基于活力靶向多组学策略的综合月球-火星模拟栖息地可存活微生物组解析

《Microbiome》：Viable microbial ecology and functional potential of the Integrated Lunar-Mars Analog Habitat revealed by multi-omics analyses

摘要

背景

长期载人月球与火星任务将依赖于封闭、自给自足的栖息地，微生物不可避免地会与宇航员、材料及生命保障系统发生交互。虽然常规清洁与环境控制可以限制微生物生长，但具有活力的种群可能持续存在，并适应资源匮乏、环境参数波动以及消毒压力。因此，区分活态与死态生物量对于风险评估至关重要。然而，目前鲜有研究采用多组学与活力靶向方法来检测受限型、有人驻留的模拟设施中的可存活微生物组。

结果

在综合月球-火星模拟栖息地（ILMAH）开展的为期21天的连续驻留试验中，丙烯基溴化吖丙啶处理后的数字PCR（PMA-dPCR）检测结果显示，可存活细菌负荷存在显著的空间异质性（10⁸至10¹¹ 16S rRNA基因拷贝/ m^??2），且高通行量舱室（入口、厨房、浴室、宇航员宿舍）的负荷持续高于低通行量舱室（Welch's Δ?=?4.11 log??；p?<?0.001；ANOVA F?,???=?6.7，p?<?0.001）。可存活真菌负荷则更为均匀，各位置间无显著差异（p?=?0.38）。胞内ATP水平可追踪可存活微生物，并与各舱室的PMA-dPCR结果呈正相关；而使用"即用型干片培养基"测定的培养菌落数比PMA-dPCR低2–3个数量级，与存在大量活的但不可培养微生物的推断一致。在240株分离菌株中，对140株细菌和100株真菌进行了表征，共鉴定出42种细菌和26种真菌，其中包括3种疑似新型真菌分类单元。基于PMA处理样本的16S rRNA基因扩增子测序显示，微生物群落结构呈位置驱动的分布模式（PERMANOVA p?=?0.021），以假单胞菌属为主导，且低通行量区域偶尔出现不动杆菌属的富集。鸟枪法宏基因组测序进一步揭示了可存活微生物组具有强烈的空间结构特征：高通行量舱室富集假单胞菌属，而低通行量舱室则表现出更高的真菌占比和更大的分类学多样性。宏基因组分析还检测到低丰度的可存活生物安全二级分类单元（如鸡伤寒沙门氏菌、产碱杆菌属物种），并在高通行量舱室中富集了抗微生物耐药基因和毒力因子特征信号，这些基因主要由假单胞菌属携带。

结论

ILMAH栖息地维持着一个空间分异、耐受胁迫的核心微生物组，其由人类驻留和选择性存活机制共同维系。基于活力的检测方法揭示：尽管总DNA可能高估可存活微生物的多样性，但活体群落虽在物种丰富度上较低，却具有高度韧性。这一整合性工作流程为未来长期太空飞行及其他封闭生态系统中的生物监测与微生物风险管理奠定了基础。

视频摘要

背景

长期载人月球与火星任务将依赖于封闭、自给自足的栖息地，微生物不可避免地会与宇航员、材料及生命保障系统发生交互。虽然常规清洁与环境控制可以限制微生物生长，但具有活力的种群可能持续存在，并适应资源匮乏、环境参数波动以及消毒压力。因此，区分活态与死态生物量对于风险评估至关重要。然而，目前鲜有研究采用多组学与活力靶向方法来检测受限型、有人驻留的模拟设施中的可存活微生物组。

结果

在综合月球-火星模拟栖息地（ILMAH）开展的为期21天的连续驻留试验中，丙烯基溴化吖丙啶处理后的数字PCR（PMA-dPCR）检测结果显示，可存活细菌负荷存在显著的空间异质性（10⁸至10¹¹ 16S rRNA基因拷贝/ m^??2），且高通行量舱室（入口、厨房、浴室、宇航员宿舍）的负荷持续高于低通行量舱室（Welch's Δ?=?4.11 log??；p?<?0.001；ANOVA F?,???=?6.7，p?<?0.001）。可存活真菌负荷则更为均匀，各位置间无显著差异（p?=?0.38）。胞内ATP水平可追踪可存活微生物，并与各舱室的PMA-dPCR结果呈正相关；而使用"即用型干片培养基"测定的培养菌落数比PMA-dPCR低2–3个数量级，与存在大量活的但不可培养微生物的推断一致。在240株分离菌株中，对140株细菌和100株真菌进行了表征，共鉴定出42种细菌和26种真菌，其中包括3种疑似新型真菌分类单元。基于PMA处理样本的16S rRNA基因扩增子测序显示，微生物群落结构呈位置驱动的分布模式（PERMANOVA p?=?0.021），以假单胞菌属为主导，且低通行量区域偶尔出现不动杆菌属的富集。鸟枪法宏基因组测序进一步揭示了可存活微生物组具有强烈的空间结构特征：高通行量舱室富集假单胞菌属，而低通行量舱室则表现出更高的真菌占比和更大的分类学多样性。宏基因组分析还检测到低丰度的可存活生物安全二级分类单元（如鸡伤寒沙门氏菌、产碱杆菌属物种），并在高通行量舱室中富集了抗微生物耐药基因和毒力因子特征信号，这些基因主要由假单胞菌属携带。

结论

ILMAH栖息地维持着一个空间分异、耐受胁迫的核心微生物组，其由人类驻留和选择性存活机制共同维系。基于活力的检测方法揭示：尽管总DNA可能高估可存活微生物的多样性，但活体群落虽在物种丰富度上较低，却具有高度韧性。这一整合性工作流程为未来长期太空飞行及其他封闭生态系统中的生物监测与微生物风险管理奠定了基础。

视频摘要