1.前言

目前，空间探索已经被推向了人类探索的前沿，不少企业甚至推出了商业化太空旅行，例如，太空探索技术公司（SpaceX）、深空工业公司（DSI）和比奇洛航空航天公司，这是太空研究的重要变革，对其商业、科学和工程方面带来了颠覆性的影响。创新往往来自于那些最狂热梦想家的开拓性努力。一些已经设定的短期目标在目前的技术水平下是完全可以实现的，其中包括在太空中找到可获得矿物、挥发物和其他元素的近地小行星（NEA）或是近地天体（NEO）如彗星，建立自给自足产业。在过去的15年内，人类发现了超过600,000颗小行星，截至2015年8月28日，在已发现的小行星中，12916颗被确定为近地天体（NEO）。

这些数量巨大的近地天体是本项研究的基础。无论进行什么样的太空任务都需要燃料，无论是卫星轨道控制还是宇宙飞船探索，高昂的太空发射成本限定了可用设备只能从地球发射。尽管燃料费用仅仅只占火箭发射费用的0.3%，但将燃料运往太空发射现场的成本却非常昂贵。如果在太空中能有现成可用，且可持续的燃料资源，那从地球发射航天器时就不必携带大量燃料。目前，已经有宇宙飞船太空就地续加燃料的多种方法被提出，本项研究提出了一个新颖的概念，即使用碳质小行星上的产甲烷菌产生甲烷，作为推进燃料。液氧/甲烷（LOX/CH4）推进燃料尽管还没有获得完全的技术成熟度，但在太空发射系统和太空推进系统都是大受欢迎的。氧气可以从地球运输，同时不少小行星上也被认为具备丰富氧气资源，因为水和大量矿物质都是含氧的，因此从理论上来看，从太空现场提取氧气也是可行的，因为甲烷在太阳系中一些受制于地心引力的行星和卫星是很常见的。甲烷的化学性质和纯液化天然气（LNG）相同，其优势在于它是可再生资源，而液化天然气的形成过程需要长期的自然热量和压力。因此，可用的、稳定的甲烷资源是目前推进燃料的有力替代选择。太阳系中有大量碳质或C型小行星，占目前为止发现的所有近地小行星的30%-75%。（两者之间的较大差异源于识别小行星所采用的光谱分析技术。）太阳系中的小行星周围都围绕着保护层，对产甲烷菌的存活和生长起到保护作用。

从本项研究的应用显然可以看出，太空就地现场自主燃料源将对目前航天能力产生巨大影响。研究目的设定后，研究从两个方面进行了鉴定：1、在碳质小行星上通过生物产甲烷生产燃料的可行性调查；2、对特定太空环境参数进行初步测试，确定在真空环境下暴露后的微生物活性，以此作为初步研究参数。

通过该项可行性研究可确定在项目实施过程中需要对哪些方面进行调查，例如背景研究，地面测试、现场应用以及潜在的下游应用。监测微生物暴露在某一太空环境后的活性可进一步了解其生理机能及生存率，此外还可测定细胞存活所需的最低有效参数。

除此之外，通过本项研究结果还可进一步了解在极端条件下的微生物活性，这将在生物技术和宇宙生物学等相关领域具有广泛的应用前景。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

2.可行性分析

小行星生物资源开采程序非常复杂，涉及环境参数调查、生态理论应用、工程及物流、经济前景以及法律因素。

环境参数涉及太阳系影响以及近地条件，包括重力、辐射、压力、基质pH值范围、含水量和可用性，以及小行星的成分和物理结构。生态位构建和岛屿生物地理学等生态学理论可控制隔离环境，使微生物群落可在小行星上得以存活。工程及物流问题可划分为微生物群落的投递与建立、微生物活性支持、提取资源的加工与提纯，以及配送至终端使用。经济前景与局限将会控制各项太空经济的发展，因为太空经济已经初步形成，而资源返回地球在经济上是难以实施的。

法律与小行星矿业密切相关，例如“外空条约”中的太空拨款权利，以及“月球协定”中的天体资源开采规定。

3.实验

采用替代物进行实验是微生物学的惯例，实验可测试细胞结构在不同压力影响下的种间特性，包括蛋白质和脂肪。对不同的微生物参数进行比较，可更准确的得出哪些特性受到了影响。由于选取最佳菌株的过程耗时巨大，确定受影响的微生物生理参数可以加快这个进程。

细菌包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌。革兰氏阳性菌株具有充分厚的肽聚糖层（20-80nm），一般而言比其他革兰氏阴性菌株更为强壮。革兰氏阴性菌细胞壁厚度相对较薄，约7-8nm。这种晶格网状聚合物层包含糖和氨基酸，占到革兰氏阳性菌株干质量的90%以上（在革兰氏阴性菌株中只占10%）。

古生菌（例如产甲烷菌）与细菌有着类似的内部结构，识别其中的细微差异对于选择合适的微生物菌株可以打下坚实的基础。古生菌结构与革兰氏阳性细胞相似，可由此测试其存活与细胞结构之间是否存在关系。古生菌与革兰氏阳性菌株被证实暴露在真空环境下是有复原能力的，经观察，革兰氏阴性细胞也有同样特性。所选细菌菌株为：

这些菌株先前已经进行过极端条件测试，例如：美国太空总署的长期暴露设施（LDEF）将枯草芽孢杆菌在太空真空环境下暴露6年时间，使其作为实验性测试的典型基准菌株。因此本项研究是在先前研究基础上进行进一步的太空现场生物技术操作实验。

古生菌菌株的挑选条件首先必须是产甲烷菌，必须能够利用不同的基质为原料；在实验过程中采用不同原料；且先前已经进行过极端条件测试。实验最初将温度作为了先决条件，但由于沼气的产生必须发生在特定热力环境下，因此将温度带来的影响归结于环境控制和生命支持系统（ECLSS）的作用。以下是原料列表：



3.1假设

假设低压诱导相变将以以下三种方式影响微生物：

（1）低压环境下的首次暴沸与沸腾处理对微生物生理机能带来不利影响，可能影响其再生功能与细胞结构，持续沸腾可能会将加深影响。

（2）后续冷冻处理使微生物处于准停滞状态。假设的原因是由于冰晶的形成造成细胞损伤，进一步抑制了微生物生长。

（3）如果在溶液的三相点进行冷冻，由于反复的冷冻、解冻和沸腾，细胞损伤将会增大。

此外，假设暴露菌株受影响的严重程度还存在显著差异，产甲烷菌被认作是最有复原能力的，其次是革兰氏阳性菌株，实验显示其细胞活性不断丧失。革兰氏阴性菌株的受影响程度最为明显。

3.2实验结果

（1）有氧菌株

对所有人工接菌的琼脂板进行菌落计数，测定每块琼脂板上的CFU（菌落形成单位）/mL值。暴露60分钟的绿脓杆菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌CFU/mL值对照图详见图1中A、C、E。各菌株的对照板及误差线计为各菌株零时间点。绿脓杆菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的CFU/mL计算均值的正常分布分别对应图1中B、D、F。将对照样本标准化至1.0得到标准数据，再将不同时间点的样本划分为非标准对照值。各菌株的标准值分别由三份标准数据取平均值得出。

图1所示，有氧细胞暴露一小时后的实际活性（左）与标准活性（右），单位CFU/mL；真空压力环境（红色）与大气压力环境（蓝色）。A、B表示绿脓杆菌、C、D表示大肠杆菌；E、F表示枯草芽孢杆菌。误差线表示各菌落三组标准测量数据误差范围。尽管真空环境下实验菌株活性比大气压环境下更强，但误差范围显示真空处理的影响是微乎其微的。

图2所示，持续暴露的琼脂板上菌落大小有显著差异，两种革兰氏阴性菌株（绿脓杆菌和大肠杆菌）更为明显。革兰氏阳性菌株枯草芽孢杆菌的菌落大小减小程度较小。

图2.琼脂板详细展示了未暴露及暴露60分钟的对照板上菌落大小。

绿脓杆菌：A未暴露 B暴露60分钟

大肠杆菌：C未暴露 D暴露60分钟

枯草芽孢杆菌：D未暴露 F暴露60分钟

（2）厌氧菌株

通过在五个时间点（1/5/10/30/60分钟）对细胞活/死菌落进行染色显示有限的细胞死亡情况，巴氏甲烷八叠球菌暴露60分钟除外，详见图3，其中增加的死亡细胞数已知。

图3、巴氏甲烷八叠球菌暴露60分钟活/死菌落染色，显示有限细胞死亡。

在暴露后9天潜伏期结束时进行气相色谱分析，显示在此期间没有发生产甲烷作用。图4所示，6周气相色谱分析显示，与对照板相比，完全暴露情况下的M. taylorii产甲烷作用逐渐减小；暴露60分钟的M. mazeiand产甲烷作用逐渐减小；暴露30及60分钟的M. barkerias产甲烷作用逐渐减小。

图4 暴露6周后的对照样本产甲烷浓度。在1、5、10分钟时间点上，所有样本的甲烷浓度降低，30、60分钟时间点上甲烷浓度较先前有所增加。

4.讨论

（1）有氧菌株

为验证假设的最小压力，实验使用舒伦克瓶，可承受暴露环境下25~40Pa的压力范围。

不同菌株（绿脓杆菌、大肠杆菌及枯草芽孢杆菌）的实际CFU数量之间存在明显差异，造成这一差异的原因并不是菌株种类。通过给对照板进行人工接菌，确定各种原液在没有真空暴露情况下受到正常大气环境的影响。实验显示，在未暴露情况下，绿脓杆菌CFU数量明显少于大肠杆菌和枯草芽孢杆菌，这是由于不同菌株原液组成存在差异。这将导致绿脓杆菌初始浓度低于大肠杆菌和枯草芽孢杆菌。

各个菌株的未曝光样本CFU值变化呈现相似趋势，尤其是枯草芽孢杆菌，所有样本数据都在对照板误差范围内。革兰氏阴性菌株样本前三个时间点的CFU平均值呈上升趋势。误差范围内的读数下降不能说明CFU发展趋势。

真空暴露下的样本CFU值变化趋势同样类似。三种菌株的CFU数量都在各自对照样本误差范围之内，这表明真空暴露对样本活性不存在影响。

均值变化趋势的差异可归因于细胞结构，尤其是肽聚糖层厚度的差异。绿脓杆菌的平均CFU数量随着暴露时间增加呈下降趋势，可推断其脂多糖包膜减少。大肠杆菌与绿脓杆菌不同，CFU数量稳定，细胞外膜增厚，这也表示真空暴露并不能过度影响其细胞活性。值得注意的是，同样是革兰氏阴性菌株，绿脓杆菌和大肠杆菌平均CFU值一个降低一个稳定。革兰氏阳性菌株枯草芽孢杆菌CFU均值增加，这表明革兰氏阳性菌株细胞膜结构更为坚固，这也源于其自身具备的芽袍结构。因此，具有芽袍结构的革兰氏阳性菌株是低压环境下太空应用的首选菌株。

标准图表显示真空暴露的革兰氏阴性菌株CFU增加近0.2，而绿脓杆菌和大肠杆菌比在大气环境下CFU增加0.4。这一特征表明真空暴露有助于菌落形成，这可归因于压力环境下的应急响应机制的增强。细菌引导细胞内的资源修复细胞损伤，通常是由于过度补偿造成刺激以及细胞活性增强。枯草芽孢杆菌的这一表现更为明显，正常情况下CFU稳定增长。真空暴露的革兰氏阳性菌株比正常情况下CFU增加0.5。需要注意的是，这些观察结果是指平均细胞数量。这些图表的误差带显示大气环境或真空暴露菌株CFU无变化。两种革兰氏阴性细菌与标准值相比增加0.2，与对照值相比降低0.4。

此外，还对暴露及未暴露菌株对等时间点CFU最小差异进行了研究，记录了CFU最大值和最小值之间的最小差距。差距最大的5次记录为枯草芽孢杆菌的330、320和290，以及大肠杆菌的290和180。这些数据已经相对较小，表明真空暴露对细胞活性不具有损害效应。

通过观察对照样本和60分钟暴露样本的菌落大小差异平均值也能证明该结论。三种菌株的对照样本中的菌落普遍比长时间暴露的菌株更大，但这并不表示细胞活性的丧失，而是在真空暴露下细胞膜的弱化。真空暴露下，沸腾与暴沸对细胞活性的物理影响不能确定，这需要在真空环境下使一份溶液沸腾，并与另一份未沸腾溶液相比较。

（2）厌氧菌株

6周后对样本进行气相色谱分析显示，各个菌株暴露早期和晚期的产甲烷浓度有着明显差异。所有暴露1、5、10分钟的样本产甲烷浓度低于对照样本，表示各菌株受到一定压力。30及60分钟暴露样本的产甲烷浓度较之前明显上升。M. Barkeri 30及60分钟样本产甲烷浓度高于对照样本，更能表明较先前时间点样本有明显压力恢复。这表明，菌株初次暴露在真空环境下时，其产甲烷率会降低，但细胞最终会恢复到与未暴露样本相等的浓度。也许真空暴露还可能增加甲烷产量，但还需进一步实验。

活/死细胞染色实验显示没有明显细胞死亡，持续暴露只会导致有限细胞死亡。M. barkeri 60分钟暴露样本除外，因为M. barkeri对氧气及其敏感。M. barkerialso与其他产甲烷菌相比，细胞厚度增加，并有细胞死亡。M. barkeristock在未暴露环境下有轻微的细胞退化。由此结果可假设真空暴露加重了原始细胞损伤。

阴性对照实验是对样本进行121℃的蒸压处理，由于样本原液曾接种汞酸，细胞死亡数量没有增加。3小时潜伏期后，仅有少量细胞死亡。随后48小时潜伏期后，全部细胞死亡，阴性对照实验成功。细胞集群能力有利于产甲烷菌弹性，压力增加情况下集群形成现象更为明显。

5.结论

经过对细菌和古生菌细胞活性进行短期真空暴露实验，细菌细胞表现出生长衰减，从而导致菌落大小缩小。与革兰氏阳性菌株相比，这一结果在革兰氏阴性菌株上更为明显。有氧菌株（绿脓杆菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌）活性降低可忽略不计。同样地，古生菌（M. barkeri, M. mazeiand M. tayloriiproved）暴露在真空环境下活性积极。鉴于M. barkeri的微孔结构会增加环境压力的恢复力，有必要对其细胞退化做进一步研究。不管是持续暴露在低压环境下，还是沸腾与暴沸的影响效果都微乎其微。后续还需进行更多实验，对各项参数也需作进一步研究，例如增加真空强度以及持续暴露时间，从而诱发凝固相变。要在太空通过ECLSS实现人造环境压力25Pa是可行的。因此可得出结论，把低压视为太空现场ECLSS生物气体应用的唯一参数是可行的。

甲烷燃料可能给人类航天能力带来变革性的影响。甲烷价格低廉且易于生产，使其成为未来火星应用的首选燃料。移民火星被视为是人类续航时间的下一个重大里程碑，因此碳氢化合物相关参数的实验是必不可少的。如果碳质近地天体（NEO）可作为太空中的燃料补给站，其自身丰度和人类改变其轨道的能力使太空现场生物产甲烷成为一个全新的概念，并拥有巨大潜力。