模拟微重力生物膜反应器：开启近太空生物膜研究新征程

在太空探索中，生物膜（微生物在表面附着形成的聚集体）会影响航天器系统。研究人员开发模拟微重力生物膜反应器（SMBR）研究微重力下生物膜。结果显示，反应器内剪切应力低，传感器和壁面生物膜生长无显著差异。这有助于理解微重力对生物膜的影响。

　　在浩瀚宇宙探索的征程中，航天器就像一座移动的 “微型城市”，而生物膜则成了这座 “城市” 里隐藏的 “麻烦制造者”。在国际空间站（ISS）和俄罗斯和平号空间站，生物膜在环境控制与生命支持系统（ECLSS）中肆意生长。它们不仅会腐蚀设备表面，还可能堵塞管道，影响水质量，对宇航员的健康和航天器的正常运行构成严重威胁。

目前，太空生物膜的研究面临诸多困境。一方面，在太空真实微重力环境下开展研究，成本高昂且困难重重；另一方面，地面模拟研究手段也存在缺陷。比如，传统的旋转壁式容器（RWV）虽然能模拟部分微重力环境，但在研究表面附着的微生物群落时，却力不从心。它无法准确模拟生物膜在航天器壁面的生长情况，而且传统微生物检测方法在太空应用中存在检测延迟的问题。因此，探索更有效的方法来研究微重力下生物膜的特性和生长规律迫在眉睫。

为了攻克这些难题，研究人员开展了一项关于模拟微重力生物膜反应器（SMBR）的研究。他们成功开发出了 SMBR，并将微加工传感器集成到反应器中，用于内部系统监测。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是计算流体动力学（CFD）建模，通过该技术模拟反应器内的流体环境，评估流体和壁面的剪切应力。其次是传感器技术，选用电阻温度装置（RTD）传感器，验证传感器集成的可靠性。另外，还涉及细胞培养技术，使用从国际空间站分离的 Ralstonia insidiosa 菌进行生物膜相关实验 。

下面来看看具体的研究结果：

• CFD 模拟结果：通过 CFD 模拟发现，在非稳态条件下，反应器内流体产生小尺度速度扰动，但整体流体剪切力较低。反应器内流体剪切力的体积加权平均值为 0.20±0.15 mPa，中心核心区域流体剪切力低至 0.04 mPa，在反应器壁面增长到 0.30 mPa ，且 99.3% 的反应器壁面剪切应力低于 1 mPa。这表明反应器内的流体环境符合模拟微重力低剪切应力的要求。
• 生物膜生长和传感器集成结果：研究人员对比了反应器中心和壁面（传感器和生物膜 coupons 所在位置）的生物膜积累情况。经过分析发现，虽然壁面 coupons、传感器和中心 coupon 表面的生物膜 log₁₀密度均值在数值上有所不同，分别为 6.2、6.1 和 5.9 CFU/cm²，但考虑到实际生物学重复之间的差异，这些差异并不显著。同时，通过共聚焦显微镜成像观察到生物膜在表面形成了密集的球形结构，证实了生物膜的附着。此外，集成的 RTD 传感器成功验证了传感器的集成效果，在实验过程中能够实现不间断的连续测量。

在研究结论和讨论部分，研究成果意义重大。一方面，CFD 模型和 CFU 计数表明，反应器壁面的流体环境与主体流体并无显著差异，可作为模拟微重力（LSMMG）中生物膜行为的代表性表面，这打破了以往认为应忽略反应器壁面在 LSMMG 模拟中作用的观念。另一方面，SMBR 体积比市售反应器大，更有利于模拟航天器中真实管道环境下的流体情况。该研究还证明了定制微加工传感器数据收集的连续性和可靠性，为后续研究奠定了坚实基础。不过，研究也存在一些有待进一步探索的方向，如继续优化反应器内流体环境的模拟、利用微加工生物传感器进行更精准的微生物检测，以及确定更适合长期实验的旋转速度等。

这项研究成果发表在《Biofilm》上，为微重力环境下生物膜的研究开辟了新的道路，有望为未来太空探索中生物膜的管理和控制提供有力的理论支持和技术手段，助力人类在太空探索的征程中更好地应对生物膜带来的挑战。