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为了服务更多水行业技术人员，《净水技术》杂志社以我国一线水行业技术工作者对最新科研成果与动态的求知需求为出发，按主题的形式对过去一年周期内的最新SCI文献成果进行梳理，力求通过专题式的信息为广大读者提供更为聚焦的帮助。
美国《科学引文索引》（Science Citation Index, 简称 SCI ）于1957 年由美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information, 简称 ISI）在美国费城创办，是由美国科学信息研究所（ISI）1961 年创办出版的引文数据库。SCI（科学引文索引）与EI（工程索引）、ISTP（科技会议录索引）被并称为世界著名的三大科技文献检索系统。 目前的水微生物监测技术可以以合理的成本和时间满足长期空间探索任务的需要，尽管必须考虑进行实质性的仪器改造。 在高技术准备水平(即，至少在类似飞行的环境中验证)下的合适的方法学应用将需要减少分配的空间，并且可以潜在地提供关于飞行中微生物污染发生的快速和具体的响应。 国际空间站水样的先进生物分子特征正在促进对船上微生物污染水平和模式的更好理解，从而有助于开发空间技术，以快速和具体地识别引起健康问题的微生物。
随着空间探索向更长期的任务发展，基于多学科的方法和多组学方法可以得到飞行中微生物研究所需的实时技术的补充，并适用于空间水域微生物监测的预警。液态水对于生活在空间条件下的所有已知地球衍生生命形式(包括微生物)至关重要。正在进行的太空探索尚未证明地球外水的存在是否可以表明自身已经发生了微生物生命，但是普遍认为活微生物必须在时间和空间上与水溶液接触才能进行代谢，反过来，微生物污染无法从地球的水彻底消除，而只能在长期范围内得到控制和减弱。由于太空探索一直需要更长时间的飞行任务，因此对于未来的人类太空飞行，行星前哨站和生命维持系统而言，分析水生微生物至关重要。这篇文章重点放在有潜力的空间水质评估生物分析技术上，目的是探索超越其目前在地球上的应用的优势和局限性。从严格的内务管理计划和国际空间站水监测活动的综合结果开始，提供了微生物监测方法的关键概述，基于灵活的技术来识别微生物成分和评估载人航天器循环水中的总污染(总微生物负荷)。国际空间站由不同的供应商提供饮用水，在供应模块起飞前的整个处理期间，所有可能的防止外部污染的必要预防措施都适用于整个水输送和装载步骤。目前在国际空间站上，会定期输送和回收供人类直接消费的水，以保证每人每天约4升(图1)。饮用水 (最多约2000升)储存在应急容器中，以维持国际空间站应对紧急情况的运行。尽管定期监测并保持水量恒定，但由于国际空间站的各种水需求，总的水量平衡是一个经常面临的重大挑战。由于持续停滞区和沿配水网的不同停留时间的存在，微生物的生长不可避免，因此，会在飞行前和飞行中添加生物杀灭剂用于控制残留微生物。水质标准的实现和维护通过系统监测程序进行评估。包括电导率、酸碱度、总有机碳、总无机碳和总碳、硝酸盐、钾、氯化物和铵在内的主要水物理化学参数以及碘和银水平在飞行中受到监测。机组人员使用手持设备监控国际空间站的水和表面冷凝物的湿度。航天器内微生物生物膜生长事件主要与覆盖内表面和生命支持系统的水层有关。因此，从湿气冷凝物中收集的水是饮用水质量恶化的微生物危害的主要来源。基于核酸扩增的方法具有特异性强、检测速度快、易于自动化和标准化等优点。样品预处理和核酸提取是大多数致力于微生物水质监测的分子方法和产品开发的关键起点。从水样中提取的核酸被扩增到特定的标记。核酸的提取和纯化依赖于细胞裂解以及通过过滤和基于柱的方案将细胞DNA和RNA选择性结合到固体表面。快速生物分子分析可以在太空环境中进行，在线实施优化的方案，用于快速提取DNA和RNA以及测序样品制备。然而，基于扩增的方法在飞行中应用的主要瓶颈仍然在于需要耗时且产生废物的样品浓缩和DNA提取，基于核酸扩增的方法的相对准确度和精密度(即重复性和再现性)受样品类型和预处理方法(浓度和DNA提取)的影响，因此需要在整个样品处理过程中进行评估。聚合酶链反应广泛用于检测水中与健康有关的基因和微生物。在这些基于目标的检测方法中，核酸的环介导等温扩增(LAMP)被保留为一种快速和明智的选择，对飞行中水质监测和病原体检测的要求最低。在基于目标的定量方法中，定量聚合酶链反应(qPCR)是一种流行的飞行水质监测技术。据报道，粪便来源的基因靶标的qPCR结果具有良好的重复性和再现性，标准化的工作流程获得了一致的结果，实验室内和实验室间的变异系数较低。在目前的所有空间应用中，选定的基于目标的探测和量化方法需要使用一次性材料和劳动密集型协议，这将不可避免地降低它们在空间条件下的长期适用性。因为DNA产物降解的可及性有限，而qPCR的一个主要限制也是抑制剂的存在，这些抑制剂可以与来自目标微生物的核酸一起共浓缩或提取。qPCR抑制剂的存在带来了许多问题，从低扩增效率和降低的检测灵敏度到完全反应失败和假阴性结果。高通量测序(HTS)包含一套流行的技术、方法学方法和数据阐述工作流程，用于表征不同水生基质中总微生物群落的系统发育组成。分类是基于由细胞核酸内容的一部分或整个基因组产生的大量序列，分别通过所谓的扩增子和鸟枪法测序方法。目前，最常用的测序平台以不同的技术原理为特征，包括罗氏454 GS-FLX(焦磷酸测序)、Illumina MiSeq和HiSeq(通过合成的可逆终止子测序)、Ion PGM(通过合成的基于半导体的测序)和纳米孔GridION和MinION。基于高温超导的技术已经在微重力条件下和直接在国际空间站上进行了测试。在国际空间站上运输和安装的最合适的候选技术是微型袖珍设备(图2)，这种设备可以提供单链300 kb和双链60 kb的快速识别。MinION在对病毒、细菌和哺乳动物mtDNA的基因组DNA混合物进行测序方面的表现，与MinION、Illumina MiSeq和PacBio RSII在地面上运行的表现相当。MiSeq和RSII的准确性稍差，但足以进行序列分析。在90%的情况下，成功地将测序读数分配给正确的参考序列。通过准确量化循环水中微生物细胞的丰度和生存能力进行总污染评估(总微生物负荷)是载人航天器公认的必要条件。针对单细胞水平的参数(例如细胞生物分子、膜完整性、酶活性、底物摄取)的不同预警实时方法已被开发用于水监测，但只有少数能够在类似飞行和空间环境中有效运行，并对分析标准化有合理的要求。ATP测定：对飞行前和飞行后的国际空间站水样进行了三磷酸腺苷(ATP)分析，发现生物污染范围在0~4.9×104个细胞/毫升。最近，通过细胞内ATP测量，在表面样品上可靠地监测了ISS上的存活微生物污染。在人类长期居住期间，三磷酸腺苷测定也被证明能有效监测膨胀的月球/火星模拟栖息地表面的微生物污染。最近，ATP-metric被选为实时监测，目的是开发一种紧凑、自动和微重力兼容的机载系统，用于预防、监测和控制水中和湿表面上的微生物负荷(图2c)。如今，定量ATP测定的商业试剂盒可用于监测水中的微生物生物量水平，并验证清洁和消毒程序，从自然和工程水生环境中报告了大量微生物群落的体积和细胞内ATP测量结果。通过使用外部和内部标准以及在受控的可再现设置下操作，该方法的一些缺点被部分规避。因此，细胞内ATP含量和微生物细胞计数之间的相关性将依赖于与其他参考方法结果的稳健交叉校准。流式细胞术：从生物医学研究到环境科学，流式细胞术(FCM)被广泛应用于单细胞分析，被认为是一种无与伦比的高通量技术。自80年代初以来，流式细胞术已被纳入世界各国空间机构的路线图，并被视为定义和监测空间飞行相关要求的必要技术，该技术迄今仍是宇航员健康监测和临床实验室诊断的主要资产。流式细胞仪平台已经在国际空间站上成功测试，以监测和了解宇航员对微重力的生理适应(图2d)。对受过专门培训的工作人员的需求可能是日常定期监测做法的一个主要缺点。此外，据报告，血细胞计数数据的再现性受到细胞染色方案(例如，固定剂、荧光染料类型)、培养条件(例如，温度、分析时间)、仪器设置(例如，流体和信号放大系统)和水源水(例如，来自天然或工程系统)变化的不利影响。空间水微生物监测总的时间结果可能从几分钟到几天不等，很大程度上依赖于用户依赖的手动操作和自动化技术解决方案（图3）。在实际空间条件下，还没有足够的数据来实现程序工作流中的细节。虽然选定的技术已在模拟或真实微重力条件下得到示范应用，但其自身的关键优势和局限性需要在类似飞行和空间应用方面进行充分的重新考虑。单一的技术解决方案无法满足空间微生物水监测的严格要求。监测技术可能依赖于任务，但只有那些最大限度地减少机组人员参与端到端操作的仪器才可能长期适用。总的来说，所选设备必须紧凑，适合自动化，低功耗，并且除了需要时几乎不可见。地面上的同行已经使用微流体技术实现了小型化，但是航天器上有效监控工具的部署也需要大量的重新设计和仪器定制。迄今部署的仪器尚未永久用于空间飞行水监测，但许多致力于人类空间探索的成功国际项目和商业伙伴关系的例子表明，关键的空间水相关任务可以在合理的成本和时间内有效完成(< 5年)。评估水微生物污染的微型机载仪器已经取得了长足的进步。这还包括微生物培养系统，如法国CNES航天局开发的水垫，微流控芯片已经开发用于地面应用，并且似乎适合空间应用。基于微流体技术的新qPCR平台已经开发出来，允许在几纳升的容积室中同时分析大量基因和样本，并以高密度放置在芯片上。与定量聚合酶链反应相比，数字聚合酶链反应对抑制剂不太敏感，主要用于监测微生物细胞中的基因转录，而不需要基因拷贝定量的标准曲线。系统小型化也被认为是纳米孔DNA测序仪MinION空间应用最具吸引力的特点。通过组装小型化和芯片实验室解决方案，美国国家航空航天局开发的水监测套件代表了迄今为止在国际空间站成功应用于监测不同水质特性的最佳性能定制设备。然而，随着空间探索向顺月空间和火星扩展，航天器上基于聚合酶链反应的多组学仪器不应与飞行中微生物研究所需的其他技术分开考虑。总的来说，所有微流体和芯片实验室解决方案的一个关键方面是受限于系统的可重用性。大多数用于地面应用的小型化设备都是一次性使用的，并且在许多情况下，是基于在长期空间飞行任务中无法安全装载的一次性弹药筒。当细胞被输送到不同的系统隔间进行收集时，没有明确的方法可以在不损害系统功能和污染风险的情况下移除分析样品。由于处理大量样品，堵塞问题也可能干扰分析。可重复使用的系统已经过测试，但是它们在太空中的应用可能会受到样品残留风险、长期重复使用导致的分析性能下降以及清洁和再活化程序所需资源的限制。在这方面，技术发展要求很高，在不久的将来仍远未实现。Amalfitano S, Levantesi C, Copetti D, et al. Water and microbial monitoring technologies towards the near future space exploration[J]. Water Research, 2020: 115787.版权声明：本资料为翻译和汇编作品，其著作权由汇编人（上海《净水技术》杂志社）享有，未经许可，任何人或单位不得侵犯本翻译和汇编作品的著作权。本资料部分素材来自收费期刊，为以防侵犯原作者和所发表期刊的著作权，任何人或单位不得对素材原文进行公开出版。
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