CN109735428A - 用于空间环境下微生物变异与衍化研究的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置和方法，其中装置包括：支撑组件，其包括外部壳体和内部的多个抽屉状分层；以及培养组件，其包括培养区和菌种区，菌种区用于在装置未启动时保存待用菌种，以使其与培养区隔离，而在装置启动时，菌种区用于释放菌种，以使其与培养区接触，从而启动培养过程，其中支撑组件的每层抽屉状分层的深处具有锁紧结构，用于锁紧插入其中的培养组件。本装置重量轻，与地面研究工作中采用的普通培养皿和培养材料相比，可以承受飞行器上行和下行过程中的振动而且可以节约大量随飞行器上行和下行的载荷。

Description

用于空间环境下微生物变异与衍化研究的装置和方法

技术领域

本发明一般地涉及空间微生物研究领域。更具体地，本发明涉及用于研究微生物在空间微重力、辐照等复杂环境下发生变异与某种性能衍化的装置和方法。

背景技术

长期在轨运行的空间站在中国的空间探索计划中占据着重要的地位，随着我国空间站工程的稳步实施，未来我们将有机会利用空间站所独有的空间环境开展生物学、医学、物理学、化学等多学科、多领域的研究工作。但是由于空间站舱内可供使用的空间及试验资源有限，因此在研究装置和研究方法的设计方面需要具备体积小、重量轻、自动化程度高、不依赖重力场的作用、能够承受航天器上行与下行所带来的振动和冲击等方面的特点。

微生物是地球上含量最丰富的生命形式，与人类有着密不可分的共生关系。在空间站建造和运行过程中，微生物主要通过以下四种途径进入空间站舱内：(1)航天员自身携带的微生物会随着各项生命活动进入到舱内密闭环境中；(2)聚合材料在进行加工、制作和保存时会滋生一些微生物，这些微生物会随着设备一起进入空间站；(3)航天器总装、测试和发射过程中会携带微生物一起进入空间站；(4)乘员更替和物资补给过程中的飞船对接是新的微生物来源。

空间站舱内长期密闭、微重力、辐射等空间因素会导致舱内微生物的积累和生理性状变异。根据国际空间站运行经验和研究结果，微生物在空间环境下会出现生长速度加快、特定生产性状提高、抗药性增强以及致病性增强等多性状、非定向性的变异。研究微生物在空间环境下的变异与衍化，对于充分利用空间资源创制优良生产用微生物菌种和充分了解微生物空间变异机理，开展空间微生物防控技术研究这两大领域都具有重要作用。

发明内容

本发明提供的是一种专门在空间环境下开展微生物变异与衍化研究的装置和方法，解决了地面通用的试验方法无法在空间环境下开展相应研究工作的问题。

为了实现上述目的，在一个方面中，本发明提供一种用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置，该装置包括：

支撑组件，其包括外部壳体和内部的多个抽屉状分层；以及

培养组件，其包括培养区和菌种区，所述菌种区用于在所述装置未启动时保存待用菌种，以使其与所述培养区隔离，而在所述装置启动时，所述菌种区用于释放菌种，以使其与所述培养区接触，从而启动培养过程，

其中所述支撑组件的每层抽屉状分层的深处具有锁紧结构，用于锁紧插入其中的所述培养组件。

在一个实施例中，所述支撑组件的材质选自铝合金、钛合金、聚酯塑料、碳纤维中之一。

在一个实施例中，其中每层所述抽屉状分层的空间高度为5-10mm。

在一个实施例中，所述培养组件还包括底板和上盖，所述底板的材质为高分子塑料，其上附有粘胶以用于粘附培养区，所述菌种区位于所述上盖的中央位置。

在一个实施例中，所述培养区的材质由网纹木浆无纺布、平纹木浆无纺布、纯棉无纺布中的一种添加培养基，共同构成培养基质。

在一个实施例中，其中所述培养区的培养基质为同心圆结构，中央区域圆形培养区的直径为10-20mm；从中央向外围以等距离扩大，每个同心圆圈直径递增的幅度为10-20mm；最大直径可以达到200-260mm，所述同心圆形状的培养基质中带有诱变压力，其诱变压力的浓度从中央向外围逐渐递增。

在一个实施例中，其中菌种以干燥状态结合在所述菌种区的无纺布上。

在一个实施例中，其中所述上盖的中央位置包括压紧释放按钮，通过按下压紧释放按钮，对所述菌种区待用菌种进行释放和接种，当带有菌种的无纺布与培养区的培养基质发生接触时，则所述菌种开始在所述培养区中生长。

在一个实施例中，其中所述锁紧结构是楔形锁紧结构，用于锁紧插入其中的所述培养组件。

在另一个方面中，本发明提供一种用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的方法，该方法包括：

提供支撑组件，其包括外部壳体和内部的多个抽屉状分层；以及

提供培养组件，其包括培养区和菌种区，所述菌种区在菌种培养前用于保存待用菌种，以使其与所述培养区隔离，而在菌种培养时，用于释放菌种，以使其与所述培养区接触，从而启动培养过程，

在所述支撑组件的每层抽屉状分层的深处布置锁紧结构，以用于锁紧插入其中的所述培养组件。

通过本发明的装置和方法，可以实现在空间环境中在线开展微生物变异与衍化的研究工作，从而不再依赖将经历空间飞行的菌种回收后在地面才开始开展研究工作，使得研究过程更具有时效性。进一步，本装置可以以单个或多个组合的形式放置在空间站专门的试验区域内，利用该区域的环境开展工作，无需外加电源等载荷。

从体积、重量和安装方面来说，本装置体积小，与地面研究工作中采用的普通培养皿相比可以节约大量空间。本装置重量轻，与地面研究工作中采用的普通培养皿和培养材料相比，可以节约大量随飞行器上行和下行的载荷。进一步，本装置安装可靠，与地面研究工作中采用的普通培养皿相比，可以承受随飞行器上行和下行所带来的振动与冲击。由于本装置可以为一体化的结构，其拆装方便，在航天器下行时，可以随飞船返回舱返回到地面。

另外，本装置的工作启动是可控的，操作简单，在空间站安装就绪后，可以根据工作需要和程序安排，由航天员采用按压操作启动试验，且航天员无需具备生物学专业背景。本装置还对环境友好，在空间培养过程中无泄漏或污染空间环境的风险。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的截面示意图；

图3是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的培养组件的示意图；以及

图4是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的培养区的示意图。

具体实施方式

本发明中的空间环境下微生物变异与衍化研究装置可以提供微生物在空间站舱内相对密闭的生长环境、多种环境变异诱导条件、微生物衍化进程标记，与地面对照试验相结合，可以获得明确的微生物空间变异与衍化特征。此装置的设计满足体积小、重量轻、安装可靠、试验过程中不需要航天员照料等特点。

下面将结合附图来具体描述本发明的实施例。

图1是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的结构示意图。

如前所述，本发明提供一种微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置100，该装置100由支撑组件101和培养组件102组成。

在一个实施例中，支撑组件101的材质可以为铝合金、钛合金、聚酯塑料、碳纤维等。支撑组件101除外部壳体(或外部框架，如图1中所示)外，内部为抽屉状分层(如图2中所示)，每层抽屉的空间高度为5-10mm。在一个实施例中，支撑组件101的外部尺寸可以例如是：长：200-300mm；宽200-300mm；高：50-100mm。在一个实施例中，用于每个培养层的抽屉还可以包括把手，以方便向外拉出抽屉。

图2是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的截面示意图。如图2中所示，装置100包括支撑组件外框201、支撑组件楔形结构202、培养组件楔形结构203、培养组件的培养区204和支撑组件每层抽屉的隔层205。

如图所示，本发明在支撑组件的每层抽屉深处布置有锁紧结构，例如楔形锁紧结构，其用于锁紧插入其中的培养组件。在一个实施例中，培养组件中底板的材质可以为聚氯乙烯、聚苯乙烯等高分子塑料，其上附有粘胶用于粘附培养区。培养组件的尺寸可以如下：长：200-300mm；宽200-300mm；高：2-5mm。

图3是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的培养组件102的示意图。如图所示，培养组件可以包括培养区底板301、培养区外沿302、盖住培养区的培养区上盖303、菌种区304、接种区按钮(或称压紧释放按钮)305，其中菌种区在所述上盖的内部且位于按钮的位置处。

在一个实施例中，培养区紧密粘合在底板上。培养区的材质可以由网纹木浆无纺布、平纹木浆无纺布、纯棉无纺布中的一种添加培养基，共同构成微生物培养基质。微生物培养基质中可以含有凝固剂，其与无纺布结合在一起为微生物提供生长区域，同时能抵抗飞行器上行和下行时带来的振动。

在一个实施例中，上盖302的材质为聚氯乙烯、聚苯乙烯或其他类似的透明高分子材料，其边缘与底板紧密粘合。其尺寸如下：长：200-300mm；宽200-300mm；高：1-5mm。上盖的中央位置为菌种区和压紧释放按钮303。

菌种区的作用是在装置100未启动时保存待用菌种，使菌种与培养区隔离；在装置启动时释放菌种，使菌种与培养区接触，启动培养过程。

菌种区中待用菌种的保存方式是菌种以干燥状态结合在菌种区的无纺布上。

向装置的菌种区中添加菌种的工作在无菌操作台中进行。打开装置上盖，将带有菌种的无纺布粘合在菌种区，之后将上盖与底板再度粘合。

菌种区待用菌种的释放和接种方式可以是由航天员按下压紧释放按钮，使带有菌种的无纺布与培养区的培养基质发生接触，则菌种开始在培养区开始生长。

图4是根据本发明实施例的用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置的培养区402的示意图。

如图4中所示，培养区402的培养基质为同心圆结构，中央区域圆形培养区的直径为10-20mm；从中央向外围以等距离扩大，每个同心圆圈直径递增的幅度为10-20mm；最大直径可以达到200-260mm。同心圆形状的培养基质中带有诱变压力，其诱变压力的浓度从中央向外围逐渐递增，此设计的目的是使得菌种在从中央向外围生长时，需要克服逐渐增强的环境压力。在一个实施例中，培养区的培养基质可以在无菌环境中制备完成。

在一个实施例中，未添加微生物菌种的装置利用钴60辐照灭菌。

下面将详细描述利用本发明的空间环境下微生物变异与衍化研究装置开展大肠杆菌在空间环境下对抗生素抗性的衍化研究的具体步骤：

1、由专业机构生产本发明装置的支撑组件。例如，支撑组件的材质可为聚酯塑料。

2、在超净工作台中制备同心圆结构的抗生素抗性培养基质，培养基质的中央区域直径为20mm；向外扩展的第二圈同心圆环的直径为40mm，并以此递增幅度逐圈向外递增，直至最外圈的同心圆环的直径为200mm。逐圈添加的同心圆环培养基质中含有抗生素，抗生素的浓度呈梯度增长。中央区域的培养基质中抗生素浓度的浓度为0mg/L，第二圈培养基质中抗生素的浓度为100mg/L，第三圈培养基质中抗生素的浓度为500mg/L，以此类推，直至完成最外圈培养基质的制备和添加。

3、将装置中全部培养组件制备完成后进行包装，并利用钴60辐照灭菌。

4、在提交航天器搭载前制备带有大肠杆菌的无纺布圆片。无纺布圆片的直径为20mm。无纺布上携带的大肠杆菌数量为1～5x10⁶。

5、在无菌超净工作台中打开培养层上盖，将带有大肠杆菌的无纺布圆片用粘胶粘合在菌种区，之后盖回培养层上盖。

6、添加完装置中所需要的全部菌种后，将装置进行包装，交付航天器总装单位进行器上安装。同时设置地面对照组进行地面同期试验。

7、航天器发射入轨后，由航天员将装置安装在实验舱中的规定位置。

8、在到达预计的试验启动时间，利用天地通讯，确定空间飞行器状态良好后，由航天员按下装置中每个培养组件的压力释放按钮，进行接种，启动试验。地面对照组同时启动。

9、在完成计划培养时间后，由航天员拆下装置，等待随返回式飞船返回地面。

10、地面回收后对获得的培养物进行后续分析。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的装置，该装置包括：

支撑组件，其包括外部壳体和内部的多个抽屉状分层；以及

培养组件，其包括培养区和菌种区，所述菌种区用于在所述装置未启动时保存待用菌种，以使其与所述培养区隔离，而在所述装置启动时，所述菌种区用于释放菌种，以使其与所述培养区接触，从而启动培养过程，

其中所述支撑组件的每层抽屉状分层的深处具有锁紧结构，用于锁紧插入其中的所述培养组件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述支撑组件的材质选自铝合金、钛合金、聚酯塑料、碳纤维中之一。

3.根据权利要求1所述的装置，其中每层所述抽屉状分层的空间高度为5-10mm。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述培养组件还包括底板和上盖，所述底板的材质为高分子塑料，其上附有粘胶以用于粘附培养区，所述菌种区位于所述上盖的中央位置。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述培养区的材质由网纹木浆无纺布、平纹木浆无纺布、纯棉无纺布中的一种添加培养基，共同构成培养基质。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述培养区的培养基质为同心圆结构，中央区域圆形培养区的直径为10-20mm；从中央向外围以等距离扩大，每个同心圆圈直径递增的幅度为10-20mm；最大直径可以达到200-260mm，所述同心圆形状的培养基质中带有诱变压力，其诱变压力的浓度从中央向外围逐渐递增。

7.根据权利要求6所述的装置，其中菌种以干燥状态结合在所述菌种区的无纺布上。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述上盖的中央位置包括压紧释放按钮，通过按下压紧释放按钮，对所述菌种区待用菌种进行释放和接种，当带有菌种的无纺布与培养区的培养基质发生接触时，则所述菌种开始在所述培养区中生长。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述锁紧结构是楔形锁紧结构，用于锁紧插入其中的所述培养组件。

10.一种用于微生物在空间环境下实施培养、诱导变异与衍化的方法，该方法包括：

提供支撑组件，其包括外部壳体和内部的多个抽屉状分层；以及

提供培养组件，其包括培养区和菌种区，所述菌种区在菌种培养前用于保存待用菌种，以使其与所述培养区隔离，而在菌种培养时，用于释放菌种，以使其与所述培养区接触，从而启动培养过程，

在所述支撑组件的每层抽屉状分层的深处布置锁紧结构，以用于锁紧插入其中的所述培养组件。