环境监测国际空间站（ISS）的微生物组可以间接提供有关宇航员健康的见解，通过检测与人类健康相关的微生物基因组
随着太空探索和科学进步的推动，人类正在进一步远离我们的家园星球，进入陌生的生态系统。离开地球后，宇航员会遇到陌生和人造的环境，这些环境带来了发现、挑战以及对人类文化和生物学的影响。这些人造环境既维持了我们在远离地球时的健康和耐力，也带来了重大挑战，因为这些环境在某种程度上被人为地隔离于自然栖息地。
为了研究这些人造环境、太空飞行条件及其对乘员健康的影响，最近的一项研究探讨了国际空间站（ISS）美国轨道段（USOS）中的微生物和代谢物。该研究的目标是创建关于ISS中化学物质和微生物空间分布最全面的数据集。研究由Rodolfo Salido Benítez和Nina Zhao领导，得到了加州大学圣地亚哥分校微生物创新中心（CMI）、加州理工学院和NASA的支持。研究成果于2025年2月27日发表在《细胞》杂志上，题为“国际空间站具有独特且极端的微生物和化学环境，受使用模式驱动”。
通过对USOS表面样本进行分析并利用ISS的三维模型来调查表面上分子的来源，提供了空间站内部表面条件的详细视图。这项映射揭示了太空中合成环境的化学和微生物学如何与地球上的环境进行比较。“几十年来，世界各地的航天机构一直在监测ISS的微生物组，但这项研究提供了前所未有的高分辨率三维地图，涵盖了整个空间站内部表面的微生物和化学景观，”CMI教职主任Rob Knight（论文的通讯作者之一）强调说。“通过在一个时间点覆盖比以往研究多近100倍的采样表面，这一数据集为理解太空栖息地如何塑造微生物群落以及这些变化如何随时间影响微生物生命和宇航员健康提供了宝贵的资源。”
图S3. 通过模块估算细菌源贡献。 箱线图显示了SourceTracking2估计的潜在微生物源对ISS环境微生物群的贡献；箱线边界表示第25和第75百分位数，而胡须延伸到1.5倍的IQR。A-K面板显示了每个微生物源（在每个面板的Y轴上指定）在采样模块（X轴上）的源贡献分布。L) Node 3表面上尿液SourceTracker2信号分布的三维可视化。圆形圆盘目标代表采样位置。感知色条显示在右下角，低强度信号用深色（紫色）表示，高强度信号用浅色（黄色）表示。没有颜色叠加的采样表面表示由于KatharoSeq过滤而从微生物群和微生物组分析中移除的样本。可视化显示了左侧的废物和卫生隔间（WHC）和右侧的跑步机。尿液相关微生物的最大估计贡献位于WHC的表面上。M) Node 3表面上粪便SourceTracker2信号分布的三维可视化。令人惊讶的是，一些最强的粪便信号出现在WHC周围，但不在其表面上。粪便信号也出现在跑步机附近。N) Node 1表面上口腔腔SourceTracker2信号分布的三维可视化。高强度信号出现在餐桌周围、头顶的食物储存架上以及餐桌对面的架子（端口侧），那里进行食物加热和再水化。O) Node 1表面上食物SourceTracker2信号分布的三维可视化。高强度信号出现在餐桌周围和头顶的食物储存架上，这可能是由于宇航员进食时释放的食物颗粒所致。然而，与口腔腔信号相比，餐桌对面的架子（端口侧）几乎没有与食物相关的微生物存在。
了解ISS表面微生物群和代谢组需要将其与其他人造环境样本进行对比。研究人员将他们的研究数据与全球范围内由地球微生物组项目收集的农村和城市住宅、办公室和自由生活环境的样本结合起来。
将ISS细菌、微生物组成和代谢组学数据与地球上的人造和自然环境（如建筑物和雨林）进行比较，研究结果揭示了微生物多样性的显著丧失，并将ISS定位为一个极端的、以人类输入为主导的人造环境，具有有限的系统发育多样性。ISS样本类似于更城市化的环境，表明ISS微生物环境富含通过常规室内活动分散的人类相关细菌。ISS的微生物种类远少于几乎所有其他环境，这可能是因为频繁的清洁和隔离——这种微生物多样性的缺乏可能对宇航员的免疫系统构成威胁。此外，来自自由生活的陆地来源的微生物贡献极小，表明宇航员缺乏地球上典型的环境微生物暴露。
研究发现，ISS的不同模块根据其使用方式具有不同的微生物和化学特征。饮食、锻炼和个人卫生等活动留下了比科研或飞船维护任务更强的微生物和化学痕迹。这突显了人类活动如何塑造他们周围的环境——即使在太空中也是如此。空间站的微生物群主要由人类相关的微生物主导，特别是皮肤微生物，而地球上常见的环境微生物几乎完全不存在。
虽然定期监测ISS显示这些环境在不显著增加健康风险的情况下得到维护，但已识别出对宇航员健康和飞船完整性潜在的威胁，包括值得关注的微生物种类和超过地面室内水平的化学污染物。论文作者指出，这些系统可以从有意培养类似地球自然细菌的多样化微生物群落中受益，而不是依赖高度消毒的空间。“真正的无菌环境——完全没有微生物的生命——在地球上极为罕见。在太空中，过度的化学消毒可能不利于维持健康的生态系统。通过将ISS与陆地栖息地进行比较，我们的研究表明，有益微生物可以作为必要的伴侣引入飞船，支持长期太空居住和探索的弹性环境，”加州大学圣地亚哥分校Knight实验室自动化主管、共同第一作者Rodolfo Salido Benítez博士指出。
该研究揭示了需要调查不同环境和微生物如何影响我们的健康，尤其是哪些微生物或化学物质对于我们的免疫系统至关重要，但在高度监管的空间中可能缺失。这些见解可以为未来空间站的设计和维护策略提供参考，例如分区策略以减少居住区和研究室之间的交叉污染，隔离高生化负荷区域（如特定的运动或卫生区域）以及替代的消毒策略，以减轻化学消毒导致的抗菌素耐药性选择。
作者希望他们的工作可以作为未来关于太空居住和人造环境研究的参考，并希望科学家们能够共同努力，为人类太空探索提供信息，同时继续学习如何改善我们在地球上的生活。CMI教职成员兼共同通讯作者Pieter Dorrestein表示：“我们经常从潜在危害的角度考虑化学暴露，但这项研究挑战我们考虑我们没有接触到什么。随着城市化和工业化重塑我们的环境，我们可能会失去曾经塑造人类健康的有益化学相互作用。了解这些缺失的暴露可以帮助我们创造更平衡和支持性的居住空间。”
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