作者：Patrick Hogue ，约翰斯•霍普金斯大学应用物理实验室

      美国国家航空航天局( NASA )飞往太阳系天体的太空行动要能够维持生命，或者可能要维持处于基本进化状态的生命，对于太空船表面上的最大孢子数有严格的限制要求；随着洁净室规程效率的提高，这些限制等级很可能会慢慢地降低。|||

      几项前景看好的技术可以帮助承包商降低孢子数，达到可接受的水平，快速测定微生物，并确定飞船微生物的详细基因组。

      建立行星保护政策

      世界空间科学大会( COSPAR ) 在太空时代的初期就已经确认需要进行行星保护，而且在太空携带样本返回时要保护地球^[1]。1967年签署的《外层空间条约》( Outer Space Treaty ) 第九条规定，“该条约的缔约国应该研究外层空间包括月球与其他天体，进行探索，避免对它们受到有害污染，避免由于引入外部物质而造成地球环境的恶化，在必要时，为了达到这一目，采取适当措施。”[2]

      NASA的政策条例( NPD ) 8020.7 规定了 NASA 落实行星保护( PP )的政策，包括在未来的探索研究中保护行星本身，以及保护地球免受外太空污染物的影响。依据对象的不同，实施办法可能是得到 NASA 的批复函，批准太空行动计划，提供足够的全程行星保护（例如，新视野飞跃冥王星 ( New Horizons Pluto fly-by )，第二类），也可能是全面的实施（例如，火星取样返回任务( Mars sample return )，第五类）。对于从太阳系内的太空携样返回任务（例如，木卫二( Europa )），可能携带潜在生命体，必须采用“中断接触链”的设计；此外，“对于未消毒的返回地球的样本，必须执行生命检测或生物危害测试程序，或是进行消毒处理，这是任何部分样品进行分发的一个绝对前提。”^[3]根据送回地球样品性质的不同，可能会要求对样品进行至少达到生物安全等级( BSL )4级的检疫。

      为了这些决策，NASA 咨询了科学团体(如国家科学院的空间研究委员会)的意见。参照 NPR 5340.1，NASA 的程序性要求( NPR )8020.12 勾划出了一套统一的行星保护规定，适用于所有 NASA 机器人外星任务。NPR 5340.1 提供了一套统一的微生物检测执行程序，计算航天飞船和设施的生物载荷水平，用于在符合行星保护要求(主要用于微生物)的情况下，组装、测试和发射航天飞船。今年 NPR 5340.1 将作为 NASA HDBK 6022 重新发布，它不再设置规定，但会列出批准协议。有两个海盗登陆器( Viking Lander )，就接受了125°C干热灭菌(被认为是行星保护的黄金标准)。

      详细的微生物载荷要求

      NPR 8020.12 允许采用其他方法替代125°C干热灭菌，只要程序和质量控制得到 NASA 行星保护官方( PPO )批准。然后，这些方法就会在得到批准的 PP (行星保护)计划中被列出。通过引用规格数字，飞行器硬件图纸可以采用这些独特的微生物减量方法。微生物屏障可用于防止先前经过消毒的区域被重复污染；至少 1,244 Pa ( 5英寸水柱 )的压力才能满足防止微生物入侵的需要。高效空气过滤器 HEPA (0.3 µm，效率99.97% )也是一种公认的高效微生物屏障。NASA 要求航天飞船的装配要在最低限度为 ISO 8 级( Fed. Std. 209E Class 100,000 )的洁净室中进行。

      

      对于一个火星登陆任务，整个航天飞船所能允许的最大孢子数为 300,000 (或<300个细菌芽孢/m²)；所有的其它目标仍然有一个边坡稳定性概率( probabilistic )要求。每个航天飞船的所有表面区域可以有 300,000 个孢子的数量，适用于火星的非特殊区域(大多数表面)；而包括硬件内的有机体(如罐封胶囊)在内，总允许量为 500,000 。海盗号以及其它接触“特殊区域”或寻找生命的航天飞船必须满足 300,000 的要求，并且通过干热灭菌将表面生物载荷降低到 10,000，这意味着在飞船表面的所有可见孢子将不会超过30个。干热灭菌的替代选项会在稍后讨论。基于海盗飞船的经验，NPR 8020.12 采用的孢子含量如表所示。降低孢子含量的可能方法将在其它部分进行讨论说明。

      评定微生物水平

      多数的航空洁净室都有未知的微生物沉积率和表面微生物群体，通常并没有可立即投入使用的微生物实验室。当建造一个合适的微生物学实验室，以实施 NPR 5340.1 时，PP 程序首先要做的是使它们的洁净室尽可能的无菌。为此可以建造一个临时实验室，使用 100 级( ISO 5级 )洁净工作台，并设有台式恒温箱。采用市场上有售的沉降板（捕捉微生物辐射尘）和基于胰酶大豆琼脂（TSA）的接触板（测定洁净室表面），就可以完成对洁净室（包括热真空室，声学和振动设施），以及相关的设备的初步检测。这些程序主要是设计用来检测并计算异养菌、嗜温菌、好氧/厌氧微生物的数目的；详情请参照 NPR 5340.1。最可能在太空和行星环境下存活下来的微生物有喜盐生物、某些品种的芽孢杆菌和极端微生物。

      有人建议将这些初始的评估技术，或是其它一些微生物制药实验室供应商可能推荐的技术，包含到 PP 计划中去，这样它们就可以与完整的 NPR 5340.1 实施计划一起得到 NASA PP 官方的认可。

      初始阶段中评估洁净室的放射微尘和“热点”，可能会采用一个便携式气溶胶粒子计数器，用来扫描 HEPA 过滤器的出口和任何在启动 PP 程序之前做过修补和更换的地方。也可以采用一个配备了 TSA 专区带的旋转式离心冲击器对整个洁净室内的每个 HEPA 出口的生物有效性做出确认。另一个替代办法就是在距离每个 HEPA 出口大约 1 m 的地方放置一个沉降板；当然，必须及时取回并孵化。

      如果前面提到的试错方法无法满足洁净室的定性需要，可以考虑实时微生物粒子探测技术。虽然目前用于检测细菌孢子的免疫磷光传感器_[6]还正在研制中，但这些技术大部分都是基于由紫外线诱导的荧光能量代谢化学品（例如，三磷酸腺苷，或三磷酸腺苷，核黄素等）^[4、5]。最近，已经可以采用拉曼光谱( Raman spectroscopy )检测到单个细菌细胞^[7]。|||

      在市面上可以购买到基于荧光素-荧光素酶( Luciferin-Luciferase )反应(通常的萤火虫都具有)的便携式系统，采用这种系统就可以进行表面抽样检测。这些方法通常包括采用带有抑制剂的无菌棉签溶解(化学开放式)活体细胞，然后再与 ATP (三磷酸腺苷)做出反应，活体细胞中的能量流动会呈现出一种明亮的色彩，可以通过光度计定量地进行测量。这种抽样检测方法最近还被用于空间站表面检测，采用的是 NASA 研制的衍生检测工具 LOCAD-PTS。该产品有望在 NASA HDBK 6022 (见图1)中成为一种核准协议^[8]。

      经过 NASA/JPL 验证，采用基于过滤器的微生物快速检测方法，可以将检测时间由 72 小时减少至 5 个小时或更少。该方法通过一个配备有微通道板光电倍增器的 CCD 相机，进行 ATP 生物发光计数^[9]。最近，这项技术还添加采用了一个 16-base 的 RNA 探测器，在非特异性荧光计数测量完成以后，对具体的有机体进行确认^[10]。

      NPR 5340.1 的实现

      一个设备齐全的微生物学实验室，拥有火星登陆器所需的所有 PP 设施，用于支持航天飞船计划，其建设成本估计为 50,000 美元。而且需要至少两名，最好是三名技术员，以提供 24/7(24小时/7天) 全天候的支持。它还需要 18 个月的时间用于安装、测试、并启动火星极地登陆者( MPL )的运行程序，进行所要求的 1,200 次的试验，而与 PP 实现相关的部分，估计还会使原来的时间延长 2 个月 12。海盗计划的 PP 成本大约是总成本的 10％，或是大约 700 万美元。一个成功的 PP 实现，取决于以下几点：

      1. 仔细而彻底地将 PP 集成到计划的各方面；

      2. 对 PP 工程师的采购和支持进行管理；

      3. 通用人才的培养（包括采购和支持团队）；

      4. 与装配流程相应的预设生物检测数据库；