中國受控生態生保技術研究進展與展望

郭雙生，吳志強，高　峰，鄧一兵

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京 100094)

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中國受控生態生保技術研究進展與展望

郭雙生，吳志強，高峰，鄧一兵

(中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京 100094)

摘要:建立受控生態生保系統是開展長期載人深空探測和地外星球定居與開發的重要保障條件。中國受控生態生保技術已有二十余年的發展歷史，走過了從概念研究、單項關鍵技術攻關到系統集成技術攻關的過程，以及從地面模擬試驗到飛行驗證的過程，取得了階段性重要成果。就中國受控生態生保技術的發展歷史、現狀水平、當前仍存在的主要技術瓶頸問題和下一步的主要發展思路和重點發展方向等進行了綜合介紹與分析，以期推動中國受控生態生保技術深入發展，盡快滿足載人深空探測對環控生保技術的實際應用需求而發揮參考與借鑒作用。

關鍵詞:受控生態生保技術；概念論證；系統集成技術；發展現狀與展望

1引言

開展長期載人航天和地外星球定居與開發是未來航天技術發展的必然方向，而要實現這一目標需要突破的關鍵技術之一是建立受控生態生保系統(controlled ecological life support system，CELSS)。受控生態生保系統也叫生物再生式生保系統(bio-regenerative life support system，BLSS)、生物生保系統(biological life system，BLS)或第三代生保系統，是在第一代載人飛船非再生式生保系統和第二代空間站物化再生式生保系統的基礎上引入生物部件構建而成，能夠主要利用植物的光合作用和微生物的分解作用持續再生航天員所需的食物、氧氣和水等全部最基本的生保物質，代表著載人航天環控生保技術的最高水平。國外從上世紀50年代開始啟動該技術研究，至今已走過了60余年的發展歷程。美、蘇、歐、日等航天大國和組織最初將重點放在螺旋藻放氧、凈化CO2和生產藻蛋白的能力研究上，但由于微藻生產的大量藻蛋白無法作為主食而只能作為副食或食品添加劑，即無法作為主要生物功能部件，因此后來將重點放在了高等作物上，并開展了廢物資源化再生利用研究[1-3]。在突破單元級關鍵技術的基礎上先后開展了多人多天的系統級集成技術研究，實現了大氣、水、食物等生保物資一定程度的閉合循環[4-6]。另外，俄羅斯在地基研究的基礎上，也進行了空間植物栽培等關鍵技術驗證試驗，在空間微重力條件下實現了小麥等糧食作物的迭代培養[7]。最近，美國等多國航天員在國際空間站吃上了自己親手培育的新鮮蔬菜，這對改善長期駐站航天員的生理和心理狀態以及提供長期載人深空探測和載人火星飛行的生命保障等具有重大意義[8]。然而，目前各航天大國載人航天計劃的不確定性，影響了該技術的發展。

上世紀90年代初，隨著國家載人航天工程的逐步實施，我國開始啟動受控生態生保技術項目研究。我國雖起步較晚，但經過概念論證研究、單元關鍵技術攻關和系統集成關鍵技術攻關等幾個重要發展階段，在科研院所和大專院校形成了多支較強的研究團隊，提出并解決了許多關鍵技術和科學問題，發展勢頭良好，大大縮小了與國外的差距，在國際受控生態生保技術領域產生了重要影響。郭雙生等人進行了國際受控生態生保技術研究綜述[9]，本文則重點就我國受控生態生保技術的發展歷史和現狀進行綜述與分析，并指出當前仍存在的技術難題和未來的發展思路，旨在為將來深入開展CELSS技術研究提供參考。

2總體概念研究

我國從1990年代前期開始啟動受控生態生保技術研究，首先從概念研究開始。當時，中國航天員科研訓練中心(原航天醫學工程研究所，以下簡稱航天員中心)作為總體單位，組織中國科學院植物研究所、微生物研究所、遺傳與發育生物學研究所(原遺傳研究所)、生物物理研究所、上海植物生理與生態研究所(原上海植物生理研究所)、水生生物研究所和福建農科院農業生態研究所(原紅萍研究中心)等相關單位，一同進行了受控生態生保系統概念研究，在充分調研國內外文獻資料的基礎上，提出了我國發展受控生態生保技術的總體目標、研究內容、技術指標、擬突破的關鍵技術、技術發展路線圖和時間表等，為我國之后開展受控生態生保技術研究奠定了重要基礎[10]。2004年北京航空航天大學(以下簡稱北航)也加入了這一研究隊列，在生物再生生保系統建立、候選植物品種選擇及物質流調控設計等方面也開展了研究，提出了一些新的概念和看法[11]。近年來，我國組織開展了載人登月和月球基地受控生態生保系統概念研究，對其建設規模、技術途徑和運營模式等進行了更為系統的規劃與論證，使CELSS的概念更為完整和清晰。

當前形成的基本共識是：受控生態生保系統主要由物質生產單元、乘員消費單元和廢物再生單元等部分組成。物質生產單元主要為糧食蔬菜等植物，其次包括微藻、食用菌或動物等作為補充，主要進行食物和氧氣的生產與供應。另外，需借助于物化技術進行氧氣的應急供應和CO2的應急凈化，以實現系統中氣體成分的基本動態平衡與呼吸代謝安全。廢物再生單元主要為微生物種群，用以進行固體廢物、廢水和廢氣的降解處理，另外需輔助高溫氧化焚燒等物化技術對難降解廢物進行快速、高效和徹底的循環利用，將后處理物再回收施予物質生產單元進行植物培養等，從而實現廢物的資源化循環利用。其基本的技術發展路線圖是：在單元級關鍵技術突破的基礎上，逐步向亞系統級和系統級推進，從而實現規模逐漸擴大、功能逐漸完善、物質閉合度逐漸提高的目標。另外，在地面關鍵技術突破后，則需要進行關鍵技術飛行驗證，在驗證順序上同樣按照單元級、亞系統級到系統級的步驟逐漸推進，從而逐步實現受控生態生保系統在空間平臺或地外星球基地的工程化應用目標。

3單元關鍵技術研究

單元關鍵技術主要包括生保物質生產和資源循環利用兩部分，前者包括植物培養、微藻培養和動物飼養等，后者包括廢水、廢物和廢氣處理及月壤資源化利用等。

3.1物質生產技術

3.1.1高等植物培養

植物是CELSS中的重要生物功能部件，因此我國在這一領域開展的工作最早，也最多，本文重點從以下四個方面進行介紹。

1)候選植物品種篩選

植物品種的選擇至關重要，直接決定著CELSS的長期高效與穩定運行與否。早期，航天員中心參考了國內外的研究經驗，制定了作物篩選標準[12]：(1)可以在密閉生態系統中發揮食物生產、氣體再生與凈化、水再生與凈化和廢物處理與再生等一種或幾種作用；(2)體積?。?3)培養技術相對簡單，對環境條件沒有特殊要求；(4)易于繁殖和移植，遺傳性狀穩定；(5)生長快、周期短、產量高、可食部分比值高；(6)抗病和抗逆性強(如抗病蟲害、干旱、洪澇、鹽堿等)；(7)易于收獲、加工和儲藏；(8)無毒害或腐蝕作用；(9)作為食物須符合人們的飲食文化習慣，并能滿足食譜的多樣化要求；(10)具備一定的本國特色。

基于以上選擇標準并結合我國的作物資源，率先研制成植物培養裝置(圖1)并篩選出了多種葉菜類蔬菜品種。例如，在早期通過實驗篩選出了生菜、油菜、白菜和豌豆等四種蔬菜[12]。后來，進一步通過對蔬菜的光合效率、產量、品質等綜合指標進行評價，從其它九種葉類蔬菜中篩選出四種蔬菜品種：“嫩綠奶油”生菜、“四季”油麥菜、“大速生”生菜和曲麻菜[13]。另外，篩選出較為耐鹽的蔬菜品種——莧菜，其可以在氯化鈉濃度為0.5%的營養液中生長(該濃度為公認的鹽害濃度)，這有利于解決未來CELSS中植物所面臨來自乘員尿液中氯化鈉長期積累所帶來的鹽害問題[14]。

圖1　受控生態生保綜合試驗系統Fig.1　CELSS comprehensive experimental chamber

另外，北航進行了候選作物品種的理論研究，制定了作物篩選標準，并以此為依據，結合中國品種資源進行了理論篩選，共選擇了14個候選作物種，其中包括4個糧食油料作物：小麥(Triticumaestivum L.)、水稻(Oryza sativa L.)、大豆(Glycine max L.)和花生(Arachishypogaea L.)；7個蔬菜種：大白菜(Brassica campestris L.ssp.Chinensis var.communis)、生菜(Lactuca sativa L.var.longifolia Lam.)、小蘿卜(Raphanussativus L.)、胡蘿卜(Daucuscarota L.var.sativa DC.)、番茄(Lycopersiconescalentum L.)、南瓜(Cucurbita moschataDuch.)和辣椒(Capsicum frutescens L.var.longum Bailey)；另外選擇了3個調料作物：香菜(Coriandumsativum L.)、大蔥(Allium fistulosum L.var.giganteum Makino)和大蒜(Allium sativum L.)。針對每個種，擬選用其幾個品種開展各自的農藝學性狀研究[15]。

2)光照對植物生長影響的研究

光照對提高植物的光合放氧效率、產量和品質等極其重要，歷來都是研究重點。早期航天員中心開展了植物光源的選擇研究，例如，1990年代后期對當時新興的電子熒光燈用作CELSS中植物栽培光源的可行性進行了探討[16]，后來重點對迅速崛起的發光二極管(LED)光源進行了深入研究。主要對不同的紅、藍雙色LED燈光質組合進行研究，證明紅光中加入少許藍光則有利于提高大葉生菜的產量和品質，否則紅、藍比例過大或過小均會影響其產量或品質。例如，油麥菜在全紅光下不能正常生長，而5%～20%的藍光比例能提高其光合和蒸騰速率、光合色素含量和生物量，并改善其熒光特性。25%～50%藍光比例使植株光合色素含量進一步增加，但地上生物量明顯下降，根冠比顯著增加。因此一般來說，約90%紅光+約10%藍光組合比較有利于葉菜類生長[17]。

進一步研究證明，生菜光合與蒸騰速率均隨著光照強度的增加而上升。產量方面，生菜地上部鮮重隨光照強度增加而上升，但增幅逐漸變小，光照強度達到556 μmol·m-2·s-1時，繼續增加光照強度產量不再增加。光能利用率隨著光照強度的增加而降低。即適當增加光照強度有利于生菜增產，但會降低其光能利用效率。生菜出苗后第40天為最佳收獲期，此時收獲其營養品質較好[18]。

針對光照對小麥生長的影響也開展了研究。首先，開展了光照強度及栽培密度對小麥光合效率影響的研究。結果證明：(1)在人工環境條件下，小麥的生長發育與大田環境相比呈現出很大差異性，該環境下小麥的生育期縮短10 d 左右，這對于CELSS 高效生產非常有利；(2)在紅+藍LED 光源下，500 μmol·m-2·s-1為最適合小麥生長的光照強度水平，在該水平下，小麥的光合速率和產量均達到最大值；(3)在所設置的栽培密度水平下，栽培密度增大有利于小麥高產，但單株產量會降低，這說明栽培密度仍有可提高的潛力，從而達到合理密植。由此說明，紅、藍LED光質適合小麥生長，可作為CELSS 中小麥培養的光源[19]。另外，研究證明光照強度增強和光照時間延長均可增產，但前者和后者分別對營養體生長和籽粒積累有較強促進作用。因此，長光照條件下小麥生產更為高效，源庫協調性更好[20]。

此外，航天員中心開展了光照對紫背天葵抗氧化劑等次生代謝物合成影響的研究。實驗結果表明，采用紅+藍LED光源，藍光比例從15%增加到30%，有利于花色苷和總黃酮的積累，并能夠增加其抗氧化活性[21]。另外，為了探索促進紫背天葵在受控環境中更好地積累生物活性成分的有效光質條件，進行了三種LED 光源光質條件對紫背天葵揮發油和酚類等次級代謝物的影響研究。結果表明，一定比例的紅、藍、綠三色光組合(紅70%+藍20%+綠10%)為適合于紫背天葵積累更多有用次級代謝產物及提高其營養和藥用價值的光質條件[22]。

3)CO2濃度對植物生長影響的研究

CO2濃度是植物進行光合作用的原料，對植物生長發育和產量品質有重要影響。早期航天員中心在其建成的空間高等植物栽培地面實驗裝置中, 進行了不同CO2濃度對美湖包心生菜生長影響的實驗(2000～10000 μmol·mol-1)，結果表明生菜在CO2濃度為6000 μmol·mol-1時栽培效果較為理想，8000 μmol·mol-1時產量有所提高，但品質略有下降，而當達到10000 μmol·mol-1時則出現明顯的中毒凋亡現象，此時產量和品質均很差。因此，美湖包心生菜栽培艙內CO2濃度宜控制在6000 μmol·mol-1以內[23]。

0.1%～1.0%CO2濃度能夠促進油麥菜植株的光合和蒸騰速率并提高葉綠素和類胡蘿卜素的含量，但更高濃度(1.5%～2.0%)CO2則會導致其下降；在0.1%～2.0%CO2濃度條件下, 油麥菜植株能夠基本正常生長，株高和葉面積都有所增加，但葉片數量卻在下降；隨著CO2濃度梯度增加，油麥菜植株中氮、鉀和Vc的含量下降，磷的含量上升，而微量元素的含量沒有明顯差異。因此表明油麥菜植株在高CO2濃度下能夠基本正常生長，沒有受到嚴重抑制現象，證明其具有較強耐高CO2濃度的能力，因此適宜作為受控生態生保系統候選生物部件[24]。此外，與大氣CO2濃度(約0.036%)相比，0.2%～0.6%濃度的CO2增加了紫背天葵葉片提取物中花色苷和總黃酮的含量及其抗氧化活性，證明紫背天葵具有較好的抗CO2脅迫能力[25]。

此外北航研究證明，在高CO2濃度下小麥籽粒的蛋白質含量下降，并在籽粒灌漿期對“源—庫”流有重要影響，因此可以減少不可食生物量的積累，從而減輕受控生態生保系統中廢物再生利用的負擔[26]。

4)低壓和低氧對植物生長影響的研究

由于月球和火星等地外星球均為高真空環境，因此在這里建立的CELSS應該為一低壓系統，這對減少系統氣體泄漏和降低建設與維護成本等具有重要意義。航天員中心最早建成具有一定規模且功能先進的低壓植物栽培裝置(圖2)，并啟動了低壓和低氧對植物生長影響的研究。研究結果表明，與常壓(101.0 kPa)相比，總壓40.0 kPa和氧分壓8.4 kPa下油麥菜種子發芽率減少7.62%，生長基本正常但生育期延遲，同期收獲時生物量降低13.67%，總糖含量也有所降低；前期平均光合速率和蒸騰速率低于常壓條件，但其后期則有所增加；乙烯釋放量減少38.79%，株高降低11.68%，葉面積、根系所占比例及根系活力分別增加15.43%、2.57%和40.53%，從而說明總壓40.0 kPa和氧分壓8.4 kPa對油麥菜種子發芽和生長有一定影響，因此應采取相應措施來調節其生長發育[27]。

唐永康等人探索了低壓和低氧對不同種類植物種子萌發的影響。對玉米、小麥和水稻等三種植物種子在三種總壓(101 kPa、30 kPa和10 kPa)和三種氧分壓(21 kPa、6 kPa和2 kPa)下進行了8 d的萌發試驗。研究發現，在三種總壓下，氧分壓為6 kPa或2 kPa抑制了以上植物種子的萌發，降低了發芽率，增加了細胞膜透性，使脫氫酶活性下降，同時胚芽和胚根的生長也受到抑制。在低氧下(6 kPa 或2 kPa)，降低總壓(30 kPa或10 kPa)改善了種子萌發的氧氣供應條件，因此促進了種子萌發和胚根生長。玉米種子與小麥或水稻種子相比，對總壓和氧分壓更敏感。最終證明三種總壓下，低氧均抑制種子萌發；當氧氣充足時，三種植物種子均能在30 kPa低壓下正常萌發[28]。

唐永康等人研究了低壓和低氧對植物形態、生理和營養品質等的影響。研究結果表明，在兩種總壓(101 kPa 和30 kPa)下，降低氧分壓( 6 kPa或2 kPa) 顯著抑制了萵苣植株的生長，其生物量、根冠比、含水量、礦質養分、有機組份含量(VC、粗蛋白和粗脂肪)和類胡蘿卜素含量均顯著下降，但葉綠素含量和丙二醛含量顯著增加。相同氧分壓下，總壓降低(30 kPa)并未顯著提高萵苣植株的生物量，但植株的根冠比和含水量增加，降低了低氧條件下萵苣植株中丙二醛含量，并顯著提高了其中多種礦質養分和有機組分的含量。說明30 kPa低壓并不能顯著促進萵苣生長，但可以提高其抵抗低氧逆境的能力和植株的營養品質[29]。

郭雙生等人開展了低壓條件下小麥培養技術研究。結果表明，與常壓相比，低壓下小麥生長基本正常, 但生長初期葉片有卷曲發黃現象；平均光合速率和蒸騰速率分別增加了9.23%和11.54% (低壓處理15 d)；小麥株高降低，分蘗增加，根系所占比重增加，生育期延長5 d左右；生物量和產量分別增加5.46%和4.39%；小麥籽粒蛋白質和總糖含量有所增加，但其它營養成分含量沒有顯著差異。由此說明50 kPa氣壓條件在一定程度上能夠促進小麥的生長發育[30]。此外，郭雙生等人研究了低壓下萵苣變種“四季”油麥菜植株在其細胞、亞細胞和分子水平上的結構、組成和數量等的變化特性。結果證明低壓低氧條件顯著影響油麥菜植株的細胞數量和結構、葉綠體超微結構以及微管的數量和形態，但rbcL基因并未發生突變[31]。

圖 2　低壓植物栽培裝置Fig.2　Low-pressured plant cultivation facility

3.1.2低等植物紅萍培養

紅萍屬于低等蕨類植物，與魚腥藻共生，具有較強的放氧和固氮能力，并可作為很好的綠肥。福建農科院農業生態研究所針對紅萍開展了大量的放氧和CO2凈化試驗研究，結果證明紅萍具有較強的放氧和凈化CO2的能力[32]。

中科院水生所王高鴻等人開展了UV-B對低等植物蕪萍(Wolffia arrhiza)生長影響的研究。研究發現，UV-B輻射能夠顯著抑制蕪萍對CO2的光合同化活動，當植株在UV-B下照射12 h后，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均會顯著下降。UV-B高輻射也會同時導致其原初光化學的光子產量、電子運輸的光子產量以及捕獲激發效能等下降。另外，每個激發橫切面上的PSII反應活動中心的數量和每個吸收的活動反應總數也發生了相應變化。該結果表明UV-B輻射對蕪萍光合作用的效應是由于電子運輸的抑制和反應中心的失活所致，但抑制可能發生在光合器的不只一個地方[33]。

3.1.3微藻及藍細菌培養

螺旋藻和小球藻由于具有生長快、放氧和凈化CO2能力強、藻蛋白營養價值高等優點，因此是最早被考慮用于CELSS研究的生物部件[34]。

2000年代早期，航天員中心艾為黨等人研制成空間微藻光生物反應器樣機，并利用其開展了大量微藻培養技術研究。利用60Co射線輻射源對螺旋藻藻絲體進行不同劑量的輻照處理，發現螺旋藻受該射線輻照后, 其生長速率、光合放氧效率、藻絲體長度以及其它營養生理指標均在一定程度上受到影響，但具有較強的抗輻射和自修復能力，其半致死輻射劑量為2.0 kGy[35]。另外，以目前應用較多的七個螺旋藻品種為研究對象，在光照強度為200 μmol·m-2·s-1、光照周期為24 h(亮)及培養溫度為(30.0±1.0)℃的條件下進行培養，比較了不同藻種的形態特征、生長速率、碳源利用率、營養組分、光合放氧特性以及耐電離輻射能力等指標。結果表明，6號和7號藻種的各項指標比較突出，尤其是6號藻種，在生長速率、蛋白質含量、光合放氧活性以及抗輻射的能力等方面表現更為突出。此外，建立了“藻-鼠”二元生態系統，探討了其中大氣氧和CO2的交換規律，也進一步評價了空間微藻光生物反應器地面試驗樣機生產螺旋藻的能力。結果證明，螺旋藻和小白鼠之間能夠實現氧氣和CO2的交換平衡，螺旋藻具有較強的吸收CO2和放氧能力，可作為未來CELSS中的重要生物部件[36]。

北航胡大偉等人開展了微藻光生物反應器的設計。為了合理操作該反應器，將其設計為閉環控制系統，并應用了人工神經網絡-模型預測控制技術(ANN-MPC)。通過計算機模擬證明ANN-MPC控制器能夠獲取該反應器復雜的動力學性能，而且能夠自動調節光生物反應器所獲取的光強，同時提供合適的阻尼以顯著改善光生物反應器的瞬時反應性能[37]。此外，航天員中心秦利鋒等人開展了模擬月球基地低壓環境下的藍細菌培養試驗研究。在1/2個大氣壓下培養16 d后(每兩天恢復大氣壓到常壓30 min以進行采樣)，藍細菌的生長率降低，但類胡蘿卜素與葉綠素a的比率增加，這是由于前者含量增加而后者含量下降的結果。超微結構表明，與常壓相比，低壓能夠促進胞外聚合物的生成，說明1/2個大氣壓就能引起生物的較強反應，從而為將來設計月球或火星基地提供了參考[38]。

3.1.4動物養殖

在未來的受控生態生保系統中為了給乘員提供較為全面的膳食營養，也需要養殖動物以就地生產動物蛋白。目前一般認為，養殖不產生異味的食草魚等水生動物是一種較為合適的選擇，但也有專家建議進行蠶蛹等可食蠕蟲類的養殖試驗。北航楊玉楠等人進行了受控生態生保系統中蠶蛹飼養的可行性研究，以便為乘員提供動物蛋白。主要探討了營養結構、飼養設備和方法、加工方法及生長條件等，在未來載人深空探測為乘員提供動物蛋白方面提供了一種途徑[39]。另外北航還開展了飼養黃粉蟲生產動物蛋白的試驗研究[40]。

3.2廢物再生利用技術研究

在受控生態生保系統中物質的生產固然重要，而系統所產生的所謂廢物的再生利用同樣極為重要，因為后者如得不到充分徹底的資源化循環利用，系統就無法保持持續運行，而將逐漸喪失功能。下面主要從廢水、固體廢物和廢氣三方面進行介紹。

3.2.1廢水處理

CELSS中，處理廢水最常用的方法是微生物好氧與厭氧方法相結合的降解處理技術，在空間微重力條件下的應用難點是處理液中的水氣分離問題。當前最看好的是采用膜微孔技術進行反應液中的氧氣供應和CO2等氣體脫除，以解決空間微重力條件下的水氣分離問題。

為了開展空間廢水處理試驗研究，探討膜生物反應器處理空間廢水的較適環境條件，航天員中心研制了空間廢水處理膜生物反應器樣機(圖3(a))，利用其進行了微生物馴化，在此基礎上進行了模擬空間廢水處理試驗。結果表明，空間廢水處理膜生物反應器發揮最佳工作效能需要的環境條件分別為：pH6.5～7.5，溫度24.0℃～26.0℃，水力滯留時間20 h，碳氮比0.81；在該條件下模擬空間廢水的化學耗氧量和生物耗氧量下降率均接近90%。這說明，該生物反應器可以有效地進行空間模擬廢水處理，適宜的工藝條件能明顯提高其廢水處理效率[41]。

利用螺旋藻等微藻進行人體尿液凈化處理的途徑也被看好。例如，北航利用螺旋藻進行了人體尿液處理的試驗研究。批次培養的結果表明：尿液中氮的消耗能夠達到99%，而磷的消耗甚至超過99.9%，且處理12.5 g的人體合成尿液可以獲得1.05 g的生物量。連續培養的結果則表明，螺旋藻能夠有效消耗人體尿液中的氮、氯、鉀和硫等元素，其消耗率分別達到99.9%、75.0%、83.7%和 96.0%，且磷的消耗超過了99.9%，這對增加系統的閉合度和安全性十分重要[42]。此外，福建農科院農業生態研究所利用紅萍對尿液進行了5 d的處理試驗研究，證明紅萍對尿液中的氨氮具有很強的吸收能力，尿液中的氨氮濃度從最初的25.25 mg·l-1降低到1.8 mg·l-1，下降率達到92.9%。而且，紅萍也具有較強的離子富集能力[43]。

3.2.2固體廢物處理

實現固體廢物降解處理與循環利用是提高受控生態生保系統物質流閉合度的重要前提，我國多年前就開始進行固體廢物處理與再利用的研究工作。2000年代初，航天員中心研制成微生物廢物處理裝置(圖3(b))，利用其進行了生菜不可食生物量的降解處理，并證明其后處理液可以用作植物的營養液。此后，研制了我國第一代空間微生物廢物處理試驗裝置樣機，并利用其處理液進行了生菜的連續栽培試驗。在第一代樣機的基礎上，應用膜分離技術、水氣分離技術和無泡供氣技術等, 研制成適合于空間微重力條件下工作的特殊無泡膜生物反應器地面樣機。該裝置結構設計合理，主要工作原理滿足空間微重力條件下的工作要求，可作為空間條件下的廢物降解處理裝置[44]。

航天員中心還開展了利用小麥秸稈-土壤的共堆肥(co-compost)降解物作為蔬菜栽培基質的可行性研究。在共堆肥處理過程中，對處理物酸堿度、碳氮比、發芽率、纖維素和木質素等進行了研究。腐熟度通過碳氮比和種子發芽率等進行評價。研究結果表明，在經過45 d的發酵后，含有微生物接種物的最終麥秸-土壤共堆肥趨于成熟，而不含微生物接種物的則未成熟。在植物培養試驗中，具有接種物的栽培基質能夠滿足生菜生長的需要，所培養的植株其可食生物量產量平均達到74.42 g(鮮重)/盆。而在不含微生物接種物的栽培基質中，生菜植株表現出逆境脅迫的癥狀且最終未完成生長周期。另外，氮素轉化試驗結果表明，在有接種物的栽培基質中，在堆肥和植物栽培過程中氮素的缺失率分別為10.0%和3.1%，有23.5%被生菜植株所吸收，而栽培后有63.4%的氮素仍保留在栽培基質中[45]。

圖3　處理裝置外觀圖Fig.3　External view of the prototypes

北航開展了利用植物不可食生物量制備類土壤或稱人工土壤的技術研究。例如，他們進行了三種類土壤基質的加工技術研究。試驗用給料為小麥和水稻的不可食部分。第一種為傳統技術，即利用牡蘑和蚯蚓對小麥秸稈進行連續轉化處理。其它兩種方法分別利用好氧和厭氧微生物發酵處理，隨后利用蚯蚓進行轉化處理。在生產過程中，對類土壤基質中的纖維素、木質素和酸堿度的變化情況進行了測量。利用碳氮比值對其進行腐熟度評價。通過比較可獲得成分及生菜生產率進行了類土壤基質的肥力評價。結果表明，好氧微生物+蚯蚓處理的技術是比較合理的，其處理周期較短，較常規技術縮短了30 d，纖維素和木質素的降解率分別達到98.6%和93.1%，而且生菜的生產率達到12.0 gm-2·d-1[46]。此外，進行了類土壤基質的滲濾物對水稻種子發芽和植株生長影響的試驗研究[47]。

3.2.3廢氣處理

載人航天器座艙內由于人體代謝、材料釋放和廢物處理等過程, 會產生大氣污染物，這些物質的累積會影響人體健康和植物等生物的生長發育, 因此必須將其控制在一定濃度范圍內。例如，乙烯由植物產生，但在密閉環境中當其濃度積累到一定程度時來抑制植物生長并促進其衰老。因此，為了控制密閉植物培養裝置中的乙烯濃度，航天員中心于2005年采用紫外光催化氧化技術研制成乙烯去除裝置, 研究表明該裝置具有較強的乙烯凈化能力，凈化后產物中除CO2和水外，未檢測到其它有毒副產物，因此可以在受控生態生保系統植物栽培系統中得到很好應用[48]。

另外，航天員中心也研發了基于微生物反應器技術的微生物空氣過濾器，以進行微量有害氣體的生物降解與凈化，將廢氣轉化為生物可再利用的CO2、水和鹽分等。例如，唐永康等人研制成微生物空氣過濾器，其中的溫度、含水量、pH值以及氣體的流量和溫濕度等參數均能實行有效控制, 反應器中的微生物經過一段時間馴化后, 對乙烯氣體的最高降解率可達到9.04 mg/(m3·h)。該裝置具有質量輕、體積小、能耗低、便于維護以及能在微重力條件下運行等優點, 在未來的航天領域具有廣闊的應用前景[49]。

3.3月壤資源化利用研究

實現受控生態生保系統的持續運行必須要有礦物元素的補充，而對月壤開采和資源化利用則被認為是一種有效途徑。因此，在國家自然科學基金青年項目的支持下，航天員中心秦利鋒等人以藍細菌為實驗材料，對其在模擬月壤cas-1中的生長狀態進行了研究，從生長速率、細胞形態、細胞色素含量等方面探索了月壤對藍細菌適應性的影響。實驗結果表明，四種實驗藍細菌的生長能夠適應模擬月壤的影響，其生長速率在模擬月壤處理中保持了與常規培養基相似的生長曲線；模擬月壤顆粒上附著生長的菌體形態與對照相比無明顯變化；模擬月壤處理后的菌體內色素含量與對照條件下培養的結果無顯著差異。該結果對于未來開發月壤資源和構建月球基地受控生態生保系統具有一定意義[50]。

4系統集成技術研究

我國在開展CELSS單元級關鍵技術試驗研究的基礎上，從2000年代中期開始，逐步開展了人員逐漸增多、封閉時間逐漸延長、物質閉合度逐漸提高的系統級集成技術試驗研究，主要進展情況如下：

4.12人7天人—萍—魚氣體交換試驗

福建農科院農業生態研究所相繼開展了2人3天和2人7天的人與紅萍之間氧氣和CO2的氣體交換試驗。首先進行了2人3天的人-萍氣體交換試驗，證明培養面積為8 m2的紅萍能夠提供一個人的呼吸用氧并凈化其呼出的CO2。隨后進行了2人7天的“紅萍-魚-人”整合試驗研究，證明該生態系統中氧和CO2可以達到平衡，再次證明紅萍具有較強的氧氣生產能力[51]。

4.22人30天CELSS集成技術試驗

2012年底，航天員中心建成受控生態生保系統集成試驗平臺(圖4)，并開展了2人30天受控生態系統“人-植物-微生物”大氣、水和食物等物質流交換及其動態平衡調控技術試驗研究。受控生態生保系統集成試驗平臺包括12個分系統，其中植物艙占地面積64 m2，植物栽培面積36 m2，共培養了生菜、油麥菜、紫背天葵和苦菊等四種色拉性蔬菜。試驗結果證明，通過對植物栽培品種和面積、植物光照、營養液電導率等采取一系列優化調控措施，最終系統內大氣、水和食物的閉合度分別達到了100.0%、84.5%和9.3%，物質總閉合度達到95.1%，系統能效比達到59.56 g/(kWm-2d-1)；證明種植面積為13.5 m2的四種共生植物可以滿足一人的呼吸供氧需求；初步掌握了密閉生態系統中植物與人和微生物之間的物質流特性及其動態平衡調控技術，并認識了該系統中人、植物和環境三者之間的交互關系。該研究對于認識受控生態系統中人、植物(即生物部件)、環境三者的界面關系，認識環控生保系統非再生、物理化學再生和生物再生技術三者的融合與協同模式，認識和初步掌握密閉生態系統中植物和人之間的物質流特性及其動態平衡調控技術有重要的意義[52-54]。

圖4　受控生態生保系統試驗平臺及原理圖Fig.4　Integrated test platform and the schematic diagram of CELSS

4.33人105天BLSS集成技術試驗

2014年初，北航劉紅團隊建成月宮1號生物再生生保技術集成試驗平臺，并開展了3人105天的生物再生式生保系統集成技術試驗研究。該平臺主要由植物艙、乘員艙和資源艙組成，其中植物艙種植面積為69 m2。試驗期間批次培養了小麥、生菜、草莓等22種糧食、蔬菜、油料和科學實驗作物。其大氣、水和食物達到了較高閉合度，艙內廢物被處理后予以儲存而并未參與系統內的物質流循環[55]。據稱，他們下一步將對月宮1號進一步完善，即增加第二個植物艙并會使廢物參與物質流循環利用，以便開展人員更多、時間更長和物質流閉合程度更高的BLSS集成試驗研究。

5空間關鍵技術驗證研究

在空間植物培養中，植物根部的水分與養分供應技術是決定空間植物栽培成敗的關鍵因素。為了突破這一問題，航天員中心于2000年代初期率先研制成功空間植物栽培裝置地面試驗樣機，用于突破多孔陶瓷顆粒與多孔陶瓷管相結合的水分供應技術以及植物根部栽培基質的長效緩釋肥料供應技術。另外，先后研制成空間微藻光生物反應器、空間微生物廢水處理和空間微生物廢物處理等裝置的地面試驗樣機，并通過地面試驗驗證了其可行性，為研制空間飛行驗證裝置奠定了重要基礎[44,56-57]。近期，北航與俄羅斯生物醫學問題研究所合作研制成角形空間植物裝置地基樣機，可模擬微重力效應并連續進行蔬菜生產[58]。

飛行器艙內物體處于微重力狀態，由于空間搭載機會較少，生物學研究多采用地面模擬方式進行，模擬微重力所采用的設備通常為二維或三維回旋儀。中科院水生所王高鴻等人做了模擬微重力條件下小型水生閉合生態系統的研究，研究表明，微重力條件下小球藻濃度在降低，這可能是在微重力環境下生物啟動抗逆途徑從而致使生產者生產速率減小。說明微重力是影響空間二元水生封閉生態系統運行的主要因素。另外，他們建立了小球藻和澳洲水泡螺二元水生封閉生態系統，研究微重力對此二元系統運行的影響。在10-3g～10-4g微重力條件下進行試驗研究，結果表明這個系統可以穩定運行3個月以上[59]。

6展望

我國受控生態生保技術走過了二十余年的發展歷程，取得了重要研究成果，在國際上已受到關注，但是與國際發展水平以及實際應用技術水平要求相比還有很大差距，主要體現在以下幾方面：

1)部分單項關鍵技術還尚未完全掌握與優化；

2)集成系統中物質流高閉合度協同調控技術尚未完全掌握；

3)對系統長期運行過程中人-機-環境之間的相互作用和影響關系系統中生物再生單元與物化再生單元等相互之間的協同匹配關系、封閉系統長期運行條件下動植物和微生物之間的相互作用關系及其遺傳穩定性及變異情況等的認識與把握不充分；

4)缺乏系統長期封閉條件下運行的安全可靠性保障措施。

航天員中心近期在深圳國際低碳城附近建成大型密閉生態循環系統驗證平臺，即將開展4人180天的受控生態生保系統集成技術試驗研究，擬實現系統中較高的大氣、水和食物的閉合度及較高的廢物資源化利用率。

密閉生態循環系統驗證平臺共包括八個艙段，可滿足開展六人長期集成試驗的需要。八個艙段(如圖5)分別是：植物艙Ⅰ、植物艙Ⅱ、植物艙Ⅲ、植物艙Ⅳ、兩個乘員艙(上下層)、生保艙和資源艙。植物艙Ⅰ、植物艙Ⅱ、植物艙Ⅲ和植物艙Ⅳ的栽培面積分別為63.84 m2、86.52 m2、29.4 m2和12.85 m2，植物總栽培面積為192.16 m2。植物艙Ⅰ擬用于栽培蔬菜、水果和油料作物，植物艙Ⅱ、植物艙Ⅲ和植物艙Ⅳ擬用于栽培小麥、馬鈴薯和部分蔬菜水果等作物，可為乘員提供生存所需的食物和呼吸用氧，并同化乘員呼出的CO2。

圖5　密閉生態循環系統驗證平臺外部結構示意圖Fig.5　Schematic diagram of the external structure of closed ecological recycling system demonstration platform

該研究將是近期我國受控生態生保技術領域的一項重大試驗研究項目，其總體方案設計周密、平臺技術指標先進、集成試驗和相關科學搭載實驗的內容豐富，規模大、周期長，得到國際同行專家的積極參與和高度關注，因此研究結果值得期待。該工作為推動我國受控生態生保技術再一次實現跨越式發展必將發揮積極作用。

另外，應積極爭取在我國不久建成的空間站上逐步在單元級、亞系統級和系統級水平上開展CELSS關鍵技術空間驗證試驗，爭取盡早實現該技術在空間站以及未來月球、火星等地外星球基地的工程化部署與應用。

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Progress and Prospect of Controlled Ecological Life Support Technology in China

GUO Shuangsheng, WU Zhiqiang, GAO Feng, DENG Yibing

(National Key Laboratory of Human Factors Engineering, China Astronaut Research and Training Center,Beijing 100094, China)

Abstract:Construction of the controlled ecological life support system is an important supporting condition for the human deep-space exploration and the extraterrestrial inhabitation and development in the future. In China, the controlled ecological life support technology has developed for over two decades from the conceptual research, to the key unit-level and integrated system-level technology, and from the ground-based simulation test to the spaceflight demonstration test, and many important milestone research results have been obtained. In this paper, the history, the present status, the existing problems and the future plans of CELSS technology in China were introduced and analyzed in detail so as to provide reference for the future development of the CELSS technology in China.

Key words:controlled ecological life support technology; conceptual demonstration; system integration technology; present status and prospect

收稿日期：2015-11-30；修回日期：2016-04-11

基金項目：載人航天預先研究項目(040201)

作者簡介：郭雙生(1964-)，男，博士，研究員，研究方向為載人航天受控生態生保技術。E-mail：guoshuangsheng@sina.com

中圖分類號：V419

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0269-12