空間微藻光生物反應器研究進展

王 超， 毛瑞鑫， 唐永康， 張 震， 艾為黨， 郭雙生*

(1.河北工程大學園林與生態工程學院， 邯鄲 056038；2.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室， 北京 100094)

1 引言

受控生態生命保障系統(Controlled Ecological Life Support System，CELSS)是在長期密封環境下為載人深空探測或地外星球定居等持續再生食物、O2和水等基本生命保障物資的閉環生態系統[1]。 螺旋藻和小球藻等微藻具有光合效率高、培養面積小、生長繁殖快、營養價值高和富含抗氧化劑等特點，可以作為CELSS 的生物部件，在大氣平衡調控和食物穩定性供給等方面起到補充和應急作用。

20 世紀60 年代，美、蘇等國就在航天器上搭載了小球藻等微藻，其后，各國均開展了關于CELSS 微藻生物部件的研究[2]。 艾為黨等[3]通過建立空間微藻光生物反應器地面樣機開展了微藻-小鼠的二元受控生態生保系統研究，表明培養體積為1.6 m3的螺旋藻藻液可以滿足一名乘員的O2供給需求。 Yang 等[4]研究發現小球藻的最大產氧能力可以達到15 mmol/(L˙h)，相當于11.52 g/(L˙d)。 然而，受微重力、培養空間和資源緊缺等因素限制，在空間環境下進行微藻的培養面臨諸多技術難題，很難實現與地面同等的培養效果。 Poughon 等[5]在空間環境下測定了其研制的反應器中微藻產氧能力最高為0.33 mmol/(L˙h)，估算約2.86 m3的藻液可滿足一名乘員的O2需求。 由此可見，空間微藻光生物反應器的運行效率還有較大的提升空間。

本文綜述國內外的微藻搭載試驗，對空間環境下微藻培養的影響因素和空間微藻光生物反應器的研究現狀開展分析，并對當前需要解決的關鍵技術和問題進行探討，為后續中國自主研發空間微藻光生物反應器提供參考。

2 空間環境對微藻培養的影響

航天器的微藻培養面臨輻射、微重力、真空和極端溫度等環境因素的影響。 1960 年，蘇聯在航天器上搭載了小球藻，發現其可以在空間環境下進行光合作用和生長繁殖等生理生化過程[6]。其后，各國開展了大量的微藻搭載研究，包括綠藻門的小球藻、杜氏鹽藻、血球藻和柵藻，藍藻門的螺旋藻、念珠藻、魚腥藻和粘球藻，以及多種裸藻等品種，實驗結果表明，不同藻類均可以在空間環境下進行生長繁殖。

目前微藻的空間搭載實驗已達50 余次[7]，主要的實驗結果如表1 所示。 可以看出，雖然針對空間環境對微藻的影響研究已有50 余年，但不同的實驗結果不同甚至相反，特別是在次級代謝等方面。 早期的研究認為，空間環境對微藻的影響不顯著，如表1 中的發現者號衛星(Dicoverer)和禮炮號空間站(Salyut)上的系列搭載實驗[7]。 隨著技術進步，研究人員發現，搭載過程中藻細胞會產生性狀分離，且在細胞的亞顯微結構、生理生化功能和遺傳變異等方面會發生顯著變化，這可能與空間輻射和微重力等因素的應激響應有關，且不同藻類及同一藻種的不同個體對適應響應都不完全相同[22]。

表1 空間主要微藻搭載實驗情況Table 1 Algae experiments flown in space

值得注意的是，隨著航天器輻射防護技術的進步，輻射影響變得較小而微重力影響可能占居主導地位。 例如，Cockell 等[17]將小球藻等生物群落在國際空間站外的EXPOSE-E 實驗裝置中培養了548 d，由于受到紫外線等輻射影響，藻體中類胡蘿卜素等光合色素含量顯著降低。 同樣，在EXPOSE-E 裝置中培養的擬甲色球藻和念珠藻，由于直接受到宇宙輻射的影響而發展成了新的種群[17]。 然而，Sytnik 等[10]將小球藻在和平號空間站(Mir)內被培養了30 d，雖然其在亞顯微結構和細胞器排布方面發生了顯著變化，呈現出淀粉含量降低而脂肪含量增加的趨勢，但其在生理生化功能和遺傳變異方面差異不顯著。 微重力對微藻的影響可能存在一個適應響應的過程。 李根保等[23]研究表明，變重力能誘導生物膜結構重排而引起脂質過氧化，此時抗氧化系統啟動導致脂質過氧化下降并趨于穩定，因此這是一種細胞的自適應性調控反應。 王高鴻等[15]也發現，空間環境會對微藻的光合系統產生損傷，但微藻可以通過結構上的改變進行適應性生長。 由此可見，只要在航天器內的培養條件得當，微藻可以適應空間環境進行正常的生理活動，從而發揮其作為CELSS 生物部件的功能。

3 空間微藻光生物反應器

空間光生物反應器(Space Photobioreator， SPBR)是在空間環境下為微藻提供適宜光照、溫度、CO2和氮、磷等營養物質并對其培養環境和培養過程進行調節和控制的系統。 不同于地面，該技術不僅需要面臨微重力下培養基(液態)、CO2(氣態)和藻細胞(固態)三相流管理的難題，還需要克服資源緊張和空間集約的困難[24]，加之航天發射和運維成本高昂，因此目前相關研究較少。

3.1 Arthrospira-B

Arthrospira-B 是歐空局微生態生保系統(MELiSSA)項目中探究空間環境條件對微藻及光生物反應器培養過程影響的實驗項目[5]。 2017 年12 月，由法國和比利時聯合設計的4 個反應器(圖1)在國際空間站哥倫布艙內的生物實驗機柜進行了為期5 周的在軌實驗，旨在驗證其運行效果和光合速率等在線監測系統的可靠性。 反應器由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene， PTFE)膜分隔為液室和氣室兩部分，其中液室體積為51 mL，氣室體積為24 mL。 反應器完全密封，不與外界進行物質交換，螺旋藻光合作用所需的碳源由培養基中的HC3提供。 光合作用產生的O2通過PTFE 膜進入氣室后定期排出。 每個反應器集成到一個獨立裝置(IEC，尺寸110 mm× 140 mm×150 mm，體積2.2 L，質量4.7 kg)內，可以實現藻液循環、補給和收集，并對藻生物量和光合效率進行檢測。 藻種為螺旋藻(Limnospira indica PCC8005)，使用改良的Zarrouk 液體培養基，pH 為9.5。

圖1 Arthrospira-B 反應器的硬件組成[5]Fig.1 Structure and hardware for one photobioreactor of Arthrospira-B cultivation[5]

在軌實驗表明，Arthrospira-B 除一個反應器因硬件原因未正常啟動外，其余3 個反應器均進行了4 批次的螺旋藻培養。 這是首個成功完成在軌動態培養的實驗，包括多批次的啟動、接種、培養、調控和收獲等過程，驗證了光生物反應器動態培養的可行性，并首次在軌測定了微藻的光合放氧效率，該工況下最高為0.33 mmol/(L˙h)。 然而，雖然反應器已經采取了液路循環和磁力攪拌的混合方式，但仍然存在光合作用產生的O2不能被及時排出液室和管路的問題。 此外，該反應器中沒有pH 調節部件，劇烈的基質pH 變化也一定程度上影響了運行效率。

3.2 PBR＠LSR

PBR＠LSR(The Experiment Photobioreactor at the Life Support Rack)同樣屬于MELiSSA 的研究項目，由德國斯圖爾特大學和德國空間中心設計，實驗材料為小球藻，有效培養體積約為650 mL，是目前規模最大的空間微藻光生物反應器。 不同于Arthrospira-B 等項目以培養基質中的碳酸鹽為碳源，該實驗將基于物化再生式環控生保技術的LSR(Life Support Rack)和基于生物再生式環控生保技術的微藻光生物反應器(PBR)結合，PBR利用來自LSR 的CO2進行光合作用，產生的O2供給乘員呼吸，是首個將物化再生和生物再生相結合的驗證研究項目[25]。

2019 年5 月，PBR 被送達國際空間站的Destiny 空間實驗室，并與EXPRESS Rack Locker 機柜進行集成聯試。 PBR 主要包括2 部分:微藻實驗艙(Experiment Compartment，EC)和藻液交換部件(Liquid Exchange Device，LED)，如圖2、圖3 所示。 藻液交換部件為乘員提供2 個注射器以進行在軌操作，一個注射器注入基質補充養分、調節酸堿度，另一個抽取等體積藻液，其中部分用于樣品分析。 實驗艙的體積大約10 L，包含環境控制系統和微藻懸浮培養回路(A1gae Suspension Loop，ASL)，可以進行O2、CO2、濕度、溫度、藻生物量和pH 的檢測與控制。 ASL 是小球藻進行光合作用的主要場所，采用2 個跑道式反應器的串聯設計，通過FEP 膜進行藻液和大氣間的O2和CO2氣體交換，如圖4 所示。 PBR 的運行原理是:來自LSR的CO2輸入到微藻實驗艙后，通過FEP 膜進入ASL 的藻液進行光合作用，產生的O2通過FEP膜進入艙室，并被O2吸收組件儲存。 當艙內O2濃度達到25%以上時，和實驗艙內剩余的氣體被一同排出艙外供給乘員呼吸。

圖2 微藻實驗艙[25]Fig.2 Experiment Compartment of microalgae[25]

圖3 藻液交換部件[25]Fig.3 Liquid Exchange Device[25]

圖4 ASL 的結構示意圖[25]Fig. 4 The schematic setup and components of the ASL[25]

PBR＠ LSR 的設計壽命為180 d，但遺憾的是，在其運行到第15 天時因一些硬件原因導致斷電停機而未能完成預定實驗任務[21]。 實驗正常運行期間，飛行組的生物量在前10 天迅速增長，之后由于基質養分不足而下降，而對照組在前14天基本穩定不變。 此外，實驗發現飛行組的藻液光密度顯著高于地面對照，可能是因為微重力環境下藻細胞的沉降和粘附效應降低而導致藻細胞在藻液內均勻分布所致。 以上實驗結果表明，空間環境下可能更有利于微藻的快速生長。

3.3 水生生物二元生態系統

中國空間微藻培養技術的研究起步較晚，但在研究之初就基于生態系統的概念進行設計。 劉永定等[13]將小球藻/澳洲水泡螺以及異養鞭毛藻和小球藻等組合，封裝在8 mL 的樣品管中飛行了15 d，是首個基于二元水生生態系統進行研究的實驗。 實驗中，作為消費者的異養鞭毛藻和水泡螺消耗小球藻產生的O2，并為其提供光合作用的原料CO2。 結果發現，異養鞭毛藻和小球藻的組合能夠正常存活，而水泡螺在培養第8 天死亡，可能與培養基質內CO2濃度過高有關，說明在生態系統運行過程中如何管理微藻的光合作用來控制O2和CO2的平衡至關重要。

2011 年，由中科院水生所和德國空間中心設計的實驗裝置被搭載于神舟八號飛船飛行了17.5 d，如圖5 所示[18]。 反應器由Aeroseal 膜分隔為體積為15 mL 的上腔和45 mL 的下腔，下腔接種眼蟲作為主要生產者，上腔接種3 只澳洲水泡螺作為消費者以及小球藻作為次要生產者。 實驗結果發現，飛行組2 只澳洲水泡螺一只存活、一只死亡，而地面組均存活。 微藻種群方面，裸藻數量顯著增加，且受光照吸引從下腔移動到上腔(地面組上腔裸藻數量為下腔的29 倍，飛行組為2.6 倍)；小球藻數量顯著減少(地面組下降為初始濃度的24%，飛行組為9%)。 分析氮、磷利用率等發現，空間搭載可能引起了微藻的氧化應激反應而降低了系統的初級生產力，加之反應器規模較小和微重力下氣體交換不足等因素，這樣小球藻未能保持種群豐度，從而最終導致水泡螺因食物不足而死亡。

圖5 神州八號搭載的光生物反應器[18]Fig.5 The PBR flown on SZ-8[18]

4 關鍵技術分析

通過分析當前的空間搭載實驗結果可以看出，微藻可以在空間環境下生存，且其生長、代謝和遺傳等方面具有一定的穩定性，因此可以作為生物部件進行開發。 然而，要實現規模化的動態培養、發揮微藻在CELSS 中參與大氣平衡調控和食物補給的功能，必須依靠空間光生物反應器。鑒于技術復雜、成本高昂和限制條件多等因素，空間微藻光生物反應器技術的研究還較少，許多搭載項目均出現了意外，影響到實驗結果，甚至導致任務失敗。 今后空間微藻的應用研究尚有以下關鍵問題需要解決。

4.1 建立微藻物質流平衡生長模型

中國兩次搭載實驗中，引起水泡螺死亡的主要原因是生產者與消費者之間的物質流關系不匹配。 為此，必須全面掌握培養環境(溫度、光照、pH 和基質鹽濃度)對微藻生產能力(O2和有機質等)和消費能力(CO2和礦物元素等)的影響規律，作為操作變量以建立微藻生長模型和智能控制策略。 通過做好培養環境和基質的管理等，以便實現微藻的受控穩定培養[5，26]。

4.2 研制高效空間微藻光生物反應器

空間微重力的存在導致S-PBR 中藻類的CO2供給和O2脫除幾乎只能通過膜曝氣的方式進行[27]，這就極大限制了反應器的設計選擇。 目前規模最大的反應器為PBR＠LSR，其有效培養體積僅為650 mL，能發揮的生保功能非常有限。后續，需要基于膜曝氣技術進行S-PBR 的光照、供氣、循環(氣體交換)和基質管理等方面的優化以提高工作效率，同時通過模塊化設計實現多個反應器的串、并聯工作，以提高S-PBR 的穩定性和冗余度，進而實現多批次的微藻連續培養。

4.3 開展系統級實驗研究

目前，已經在地面上開展了一系列包含微藻的受控生態生保系統研究，如BIOS-I[2]、生物圈2號[28]和綠航星際180 項目[29]等，歐空局的MELiSSA 項目更是針對水生生態的概念開展了大量研究，建立了系列地面樣機[30]。 然而，目前在空間開展的系統級實驗只有PBR＠ LSR 和中科院水生所的搭載實驗。 因此，S-PBR 與其他生保系統集成后的接口匹配等問題還有待進一步研究。

5 小結

本文綜述了國內外開展的空間微藻搭載試驗和光生物反應器技術研究進展，發現雖然空間環境對微藻的形態、生理生化反應和遺傳變異等方面有一定影響，但通過光生物反應器可以實現微藻的在軌培養，并且已經開展了空間驗證研究。目前相關研究還處于初步階段，尚未實現微藻的規?；芸剡B續穩定培養，距離真正作為受控生態生保系統的生物部件，發揮環控生保功能還有很大差距。 2022 年中國將建成空間站，為進一步探究和驗證微藻的空間光生物反應器培養技術提供更多的資源和試驗平臺。 通過分析得出的亟需解決的關鍵技術，可為后續在軌駐留、深空探測和月/火駐留等方面的微藻應用研究提供參考。