陆月盈，女，硕士研究生，研究方向为空间生命科学与生命保障技术。 E-

?通讯作者：付玉明，男，博士，副教授，研究方向为空间生命科学与生命保障技术。 E-

1 引言

载人航天器为航天员工作生活提供适宜环境的同时，也为微生物的滋生提供了有利条件。1986 年开始服役的和平号空间站到其完成使命坠毁期间一直受到微生物的破坏[1-2]。 在国际空间站中发现了234 种微生物存在，其中，真菌126种，细菌108 种[3]。 这些大量滋生的微生物不仅会腐蚀降解材料、毁坏空间站设备，一些致病性微生物还会给航天员带来健康问题[4-6]。 因此，及时有效地对空间站等空间密闭舱室中的微生物进行监测与控制，对空间站的建设及在太空中稳健生存具有重大意义。

目前，空间站等在轨飞行器采用常规培养与快速检测相结合、在轨培养与地面分析相结合的方式来监测分析材料表面的微生物数量。 常规培养包括培养基接触片和表面采样拭子，此方法简单实用，但所需分析时间长，在轨培养至少需要72 h，且成本较高；另外，采样拭子擦拭取样，不能直接用于不能接触的部分或对用于取样的水基质敏感的部分[7]。 快速检测方法包括使用手持微生物检测设备—LOCAD-PTS 微生物检测装置[8-9]和基于腺嘌呤核苷三磷酸 ( Adenosine triphosphate，ATP) 生物发光的微生物检测方法[10-11]，此方法可大大缩短时间，但成本较高，并且可能由于生物材料中存在的ATP 而干扰检测结果。 为此，急需寻求一种快速有效、非侵入式、非破坏性的技术来监测评估微生物污染情况。

图像信息是人类获得外界信息的主要来源。基于图像处理与视觉分析的菌落图像自动分析系统能够自动、快速、客观地统计图像中包含的菌落数目并提取菌落的各种特征参数，极大地减轻了工作量，从而得到了广泛的应用[12]。 国际上也正在研究新的影像技术来对航天器上的微生物进行监测评估[13]。 机器学习是用计算机来模拟或实现人类的学习行为，随着新兴算法的不断提出，其在图像识别与图像分类中的应用也越来越广泛。Jiao 等[14]选取了30 种微生物，通过卷积神经网络提取图像特征，然后通过传统的随机森林算法完成了最终的分类任务，但是准确率不高，且没有用多种算法进行比较分析。

针对空间舱室内滋生的特定微生物，尚未有利用机器学习算法进行图像识别和分类的研究。因此，本文提出一种基于机器学习和数字图像分析监测评估密闭舱室表面微生物污染的方法，以期快速实时得到表面微生物覆盖面积，从而表征微生物污染情况。

2 数据集

2.1 真菌腐蚀实验

选取空间密闭舱室的4 种常见真菌——芽枝状枝孢霉(cladosporium cladosporioides)、黑曲霉( aspergillus niger )、 杂 色 曲 霉 ( aspergillus versicolor)、金灰青霉(penicillium aurantiogriseum)作为实验菌株，接种在航天领域中常见的铝合金板(5A06)材料表面并进行培养。

2.1.1 实验板材的处理

将铝合金板裁剪为5 cm×5 cm 的薄片，并使用砂纸对其进行机械老化，便于细菌粘附定殖，同时防止后续照相时出现严重的反光现象。

2.1.2 培养基的配置

实验选用孟加拉红、马铃薯葡萄糖琼脂(Potato Dextrose Agar，PDA)和马铃薯葡萄糖肉汤(Potato Dextrose Broth，PDB)培养基3 种，分别用于真菌计数、扩大培养及菌株活化。

2.1.3 真菌接种

在一次性培养皿的底部和盖子上分别放置经无菌超纯水充分湿润的定性滤纸，营造湿润的适宜真菌生长的环境。 将铝合金板材料放置在一次性平板中，并在材料表面喷洒适量的未凝固的灭菌过的PDA 培养基，用来模拟空间站等空间密闭舱室环境中的富营养环境。 待冷却1 h 后，将制备好的真菌孢子悬浮液用喷壶喷洒到铝合金板材料表面，放入培养箱进行连续培养，温度为28 ℃，相对湿度为65%。

2.2 真菌滋生图像及生物量数据获取

培养3 天后，将接种后的铝合金板材料从培养箱中取出，拆除封口膜，使用佳能(Canon) EOS 70D 相机在相同的环境和参数下对铝合金板材料进行拍照获得图像数据，注意尽可能避免灯光反射。

随机选择部分铝合金板材料，采用平板菌落计数法[15]对其真菌生物量进行测定。

用灭菌后的刀片将材料表面真菌轻轻刮下，放入50 mL 离心管中，加入10 mL 磷酸盐缓冲液、5 个直径为6 mm 的玻璃球和20 个直径为2 mm的玻璃球。 置于振荡器中振荡约15 ～20 min，使得真菌完全脱落，获得含有全部真菌的磷酸盐缓冲液。 根据真菌生长情况，对每个样品进行3 个梯度稀释(稀释倍数为10-1、10-2、10-3)，然后分别吸取50 μL 加入到孟加拉红培养基平板中，用涂布棒涂抹均匀，每个梯度设置3 个平行。 密封后倒置培养，温度为28 ℃，相对湿度为65%。