在人类探索太空的征程中，国际空间站（International Space Station，ISS）成为了重要的前沿阵地。然而，长期处于太空的空间站有着与地球截然不同的环境，这给站内人员的健康带来了诸多挑战。一方面，太空飞行条件会损害宇航员的免疫功能，增加抗菌耐药性（Antimicrobial Resistance，AMR）、生物膜形成和微生物毒力，威胁宇航员的健康。另一方面，空间站内缺乏有益微生物，宇航员常出现皮疹、过敏和免疫功能障碍等问题。而且，目前对于空间站微生物的监测依赖基于培养的方法，无法全面监测环境微生物多样性，这成为航天器微生物风险评估的关键研究空白。为了解决这些问题，来自美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校等机构的研究人员开展了一项关于国际空间站微生物和化学环境的研究，相关成果发表在《Cell》杂志上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在样本采集方面，设计特殊采样装置，从国际空间站美国轨道段（USOS）的 9 个模块采集了 803 个表面样本（包括 737 个表面拭子和 66 个对照） 。在分析技术上，对样本进行扩增子和鸟枪宏基因组测序，以及非靶向代谢组学分析，并利用多种生物信息学工具对数据进行处理和分析。同时，将此次研究数据与来自地球微生物组计划（EMP）等的大量样本数据相结合进行对比研究。
研究结果如下：
- 微生物组成因模块而异：通过对 16S rRNA 基因扩增子数据的分析发现，国际空间站各模块的微生物多样性存在显著差异。例如，相邻的日本实验舱加压舱（JPM）和日本实验舱实验后勤模块加压段（JLP），由于使用模式不同（JLP 用于个人卫生等，JPM 主要用于实验活动），微生物多样性差异明显。进一步的分析表明，模块的使用模式对微生物多样性的影响大于环境条件。而且，国际空间站表面微生物主要来源于人类相关微生物，缺乏陆地自由生活微生物123。
- 化学特征体现模块特异性：利用非靶向代谢组学对空间站表面可检测分子进行分析，发现化学物质来源于多种途径，包括工业材料、表面活性剂、植物和食物衍生化合物等。不同模块具有独特的化学特征，如节点 3（Node 3）有最多的模块特异性特征，这与其作为废物和卫生隔间以及物理锻炼区域的功能相关。同时，研究还发现化学多样性与微生物多样性呈正相关456。
- 空间站处于独特环境梯度：将国际空间站的微生物和代谢组数据与地球多种环境样本对比，发现空间站代表了一种极端且独特的人造环境，微生物多样性有限，且富含与人类相关的微生物。在微生物组成上，与地球工业化环境更为相似，并且通过分析还确定了一些可引入航天器以维持类似地球室内微生物群的分类群。代谢组学数据也表明，空间站的代谢物与地球城市家庭的更为相似，进一步证明其受人类输入主导78。
- 发现与健康相关的微生物基因和基因组：通过宏基因组测序，研究人员在国际空间站表面检测到与人类健康相关的微生物基因和基因组，包括 AMR 基因、人类病毒和 ESKAPE 病原体等。例如，在节点 3 表面样本中检测到肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae），其基因组恢复率达到 81.48%。此外，还发现国际空间站的细菌物种在系统发育上与地球对应物种不同，其基因组显示出更高的 AMR 基因多样性910。
研究结论和讨论部分指出，该研究构建了关于太空栖息地微生物和化学环境的最大数据集，为理解太空微生物学和化学提供了丰富资源。研究中观察到的模块特异性模式，可为未来空间站设计提供参考，如分区策略以减少污染等。同时，研究揭示了空间站微生物多样性的显著丧失，其环境可能不利于支持人类免疫功能，未来的太空站应考虑有意培养多样化的微生物群落。不过，该研究也存在一定局限性，如无法区分检测到的微生物的活力，代谢特征注释率较低等。总体而言，这项研究为长期太空任务中维持人类健康以及未来太空站的设计提供了重要依据，推动了太空微生物组研究的发展。
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