定的长期风险，而使其应用受限。鉴于此，虽然ESA和NASA已经对过氧化氢灭菌技术进行了相当的材料相容性研究，但仍在统筹考量DHMR和VHP两者的特点，并从系统工程角度将材料的可替代性和组件的装配特性等纳入考虑[11]。

2.3 环氧乙烷

环氧乙烷通过与蛋白质中多种化学键的烷基化反应破坏蛋白质结构达到灭菌作用，是一种极为活泼的广谱灭菌剂，广泛应用于医疗器械灭菌领域。然而由于环氧乙烷的易燃性及高致癌风险，其在航天器材料表面灭菌的应用相对较少。环氧乙烷曾被NASA用于徘徊者系列运载火箭的终端表面灭菌，但也被认为其运用与发射任务失败有关[21]。

环氧乙烷具有和过氧化氢不同的材料/工艺兼容性[22]，通过比较分析环氧乙烷与过氧化氢的兼容性差异，可以更好地完善行星保护中的灭菌技术体系。NASA戈达德空间飞行中心(Goddard Space Flight Center，GSFC)正在考虑将这项技术用于多个天文任务，包括与ESA合作的ExoMars任务[4]。

2.4 辐射灭菌技术

辐射灭菌包括电离辐射和紫外辐射灭菌等。电离辐射如γ射线灭菌技术通常是以放射性同位素钴-60为放射源，其产生的高能γ射线使微生物中的蛋白质、DNA等物质失活，从而达到灭菌目的。随着大功率辐射源技术的发展，电离辐射灭菌已在医学和食品工业等行业中有了极为成熟的应用[23]。而单纯的紫外辐射杀菌是通过254 nm左右(属于C波段短波紫外线，Ultraviolet C Irradiation，UVC波段)的紫外线照射，破坏及改变微生物的DNA结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，从而达到杀菌目的。

辐射灭菌技术在行星保护领域应用不多，最为知名的应用案例为欧洲Beagle 2火星着陆器的降落伞辐射灭菌。尽管DHMR已用于其他火星着陆器的降落伞，但Beagle 2火星着陆器降落伞的材料不耐高温，因此选择γ射线电离辐射灭菌工艺作为替代，但其加速了材料的老化[24]。

虽然可能存在材料兼容性问题，辐射灭菌技术的灭菌水平表现相对良好。Pilai等[25]使用30 kGy电子束辐射可以在铝(Ti/Al合金)试样上对各类型芽孢杆菌孢子实现6个数量级的杀灭，同时根据芽孢杆菌菌株孢子的类型，20 kGy和40 kGy之间的剂量足以使孢子数减少12个数量级以上。Urgiles等[26]使用10 MeV源和100 keV源分别进行灭菌实验，实验试样为接种有自航天器表面分离的芽孢杆菌孢子的铝合金。其中10 MeV的高能电子达到了数厘米的穿透，使得其表现出一定的穿透灭菌能力；而100 keV的电子能量沉积深度达到数十微米，其尺度与细菌孢子大致相当，从而使得其对表面细菌孢子的杀灭效果极为有效。此外，研究发现不同能级对10 MeV的高能电子束对短小芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的D值分别为2.12 kGy、4.11 kGy和2.05 kGy。100 keV的低能电子束的对应D值则分别为1.34 kGy、3.46 kGy和1.01 kGy。Newcombe等[27]测试了不同波长范围的紫外线辐射对芽孢杆菌的灭菌效果。通过比较不同波长范围的辐射灭菌效果，得出在254 nm波长处具有最高的效率。值得注意的是，实验中采自火星奥德赛号、国际空间站及航天器组装车间的共计43个芽孢杆菌菌株中，有19株芽孢杆菌表现出高于标准菌株的耐受性。因此，针对不同的灭菌任务要求、潜在的菌种辐射抗性而进行一系列灭菌效力实验，是辐射灭菌技术应用中的重要工作。

另外，辐射灭菌的一大应用前景在于利用探测星体的自身辐射实现生物负荷的降低。针对这一特点，Schuerger等[28]搭建了火星环境模拟腔以测试火星大气环境下紫外线对材料表面微生物的杀灭效率。在对气体成分、温度、紫外线强度等变量进行综合考量后，得出在晴朗的火星天气环境下，火星紫外线可在几十秒到几分钟内杀灭材料表面99.9%以上的菌群。除火星的强紫外辐射环境外，NASA也在积极探讨木星远高于地球同步轨道的强辐射环境是否可以应用于欧罗巴探测任务的行星保护灭菌体系中[29]。

辐射灭菌技术在之前的行星保护探测中应用较少，而在NASA和ESA的现阶段行星保护技术发展路线中也未得到足够重视，同时还需要确定其与各种类型的材料和硬件几何形状的兼容性。

2.5 超临界二氧化碳

二氧化碳的超临界态指一定温度下的二氧化碳在临界压力下表现出的一种同时具有液态密度和气态粘度的高扩散性状态，具有极强的溶解能力，这使得其在食品医药行业和精密光学仪器清洁作业得到了一定的应用。而在行星保护领域，超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide，sCO2)的高扩散性和高溶解性使其可以更好地深入到具有复杂结构的装配体缝隙深处，因而在清洁航天器表面有机物附着和降低航天器生物负荷方面具有相当的应用潜力。

NASA lin等[29]于2010年开发出一套sCO2系统(图3)，用于航天器材料表面有机污染物及芽孢的去除。结果表明，sCO2对邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和有机硅等疏水性污染物的清洁度达到0.01 μg/cm2以下，达到了NASA许可的与外星样品直接接触的标准，但样品表面残留孢子数量并无显著减少。由于单纯sCO2处理的微生物杀灭效率并不理想，学界主要通过在sCO2中掺杂微量化学灭菌剂的方法来提高其灭菌效力。Meyer等[30]在sCO2中掺杂300 mg/L的过氧化氢，实现了对胶原膜和海绵材料内萎缩芽孢杆菌的有效杀灭，使材料的SAL达到10-6。同时，在对胶原膜和海绵材料的拉伸强度、抗撕裂能力、溶解性、氨基酸组成等理化性质及结构特征进行比较后，得出sCO2未对材料产生负面影响的结论。尽管缺乏sCO2对航天材料的性能影响数据，但前述相对脆弱的生物高分子材料在经过sCO2处理后未表现出明显结构和功能失效的结果，可能预示着sCO2灭菌技术的优良材料兼容性。

图3 NASA开发的sCO2系统示意图[30]Fig.3 Schematic diagram of sCO2 system developed by NASA[30]

目前，sCO2灭菌技术在行星保护领域的应用仍处在探索阶段，虽然其必须添加化学灭菌剂才能实现较好的杀菌效力，且受高压腔体大小限制，sCO2技术尚无法应用于大型部件的清洁和灭菌，但对有机物的高效溶解清洁能力使得在去除航天器表面有机物污染，避免地外生命探测活动中出现地外有机物误阳性等方面可能具有重要应用前景，可作为灭菌技术的辅助补足技术。

2.6 低温等离子体灭菌

低温等离子体又称非平衡态等离子体，特征在于具有很高的电子温度同时，体系保持在低温状态。一般认为，低温等离子体的灭菌能力主要归结为以臭氧、氮氧化物为代表的氧化活性物质、激发产生的紫外线和离子成分。由于低温等离子体灭菌技术相对复杂的途径，使其具有了通过结合使用不同种类工作气体、利用不同灭菌机制完成灭菌，并避免微生物产生耐受性的优点。目前，低温等离子体灭菌技术在医疗器械灭菌领域已有相当成熟的应用[31]，而其在行星保护领域的应用，也在积极探索之中。

低温等离子体获得方式有介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)、大气压等离子体射流(Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ)等多种类型。DBD技术的特征在于通过在电极之间插入绝缘介质实现电荷在介质表面的均匀积累，避免了电极之间的直接放电，从而使得放电更加均匀。该种放电方式的等离子体产生于两电极之间，电极间距受加载的工作电压和所用的气体类型的影响，在几毫米到几厘米之间变化。Cooper等[32]验证了DBD低温等离子体对嗜热链球菌这一极端微生物的杀灭效果。干燥样本在低温等离子体下直接暴露30 min后CFU降低了6个数量级，而润湿样本在15 s内便降低了4个数量级，有力验证了低温等离子体的灭菌效力。除直接暴露在等离子体作用下之外，DBD低温等离子体还存在扩散暴露这一非直接接触模式。Shimizu等[33]测试了非直接暴露模式、空气介质下表面微放电对萎缩芽孢杆菌、安全芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、放射球菌、大肠杆菌的杀灭效果，在经过30 min间接暴露后，放线菌和萎缩芽孢杆菌数量降低了3个数量级。此外，该研究还将扩散腔内不同位置划分样方并测试了各样方的孢子杀灭效果，发现无明显差异，表明扩散腔内各处杀灭效果较均一。

由于DBD技术具有相对灵活的设计特征，其灭菌应用也形式多样。Schwabedissen等[34]通过在密封包装内设置第三电极的方式实现对密封包装内部消毒。密封包装内的普通环境气体在DBD下激发出H2O2, HNO3, HNO2, N2O4和N2O5等氧化活性物质，并在10 min内对106CFU的枯草芽孢杆菌实现了4个数量级的灭菌效果。Patil等[35]对放置于密封聚丙烯容器中的萎缩芽孢杆菌孢子条灭菌处理，60 s内即实现了6个数量级的孢子灭活；并对包装内封装不同种类气体以及不同相对湿度情况下进行实验，得出气体种类及相对湿度对杀伤效力均具有较大的影响。

APPJ最早由Schutze等[36]提出，主要结构为外层金属管电极和内部针状电极。该技术特征在于APPJ的气流可将等离子体射出管腔形成射流，实现放电区域与等离子体区域分离，且形成的等离子体射流温度低，可与机体直接接触，因此在医学领域具有一定应用。APPJ发生装置体积小的特点使其在应用中具有很强的灵活性，例如，Weltmann等[37]构建了移动式APPJ装置，并用其处理了用于微创心内电生理研究的狭缝导管，将总处理时间根据处理面积和装置移动速度进行等效后，发现该装置可在16 s内将狭缝内的金黄色葡萄球菌降低3个数量级，使用灵活的同时，还具有优秀的渗透灭菌能力。Lee等[38]构建了由2组外电极和1个悬浮式内电极构成的微型三电极式等离子体射流装置。Larousi等[39]构建了直径2.5 cm、长12 cm的等离子体灭菌笔。

在具有良好灭菌效力和多样化的应用方式外，不能忽视的是低温等离子体灭菌这一复杂过程对材料性能的影响。Prysiazhnyi等[40]研究了APPJ处理对铝片的影响，发现铝材经过处理后表面自由能增加到72.6 mJ/m2，表明材料表面的极性有所增加，但处理结束后其自由能又呈逐渐降低的趋势；处理后铝材水接触角减小，表明等离子体处理可能造成铝材润湿性提高。红外光谱测试表明经过等离子体处理后，材料表面碳氢化合物污染程度降低，但伴随有OH基团的产生和氧化程度的加剧。铝板的表面形貌在经过Ar等离子处理后变得多孔，而Ar/O2混合等离子处理组孔隙率增加较小，推测可能与氧化机制有关。Shimizu等[33]在等离子体灭菌处理前在铝质样品表面滴加6 μL水后，观测到水滴附近出现扩散型点状腐蚀痕迹，推测可能为空气经过等离子体激发后产生的氮氧自由基与水反应产生硝酸对氧化铝的腐蚀所致。但值得注意的是，在一项受NASA小企业创新研究计划(SBIR)支持的民间行星保护技术研究中，研究人员使用APPJ装置处理处于工作状态的可编辑集成电路(图4)，包括现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-access Memory，SDRAM)后，结果显示FPGA和SDRAM在等离子体处理过程中工作状态未受影响，始终维持于正常状态[41]。

图4 APPJ处理运行中的集成电路[41]Fig.4 APPJ treats integrated circuits in operation[41]

目前，低温等离子体灭菌技术在行星保护领域尚未得到应用认证[24]，但其相关基础研究已有较大进展。通过上述研究可以看出，低温等离子体灭菌技术可灵活灭菌多类包装形式下的物品，具有较为优秀的材料兼容性，甚至可能用于处理运行中的电子设备；同时，整体装置易于小型化的特点使其可灵活运用于狭小空间、复杂环境的灭菌操作中，具有极大降低行星保护任务复杂程度的潜力。因此，低温等离子体灭菌技术在行星保护领域具有极为广阔的应用前景。

3 辅助技术

在发展用于行星保护的微生物杀灭技术同时，可针对不同任务特征选取合适的辅助技术手段辅助灭菌，例如可通过较为温和的物理手段在灭菌前处理材料表面，降低材料表面细菌密度，从而降低严苛的灭菌处理时间，避免材料的性能损失。此外，对于具有较高洁净度要求的灭菌车间，同样需要进行一定的预处理，以防止零部件进样对洁净间的污染。目前NASA主要采取多种有机溶剂擦拭后紫外照射和烘干的方式进行初步清洁[42]。在此基础上，简要介绍另外几种潜在的灭菌前后辅助技术。

3.1 干冰清洁预处理

干冰清洁主要基于热学和机械两方面，其热学原理为当特定尺寸的干冰颗粒在一定流速下作用于材料表面时，材料热量向干冰颗粒的传导引起材料表面温度下降，材料表面附着的杂质随之失去弹性、收缩、变脆并破裂。随后，干冰及气流的动能带动脱落的杂质随反射气流脱离材料表面。干冰清洁的机械原理为干冰颗粒与材料表面的相互碰撞以及干冰颗粒的彼此碰撞导致的升华而引起巨大的体积变化，气体在杂质与材料表面的粘附层之下形成一道气垫并将其剥离[43]。

根据所用干冰颗粒大小和气流速度的不同，干冰清洁目前在汽车工业的除漆操作、各类精密仪器的清洁处理，甚至一些如天文光学器件等高度精密仪器的清洁作业中均有研究和应用[44-46]，为其在行星保护中的应用提供了一定的支撑。

干冰清洁不仅具有较好的材料兼容性，还对材料表面附着的微生物具有一定的清洁能力。Witte等[47]比较了干冰清洁技术对陶瓷、金属、高分子聚合物等多种材料表面大肠杆菌的清洁效果，结果显示清洁效果主要受干冰用量、气体压力和材料种类的影响。Purohit等[48]使用干冰清洁技术处理不锈钢表面的伤寒沙门氏菌和李斯特菌，发现7 s处理可将2种菌的数量降低3个数量级。Millar[49]关于干冰清洁机技术报告中测试其对多种食品级材料表面沙门氏菌、大肠杆菌和李斯特菌的清洁效果，显示对多种不锈钢表面沙门氏菌的清洁效果均达到了4个数量级，其中对表面光洁的不锈钢清洁效果可达5个数量级。

因此，在行星保护应用中，可以选择干冰清洁作为污染程度较高的大面积平面零部件的前期清洁工艺，但在应用时需严格选取合适的干冰粒径和气流速度以免磨损材料表面。

3.2 超声清洁预处理

随着超声波清洗理论研究的不断深入和明晰，超声清洁技术在工业中有着越来越成熟的应用。超声波的高频机械振动使得液体清洗介质产生接近真空的空泡，通过空化作用完成对材料表面的清洗。空化作用会在固体和液体界面处产生高速的微射流，达到破坏附着物、加速溶解的去污目的。超声清洁可以很好地清洁深孔和复杂几何形状的物体，广泛应用于精密器械的清洁作业中，具有相对良好的材料兼容性。

由于空泡在收缩崩溃时可产生5000 ℃高温及50 MPa高压，因而超声清洁对细菌具有一定的致死性，但整体杀灭效率较低，因而更多地作为一种清洁技术而非严格的灭菌技术。因此，超声清洁也是一种极具潜力的行星保护微生物消杀前期清洁预处理工艺，尤其是对污染程度较高的复杂几何形状零部件进行前期清洁处理，具有明显的优势。

3.3 敏感器件封装处理

1969年，COSPAR计算了人类地外探索活动对目标天体的污染概率，认为在航天器表面的微生物，其释放到目标天体的概率为1，在紧固组合部件之间的微生物释放概率为2×10-3，而包埋在组件内部的微生物释放到目标天体的概率仅为1×10-4[50]。鉴于此，可针对航天器内部敏感器件进行封装处理，对于在灭菌工艺材料兼容性评估中被认为存在较大性能和功能风险的敏感材料和元器件，可以对其采取一定的保守灭菌处理后，使用灭菌工艺可兼容的材料进行封装。事实上，随着航天器信息处理载荷对性能要求的不断提高，以及对深空探测卫星及微小卫星等越来越高的小型化、轻质化要求，灌封、系统级封装等技术已经被越来愈多地应用在航天领域，并在未来航天产品中起到越来越重要的作用，极大提升航天产品精密部件的绝缘、防震，抵抗各种复杂、恶劣的地理、气候、空间辐照、高低温等的防护性能[51]。因此，可从航天任务的规划伊始，便将与消杀工艺兼容的封装处理方法纳入行星保护整体考量，对敏感材料和元器件进行不影响本身性能和功能的封装处理后，采用消杀技术对封装系统整体进行表面处理，以符合行星保护的要求。

3.4 无菌包装、传递与贮存

在灭菌过程中，待灭菌物品的包装是一个相当重要的环节，其主要用于避免物品经过灭菌后在存放和传递过程中受到细菌的再次污染，从而使其在打开包装使用时都能够保持无菌状态。

NASA和ESA的行星保护文件中并未对行星保护消杀体系中的无菌包装形式具体描述，但来自NASA JPL的研究人员于2006年和2008年所开展的消杀技术测试中，均使用了Tyvek/Mylar灭菌袋包装样品[13-14](图5)。Tyvek/Mylar灭菌袋由杜邦公司生产的Tyvek无纺布和聚脂薄膜热封而成，是一种常用的医用灭菌袋，具有透气隔菌的特性，且兼容环氧乙烷、伽马射线、电子束、蒸汽、VHP及低温等离子体等多种灭菌工艺，并且在灭菌后仍可维持原本特性。目前医疗卫生行业中所使用的低温等离子体灭菌器的灭菌流程中普遍使用硬质器械盒、Tyvek/Mylar灭菌袋或其他无纺布等多种形式包装手术器械，对行星保护消杀应用中的无菌包装具有极大的参考价值。

图5 使用Tyvek/Mylar灭菌袋包装的样品[13]Fig.5 Samples packed in Tyvek/Mylar sterile bags[13]

在完成零部件的无菌包装和消杀处理后，还应采取适当的传递与贮存措施，以保证灭菌后的零部件保持无菌状态。ESA在行星保护任务中使用手套箱传递灭菌后的零部件，并且在ECSS-Q-ST-70-53C《消杀过程中的材料与硬件兼容性测试》中对进行兼容性检测的样品保存环境提出了要求。NASA对海盗号探测器的污染防控中搭建了专门的生物屏蔽室，通过持续的热封吹扫和内外压力梯度保持了良好的清洁程度[11]。目前，医疗器械生产、医院感染控制及消毒供应中心等领域均已建立了完善的污染控制体系，通过合理划分不同功能区域，并建立严格的气压梯度和人员流动规章，实现医疗器械和物资的无菌管理。这些在当今医疗卫生行业成熟的相关经验技术，对我国行星保护消杀应用中部件无菌传递与贮存流程的建立也具有重要借鉴作用。

4 中国行星保护微生物消杀技术体系的思考

欧美等国经过几十年的行星保护实践，已经发展出一套较为完善的行星保护体系规范，特别是在减少航天器微生物载荷方面，要求在航天器生产、运输和发射等过程中均采取严格的微生物消杀措施，并出台了相应的技术规范文件。而在体系规范的建立和执行过程中出现的一些问题以及由此而来的经验教训，对中国的行星保护事业建设具有重要的参考意义。NASA和ESA在总结前期行星保护成果上，达成了行星保护需要从任务伊始便纳入总体设计的共识。例如，ESA在对Beagle 2任务失败的后期研讨中指出，Beagle 2项目的早期设计决策出现的遗漏导致无菌装配任务的复杂性增加[24, 52]。NASA对海盗号任务的回顾总结中，尽管项目仔细地选取耐消毒的零件和材料，但某些粘合剂、润滑剂等组件在最终灭菌后仍无法保持完整性，极大地增加了行星保护工作量，因此得出满足行星保护要求的系统工程需要在设计过程中尽早实施的建议[53]。

有鉴于此，对中国行星保护微生物消杀技术体系建立提出如下思考：

1)应在航天器早期设计环节及早加入对行星保护灭菌要求的考量，将行星保护要求作为航天器设计要求之一，对于降低行星保护成本、提高行星保护完成水平、保障任务成功，具有重要的现实指导意义。

2)行星保护微生物消杀技术体系的建立，不仅包括对现有灭菌技术实际灭菌效果的检测及应用参数的确定，还应包含灭菌技术与航天器所用材料兼容性的测试记录工作。由于没有任何一种灭菌技术可以适用于所有的材料，所以应针对航天器所用材料的自身特性选取对应灭菌技术，或根据灭菌要求而在设计环节选取对应材料。

3)建立完整的行星保护微生物消杀技术体系，不仅应在航天器全生命周期各阶段研究和采取有针对性的生物载荷防控和消杀措施，在针对航天器各部件以及系统整体的具体消杀防控措施中，也应考虑全面、全过程管理。在考虑材料性能和部件功能基础上选择适宜的消杀技术，随后基于核心消杀手段，设计和执行系统完整的微生物消杀措施。首先深空探测器部件需采取清洁预处理，有效降低有机物污染并减轻后续消杀负担；随后采取核心消杀手段；其次所有过程包括不同操作之间的传递应在符合行星保护微生物控制等级要求的洁净环境中进行，相关操作流程、人员以及器件工具等均有相应的规范管理；最后经过消杀处理的部件，特别是着陆器、采样器等关键整机或设备还应采取严格的无菌、防污染包装(如生物防护罩等)，确保部件及系统在总装、集成和测试阶段以及发射前所携带的微生物总量符合行星保护要求。

4)在建立中国行星保护微生物消杀技术体系的过程中，可在借鉴他国已有成功经验的基础上，更多地利用医疗卫生等行业发展成熟的微生物消杀技术及污染控制体系现有技术手段，实现稳中求进，快速发展。

5 结语

本文通过深入挖掘欧美各国行星保护技术经验，分别介绍了干热灭菌、气相过氧化氢、环氧乙烷、辐射、超临界二氧化碳以及低温等离子体等多种灭菌技术以及与灭菌过程相关的前期预处理、敏感器件封装处理和无菌包装、传递与贮存等辅助技术，在此基础上提出建立中国行星保护微生物消杀技术体系的思考，以期为中国开展行星保护工作提供参考和借鉴。