中國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)研究進(jìn)展與展望

郭雙生，吳志強(qiáng)，高　峰，鄧一兵

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

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中國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)研究進(jìn)展與展望

郭雙生，吳志強(qiáng)，高峰，鄧一兵

(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

摘要:建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)是開展長(zhǎng)期載人深空探測(cè)和地外星球定居與開發(fā)的重要保障條件。中國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)已有二十余年的發(fā)展歷史，走過(guò)了從概念研究、單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)到系統(tǒng)集成技術(shù)攻關(guān)的過(guò)程，以及從地面模擬試驗(yàn)到飛行驗(yàn)證的過(guò)程，取得了階段性重要成果。就中國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀水平、當(dāng)前仍存在的主要技術(shù)瓶頸問(wèn)題和下一步的主要發(fā)展思路和重點(diǎn)發(fā)展方向等進(jìn)行了綜合介紹與分析，以期推動(dòng)中國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)深入發(fā)展，盡快滿足載人深空探測(cè)對(duì)環(huán)控生保技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需求而發(fā)揮參考與借鑒作用。

關(guān)鍵詞:受控生態(tài)生保技術(shù)；概念論證；系統(tǒng)集成技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1引言

開展長(zhǎng)期載人航天和地外星球定居與開發(fā)是未來(lái)航天技術(shù)發(fā)展的必然方向，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一是建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)(controlled ecological life support system，CELSS)。受控生態(tài)生保系統(tǒng)也叫生物再生式生保系統(tǒng)(bio-regenerative life support system，BLSS)、生物生保系統(tǒng)(biological life system，BLS)或第三代生保系統(tǒng)，是在第一代載人飛船非再生式生保系統(tǒng)和第二代空間站物化再生式生保系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入生物部件構(gòu)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(xù)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(zhì)，代表著載人航天環(huán)控生保技術(shù)的最高水平。國(guó)外從上世紀(jì)50年代開始啟動(dòng)該技術(shù)研究，至今已走過(guò)了60余年的發(fā)展歷程。美、蘇、歐、日等航天大國(guó)和組織最初將重點(diǎn)放在螺旋藻放氧、凈化CO2和生產(chǎn)藻蛋白的能力研究上，但由于微藻生產(chǎn)的大量藻蛋白無(wú)法作為主食而只能作為副食或食品添加劑，即無(wú)法作為主要生物功能部件，因此后來(lái)將重點(diǎn)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(jí)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上先后開展了多人多天的系統(tǒng)級(jí)集成技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了大氣、水、食物等生保物資一定程度的閉合循環(huán)[4-6]。另外，俄羅斯在地基研究的基礎(chǔ)上，也進(jìn)行了空間植物栽培等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，在空間微重力條件下實(shí)現(xiàn)了小麥等糧食作物的迭代培養(yǎng)[7]。最近，美國(guó)等多國(guó)航天員在國(guó)際空間站吃上了自己親手培育的新鮮蔬菜，這對(duì)改善長(zhǎng)期駐站航天員的生理和心理狀態(tài)以及提供長(zhǎng)期載人深空探測(cè)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(guó)載人航天計(jì)劃的不確定性，影響了該技術(shù)的發(fā)展。

上世紀(jì)90年代初，隨著國(guó)家載人航天工程的逐步實(shí)施，我國(guó)開始啟動(dòng)受控生態(tài)生保技術(shù)項(xiàng)目研究。我國(guó)雖起步較晚，但經(jīng)過(guò)概念論證研究、單元關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等幾個(gè)重要發(fā)展階段，在科研院所和大專院校形成了多支較強(qiáng)的研究團(tuán)隊(duì)，提出并解決了許多關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題，發(fā)展勢(shì)頭良好，大大縮小了與國(guó)外的差距，在國(guó)際受控生態(tài)生保技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。郭雙生等人進(jìn)行了國(guó)際受控生態(tài)生保技術(shù)研究綜述[9]，本文則重點(diǎn)就我國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與分析，并指出當(dāng)前仍存在的技術(shù)難題和未來(lái)的發(fā)展思路，旨在為將來(lái)深入開展CELSS技術(shù)研究提供參考。

2總體概念研究

我國(guó)從1990年代前期開始啟動(dòng)受控生態(tài)生保技術(shù)研究，首先從概念研究開始。當(dāng)時(shí)，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心(原航天醫(yī)學(xué)工程研究所，以下簡(jiǎn)稱航天員中心)作為總體單位，組織中國(guó)科學(xué)院植物研究所、微生物研究所、遺傳與發(fā)育生物學(xué)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(tài)研究所(原上海植物生理研究所)、水生生物研究所和福建農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(原紅萍研究中心)等相關(guān)單位，一同進(jìn)行了受控生態(tài)生保系統(tǒng)概念研究，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)發(fā)展受控生態(tài)生保技術(shù)的總體目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、技術(shù)指標(biāo)、擬突破的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)發(fā)展路線圖和時(shí)間表等，為我國(guó)之后開展受控生態(tài)生保技術(shù)研究奠定了重要基礎(chǔ)[10]。2004年北京航空航天大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱北航)也加入了這一研究隊(duì)列，在生物再生生保系統(tǒng)建立、候選植物品種選擇及物質(zhì)流調(diào)控設(shè)計(jì)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(lái)，我國(guó)組織開展了載人登月和月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)概念研究，對(duì)其建設(shè)規(guī)模、技術(shù)途徑和運(yùn)營(yíng)模式等進(jìn)行了更為系統(tǒng)的規(guī)劃與論證，使CELSS的概念更為完整和清晰。

當(dāng)前形成的基本共識(shí)是：受控生態(tài)生保系統(tǒng)主要由物質(zhì)生產(chǎn)單元、乘員消費(fèi)單元和廢物再生單元等部分組成。物質(zhì)生產(chǎn)單元主要為糧食蔬菜等植物，其次包括微藻、食用菌或動(dòng)物等作為補(bǔ)充，主要進(jìn)行食物和氧氣的生產(chǎn)與供應(yīng)。另外，需借助于物化技術(shù)進(jìn)行氧氣的應(yīng)急供應(yīng)和CO2的應(yīng)急凈化，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中氣體成分的基本動(dòng)態(tài)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(jìn)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(shù)對(duì)難降解廢物進(jìn)行快速、高效和徹底的循環(huán)利用，將后處理物再回收施予物質(zhì)生產(chǎn)單元進(jìn)行植物培養(yǎng)等，從而實(shí)現(xiàn)廢物的資源化循環(huán)利用。其基本的技術(shù)發(fā)展路線圖是：在單元級(jí)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，逐步向亞系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)推進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大、功能逐漸完善、物質(zhì)閉合度逐漸提高的目標(biāo)。另外，在地面關(guān)鍵技術(shù)突破后，則需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)飛行驗(yàn)證，在驗(yàn)證順序上同樣按照單元級(jí)、亞系統(tǒng)級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的步驟逐漸推進(jìn)，從而逐步實(shí)現(xiàn)受控生態(tài)生保系統(tǒng)在空間平臺(tái)或地外星球基地的工程化應(yīng)用目標(biāo)。

3單元關(guān)鍵技術(shù)研究

單元關(guān)鍵技術(shù)主要包括生保物質(zhì)生產(chǎn)和資源循環(huán)利用兩部分，前者包括植物培養(yǎng)、微藻培養(yǎng)和動(dòng)物飼養(yǎng)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(zhì)生產(chǎn)技術(shù)

3.1.1高等植物培養(yǎng)

植物是CELSS中的重要生物功能部件，因此我國(guó)在這一領(lǐng)域開展的工作最早，也最多，本文重點(diǎn)從以下四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1)候選植物品種篩選

植物品種的選擇至關(guān)重要，直接決定著CELSS的長(zhǎng)期高效與穩(wěn)定運(yùn)行與否。早期，航天員中心參考了國(guó)內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)，制定了作物篩選標(biāo)準(zhǔn)[12]：(1)可以在密閉生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮食物生產(chǎn)、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)體積小；(3)培養(yǎng)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境條件沒(méi)有特殊要求；(4)易于繁殖和移植，遺傳性狀穩(wěn)定；(5)生長(zhǎng)快、周期短、產(chǎn)量高、可食部分比值高；(6)抗病和抗逆性強(qiáng)(如抗病蟲害、干旱、洪澇、鹽堿等)；(7)易于收獲、加工和儲(chǔ)藏；(8)無(wú)毒害或腐蝕作用；(9)作為食物須符合人們的飲食文化習(xí)慣，并能滿足食譜的多樣化要求；(10)具備一定的本國(guó)特色。

基于以上選擇標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合我國(guó)的作物資源，率先研制成植物培養(yǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)篩選出了生菜、油菜、白菜和豌豆等四種蔬菜[12]。后來(lái)，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)蔬菜的光合效率、產(chǎn)量、品質(zhì)等綜合指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)(該濃度為公認(rèn)的鹽害濃度)，這有利于解決未來(lái)CELSS中植物所面臨來(lái)自乘員尿液中氯化鈉長(zhǎng)期積累所帶來(lái)的鹽害問(wèn)題[14]。

圖1　受控生態(tài)生保綜合試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　CELSS comprehensive experimental chamber

另外，北航進(jìn)行了候選作物品種的理論研究，制定了作物篩選標(biāo)準(zhǔn)，并以此為依據(jù)，結(jié)合中國(guó)品種資源進(jìn)行了理論篩選，共選擇了14個(gè)候選作物種，其中包括4個(gè)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(gè)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(gè)調(diào)料作物：香菜(Coriandumsativum L.)、大蔥(Allium fistulosum L.var.giganteum Makino)和大蒜(Allium sativum L.)。針對(duì)每個(gè)種，擬選用其幾個(gè)品種開展各自的農(nóng)藝學(xué)性狀研究[15]。

2)光照對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究

光照對(duì)提高植物的光合放氧效率、產(chǎn)量和品質(zhì)等極其重要，歷來(lái)都是研究重點(diǎn)。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(duì)當(dāng)時(shí)新興的電子熒光燈用作CELSS中植物栽培光源的可行性進(jìn)行了探討[16]，后來(lái)重點(diǎn)對(duì)迅速崛起的發(fā)光二極管(LED)光源進(jìn)行了深入研究。主要對(duì)不同的紅、藍(lán)雙色LED燈光質(zhì)組合進(jìn)行研究，證明紅光中加入少許藍(lán)光則有利于提高大葉生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，否則紅、藍(lán)比例過(guò)大或過(guò)小均會(huì)影響其產(chǎn)量或品質(zhì)。例如，油麥菜在全紅光下不能正常生長(zhǎng)，而5%～20%的藍(lán)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(lán)光比例使植株光合色素含量進(jìn)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(lái)說(shuō)，約90%紅光+約10%藍(lán)光組合比較有利于葉菜類生長(zhǎng)[17]。

進(jìn)一步研究證明，生菜光合與蒸騰速率均隨著光照強(qiáng)度的增加而上升。產(chǎn)量方面，生菜地上部鮮重隨光照強(qiáng)度增加而上升，但增幅逐漸變小，光照強(qiáng)度達(dá)到556 μmol·m-2·s-1時(shí)，繼續(xù)增加光照強(qiáng)度產(chǎn)量不再增加。光能利用率隨著光照強(qiáng)度的增加而降低。即適當(dāng)增加光照強(qiáng)度有利于生菜增產(chǎn)，但會(huì)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(shí)收獲其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較好[18]。

針對(duì)光照對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響也開展了研究。首先，開展了光照強(qiáng)度及栽培密度對(duì)小麥光合效率影響的研究。結(jié)果證明：(1)在人工環(huán)境條件下，小麥的生長(zhǎng)發(fā)育與大田環(huán)境相比呈現(xiàn)出很大差異性，該環(huán)境下小麥的生育期縮短10 d 左右，這對(duì)于CELSS 高效生產(chǎn)非常有利；(2)在紅+藍(lán)LED 光源下，500 μmol·m-2·s-1為最適合小麥生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度水平，在該水平下，小麥的光合速率和產(chǎn)量均達(dá)到最大值；(3)在所設(shè)置的栽培密度水平下，栽培密度增大有利于小麥高產(chǎn)，但單株產(chǎn)量會(huì)降低，這說(shuō)明栽培密度仍有可提高的潛力，從而達(dá)到合理密植。由此說(shuō)明，紅、藍(lán)LED光質(zhì)適合小麥生長(zhǎng)，可作為CELSS 中小麥培養(yǎng)的光源[19]。另外，研究證明光照強(qiáng)度增強(qiáng)和光照時(shí)間延長(zhǎng)均可增產(chǎn)，但前者和后者分別對(duì)營(yíng)養(yǎng)體生長(zhǎng)和籽粒積累有較強(qiáng)促進(jìn)作用。因此，長(zhǎng)光照條件下小麥生產(chǎn)更為高效，源庫(kù)協(xié)調(diào)性更好[20]。

此外，航天員中心開展了光照對(duì)紫背天葵抗氧化劑等次生代謝物合成影響的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用紅+藍(lán)LED光源，藍(lán)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(jìn)紫背天葵在受控環(huán)境中更好地積累生物活性成分的有效光質(zhì)條件，進(jìn)行了三種LED 光源光質(zhì)條件對(duì)紫背天葵揮發(fā)油和酚類等次級(jí)代謝物的影響研究。結(jié)果表明，一定比例的紅、藍(lán)、綠三色光組合(紅70%+藍(lán)20%+綠10%)為適合于紫背天葵積累更多有用次級(jí)代謝產(chǎn)物及提高其營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值的光質(zhì)條件[22]。

3)CO2濃度對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究

CO2濃度是植物進(jìn)行光合作用的原料，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)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(shí)驗(yàn)裝置中, 進(jìn)行了不同CO2濃度對(duì)美湖包心生菜生長(zhǎng)影響的實(shí)驗(yàn)(2000～10000 μmol·mol-1)，結(jié)果表明生菜在CO2濃度為6000 μmol·mol-1時(shí)栽培效果較為理想，8000 μmol·mol-1時(shí)產(chǎn)量有所提高，但品質(zhì)略有下降，而當(dāng)達(dá)到10000 μmol·mol-1時(shí)則出現(xiàn)明顯的中毒凋亡現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)均很差。因此，美湖包心生菜栽培艙內(nèi)CO2濃度宜控制在6000 μmol·mol-1以內(nèi)[23]。

0.1%～1.0%CO2濃度能夠促進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(zhǎng)，株高和葉面積都有所增加，但葉片數(shù)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(méi)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(zhǎng)，沒(méi)有受到嚴(yán)重抑制現(xiàn)象，證明其具有較強(qiáng)耐高CO2濃度的能力，因此適宜作為受控生態(tài)生保系統(tǒng)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(zhì)含量下降，并在籽粒灌漿期對(duì)“源—庫(kù)”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(tài)生保系統(tǒng)中廢物再生利用的負(fù)擔(dān)[26]。

4)低壓和低氧對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究

由于月球和火星等地外星球均為高真空環(huán)境，因此在這里建立的CELSS應(yīng)該為一低壓系統(tǒng)，這對(duì)減少系統(tǒng)氣體泄漏和降低建設(shè)與維護(hù)成本等具有重要意義。航天員中心最早建成具有一定規(guī)模且功能先進(jìn)的低壓植物栽培裝置(圖2)，并啟動(dòng)了低壓和低氧對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究。研究結(jié)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(fā)芽率減少7.62%，生長(zhǎng)基本正常但生育期延遲，同期收獲時(shí)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(shuō)明總壓40.0 kPa和氧分壓8.4 kPa對(duì)油麥菜種子發(fā)芽和生長(zhǎng)有一定影響，因此應(yīng)采取相應(yīng)措施來(lái)調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)發(fā)育[27]。

唐永康等人探索了低壓和低氧對(duì)不同種類植物種子萌發(fā)的影響。對(duì)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(jìn)行了8 d的萌發(fā)試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)，降低了發(fā)芽率，增加了細(xì)胞膜透性，使脫氫酶活性下降，同時(shí)胚芽和胚根的生長(zhǎng)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(fā)的氧氣供應(yīng)條件，因此促進(jìn)了種子萌發(fā)和胚根生長(zhǎng)。玉米種子與小麥或水稻種子相比，對(duì)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(fā)；當(dāng)氧氣充足時(shí)，三種植物種子均能在30 kPa低壓下正常萌發(fā)[28]。

唐永康等人研究了低壓和低氧對(duì)植物形態(tài)、生理和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等的影響。研究結(jié)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(zhǎng)，其生物量、根冠比、含水量、礦質(zhì)養(yǎng)分、有機(jī)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(zhì)養(yǎng)分和有機(jī)組分的含量。說(shuō)明30 kPa低壓并不能顯著促進(jìn)萵苣生長(zhǎng)，但可以提高其抵抗低氧逆境的能力和植株的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[29]。

郭雙生等人開展了低壓條件下小麥培養(yǎng)技術(shù)研究。結(jié)果表明，與常壓相比，低壓下小麥生長(zhǎng)基本正常, 但生長(zhǎng)初期葉片有卷曲發(fā)黃現(xiàn)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(zhǎng)5 d左右；生物量和產(chǎn)量分別增加5.46%和4.39%；小麥籽粒蛋白質(zhì)和總糖含量有所增加，但其它營(yíng)養(yǎng)成分含量沒(méi)有顯著差異。由此說(shuō)明50 kPa氣壓條件在一定程度上能夠促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)發(fā)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(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平上的結(jié)構(gòu)、組成和數(shù)量等的變化特性。結(jié)果證明低壓低氧條件顯著影響油麥菜植株的細(xì)胞數(shù)量和結(jié)構(gòu)、葉綠體超微結(jié)構(gòu)以及微管的數(shù)量和形態(tài)，但rbcL基因并未發(fā)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(yǎng)

紅萍屬于低等蕨類植物，與魚腥藻共生，具有較強(qiáng)的放氧和固氮能力，并可作為很好的綠肥。福建農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所針對(duì)紅萍開展了大量的放氧和CO2凈化試驗(yàn)研究，結(jié)果證明紅萍具有較強(qiáng)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(duì)低等植物蕪萍(Wolffia arrhiza)生長(zhǎng)影響的研究。研究發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射能夠顯著抑制蕪萍對(duì)CO2的光合同化活動(dòng)，當(dāng)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(huì)顯著下降。UV-B高輻射也會(huì)同時(shí)導(dǎo)致其原初光化學(xué)的光子產(chǎn)量、電子運(yùn)輸?shù)墓庾赢a(chǎn)量以及捕獲激發(fā)效能等下降。另外，每個(gè)激發(fā)橫切面上的PSII反應(yīng)活動(dòng)中心的數(shù)量和每個(gè)吸收的活動(dòng)反應(yīng)總數(shù)也發(fā)生了相應(yīng)變化。該結(jié)果表明UV-B輻射對(duì)蕪萍光合作用的效應(yīng)是由于電子運(yùn)輸?shù)囊种坪头磻?yīng)中心的失活所致，但抑制可能發(fā)生在光合器的不只一個(gè)地方[33]。

3.1.3微藻及藍(lán)細(xì)菌培養(yǎng)

螺旋藻和小球藻由于具有生長(zhǎng)快、放氧和凈化CO2能力強(qiáng)、藻蛋白營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)器樣機(jī)，并利用其開展了大量微藻培養(yǎng)技術(shù)研究。利用60Co射線輻射源對(duì)螺旋藻藻絲體進(jìn)行不同劑量的輻照處理，發(fā)現(xiàn)螺旋藻受該射線輻照后, 其生長(zhǎng)速率、光合放氧效率、藻絲體長(zhǎng)度以及其它營(yíng)養(yǎng)生理指標(biāo)均在一定程度上受到影響，但具有較強(qiáng)的抗輻射和自修復(fù)能力，其半致死輻射劑量為2.0 kGy[35]。另外，以目前應(yīng)用較多的七個(gè)螺旋藻品種為研究對(duì)象，在光照強(qiáng)度為200 μmol·m-2·s-1、光照周期為24 h(亮)及培養(yǎng)溫度為(30.0±1.0)℃的條件下進(jìn)行培養(yǎng)，比較了不同藻種的形態(tài)特征、生長(zhǎng)速率、碳源利用率、營(yíng)養(yǎng)組分、光合放氧特性以及耐電離輻射能力等指標(biāo)。結(jié)果表明，6號(hào)和7號(hào)藻種的各項(xiàng)指標(biāo)比較突出，尤其是6號(hào)藻種，在生長(zhǎng)速率、蛋白質(zhì)含量、光合放氧活性以及抗輻射的能力等方面表現(xiàn)更為突出。此外，建立了“藻-鼠”二元生態(tài)系統(tǒng)，探討了其中大氣氧和CO2的交換規(guī)律，也進(jìn)一步評(píng)價(jià)了空間微藻光生物反應(yīng)器地面試驗(yàn)樣機(jī)生產(chǎn)螺旋藻的能力。結(jié)果證明，螺旋藻和小白鼠之間能夠?qū)崿F(xiàn)氧氣和CO2的交換平衡，螺旋藻具有較強(qiáng)的吸收CO2和放氧能力，可作為未來(lái)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(yīng)器的設(shè)計(jì)。為了合理操作該反應(yīng)器，將其設(shè)計(jì)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，并應(yīng)用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)(ANN-MPC)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬證明ANN-MPC控制器能夠獲取該反應(yīng)器復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)性能，而且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器所獲取的光強(qiáng)，同時(shí)提供合適的阻尼以顯著改善光生物反應(yīng)器的瞬時(shí)反應(yīng)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(huán)境下的藍(lán)細(xì)菌培養(yǎng)試驗(yàn)研究。在1/2個(gè)大氣壓下培養(yǎng)16 d后(每?jī)商旎謴?fù)大氣壓到常壓30 min以進(jìn)行采樣)，藍(lán)細(xì)菌的生長(zhǎng)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(jié)果。超微結(jié)構(gòu)表明，與常壓相比，低壓能夠促進(jìn)胞外聚合物的生成，說(shuō)明1/2個(gè)大氣壓就能引起生物的較強(qiáng)反應(yīng)，從而為將來(lái)設(shè)計(jì)月球或火星基地提供了參考[38]。

3.1.4動(dòng)物養(yǎng)殖

在未來(lái)的受控生態(tài)生保系統(tǒng)中為了給乘員提供較為全面的膳食營(yíng)養(yǎng)，也需要養(yǎng)殖動(dòng)物以就地生產(chǎn)動(dòng)物蛋白。目前一般認(rèn)為，養(yǎng)殖不產(chǎn)生異味的食草魚等水生動(dòng)物是一種較為合適的選擇，但也有專家建議進(jìn)行蠶蛹等可食蠕蟲類的養(yǎng)殖試驗(yàn)。北航楊玉楠等人進(jìn)行了受控生態(tài)生保系統(tǒng)中蠶蛹飼養(yǎng)的可行性研究，以便為乘員提供動(dòng)物蛋白。主要探討了營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)、飼養(yǎng)設(shè)備和方法、加工方法及生長(zhǎng)條件等，在未來(lái)載人深空探測(cè)為乘員提供動(dòng)物蛋白方面提供了一種途徑[39]。另外北航還開展了飼養(yǎng)黃粉蟲生產(chǎn)動(dòng)物蛋白的試驗(yàn)研究[40]。

3.2廢物再生利用技術(shù)研究

在受控生態(tài)生保系統(tǒng)中物質(zhì)的生產(chǎn)固然重要，而系統(tǒng)所產(chǎn)生的所謂廢物的再生利用同樣極為重要，因?yàn)楹笳呷绲貌坏匠浞謴氐椎馁Y源化循環(huán)利用，系統(tǒng)就無(wú)法保持持續(xù)運(yùn)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(jìn)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(jié)合的降解處理技術(shù)，在空間微重力條件下的應(yīng)用難點(diǎn)是處理液中的水氣分離問(wèn)題。當(dāng)前最看好的是采用膜微孔技術(shù)進(jìn)行反應(yīng)液中的氧氣供應(yīng)和CO2等氣體脫除，以解決空間微重力條件下的水氣分離問(wèn)題。

為了開展空間廢水處理試驗(yàn)研究，探討膜生物反應(yīng)器處理空間廢水的較適環(huán)境條件，航天員中心研制了空間廢水處理膜生物反應(yīng)器樣機(jī)(圖3(a))，利用其進(jìn)行了微生物馴化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了模擬空間廢水處理試驗(yàn)。結(jié)果表明，空間廢水處理膜生物反應(yīng)器發(fā)揮最佳工作效能需要的環(huán)境條件分別為：pH6.5～7.5，溫度24.0℃～26.0℃，水力滯留時(shí)間20 h，碳氮比0.81；在該條件下模擬空間廢水的化學(xué)耗氧量和生物耗氧量下降率均接近90%。這說(shuō)明，該生物反應(yīng)器可以有效地進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了人體尿液處理的試驗(yàn)研究。批次培養(yǎng)的結(jié)果表明：尿液中氮的消耗能夠達(dá)到99%，而磷的消耗甚至超過(guò)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(xù)培養(yǎng)的結(jié)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(dá)到99.9%、75.0%、83.7%和 96.0%，且磷的消耗超過(guò)了99.9%，這對(duì)增加系統(tǒng)的閉合度和安全性十分重要[42]。此外，福建農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所利用紅萍對(duì)尿液進(jìn)行了5 d的處理試驗(yàn)研究，證明紅萍對(duì)尿液中的氨氮具有很強(qiáng)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(dá)到92.9%。而且，紅萍也具有較強(qiáng)的離子富集能力[43]。

3.2.2固體廢物處理

實(shí)現(xiàn)固體廢物降解處理與循環(huán)利用是提高受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流閉合度的重要前提，我國(guó)多年前就開始進(jìn)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(jìn)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(yíng)養(yǎng)液。此后，研制了我國(guó)第一代空間微生物廢物處理試驗(yàn)裝置樣機(jī)，并利用其處理液進(jìn)行了生菜的連續(xù)栽培試驗(yàn)。在第一代樣機(jī)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用膜分離技術(shù)、水氣分離技術(shù)和無(wú)泡供氣技術(shù)等, 研制成適合于空間微重力條件下工作的特殊無(wú)泡膜生物反應(yīng)器地面樣機(jī)。該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhì)的可行性研究。在共堆肥處理過(guò)程中，對(duì)處理物酸堿度、碳氮比、發(fā)芽率、纖維素和木質(zhì)素等進(jìn)行了研究。腐熟度通過(guò)碳氮比和種子發(fā)芽率等進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，在經(jīng)過(guò)45 d的發(fā)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(yǎng)試驗(yàn)中，具有接種物的栽培基質(zhì)能夠滿足生菜生長(zhǎng)的需要，所培養(yǎng)的植株其可食生物量產(chǎn)量平均達(dá)到74.42 g(鮮重)/盆。而在不含微生物接種物的栽培基質(zhì)中，生菜植株表現(xiàn)出逆境脅迫的癥狀且最終未完成生長(zhǎng)周期。另外，氮素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)結(jié)果表明，在有接種物的栽培基質(zhì)中，在堆肥和植物栽培過(guò)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(zhì)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(shù)研究。例如，他們進(jìn)行了三種類土壤基質(zhì)的加工技術(shù)研究。試驗(yàn)用給料為小麥和水稻的不可食部分。第一種為傳統(tǒng)技術(shù)，即利用牡蘑和蚯蚓對(duì)小麥秸稈進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)化處理。其它兩種方法分別利用好氧和厭氧微生物發(fā)酵處理，隨后利用蚯蚓進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)類土壤基質(zhì)中的纖維素、木質(zhì)素和酸堿度的變化情況進(jìn)行了測(cè)量。利用碳氮比值對(duì)其進(jìn)行腐熟度評(píng)價(jià)。通過(guò)比較可獲得成分及生菜生產(chǎn)率進(jìn)行了類土壤基質(zhì)的肥力評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，好氧微生物+蚯蚓處理的技術(shù)是比較合理的，其處理周期較短，較常規(guī)技術(shù)縮短了30 d，纖維素和木質(zhì)素的降解率分別達(dá)到98.6%和93.1%，而且生菜的生產(chǎn)率達(dá)到12.0 gm-2·d-1[46]。此外，進(jìn)行了類土壤基質(zhì)的滲濾物對(duì)水稻種子發(fā)芽和植株生長(zhǎng)影響的試驗(yàn)研究[47]。

3.2.3廢氣處理

載人航天器座艙內(nèi)由于人體代謝、材料釋放和廢物處理等過(guò)程, 會(huì)產(chǎn)生大氣污染物，這些物質(zhì)的累積會(huì)影響人體健康和植物等生物的生長(zhǎng)發(fā)育, 因此必須將其控制在一定濃度范圍內(nèi)。例如，乙烯由植物產(chǎn)生，但在密閉環(huán)境中當(dāng)其濃度積累到一定程度時(shí)來(lái)抑制植物生長(zhǎng)并促進(jìn)其衰老。因此，為了控制密閉植物培養(yǎng)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(shù)研制成乙烯去除裝置, 研究表明該裝置具有較強(qiáng)的乙烯凈化能力，凈化后產(chǎn)物中除CO2和水外，未檢測(cè)到其它有毒副產(chǎn)物，因此可以在受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物栽培系統(tǒng)中得到很好應(yīng)用[48]。

另外，航天員中心也研發(fā)了基于微生物反應(yīng)器技術(shù)的微生物空氣過(guò)濾器，以進(jìn)行微量有害氣體的生物降解與凈化，將廢氣轉(zhuǎn)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(guò)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(shù)均能實(shí)行有效控制, 反應(yīng)器中的微生物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間馴化后, 對(duì)乙烯氣體的最高降解率可達(dá)到9.04 mg/(m3·h)。該裝置具有質(zhì)量輕、體積小、能耗低、便于維護(hù)以及能在微重力條件下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn), 在未來(lái)的航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[49]。

3.3月壤資源化利用研究

實(shí)現(xiàn)受控生態(tài)生保系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行必須要有礦物元素的補(bǔ)充，而對(duì)月壤開采和資源化利用則被認(rèn)為是一種有效途徑。因此，在國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目的支持下，航天員中心秦利鋒等人以藍(lán)細(xì)菌為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)其在模擬月壤cas-1中的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，從生長(zhǎng)速率、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞色素含量等方面探索了月壤對(duì)藍(lán)細(xì)菌適應(yīng)性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四種實(shí)驗(yàn)藍(lán)細(xì)菌的生長(zhǎng)能夠適應(yīng)模擬月壤的影響，其生長(zhǎng)速率在模擬月壤處理中保持了與常規(guī)培養(yǎng)基相似的生長(zhǎng)曲線；模擬月壤顆粒上附著生長(zhǎng)的菌體形態(tài)與對(duì)照相比無(wú)明顯變化；模擬月壤處理后的菌體內(nèi)色素含量與對(duì)照條件下培養(yǎng)的結(jié)果無(wú)顯著差異。該結(jié)果對(duì)于未來(lái)開發(fā)月壤資源和構(gòu)建月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)具有一定意義[50]。

4系統(tǒng)集成技術(shù)研究

我國(guó)在開展CELSS單元級(jí)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，從2000年代中期開始，逐步開展了人員逐漸增多、封閉時(shí)間逐漸延長(zhǎng)、物質(zhì)閉合度逐漸提高的系統(tǒng)級(jí)集成技術(shù)試驗(yàn)研究，主要進(jìn)展情況如下：

4.12人7天人—萍—魚氣體交換試驗(yàn)

福建農(nóng)科院農(nóng)業(yè)生態(tài)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(yàn)。首先進(jìn)行了2人3天的人-萍?xì)怏w交換試驗(yàn)，證明培養(yǎng)面積為8 m2的紅萍能夠提供一個(gè)人的呼吸用氧并凈化其呼出的CO2。隨后進(jìn)行了2人7天的“紅萍-魚-人”整合試驗(yàn)研究，證明該生態(tài)系統(tǒng)中氧和CO2可以達(dá)到平衡，再次證明紅萍具有較強(qiáng)的氧氣生產(chǎn)能力[51]。

4.22人30天CELSS集成技術(shù)試驗(yàn)

2012年底，航天員中心建成受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)(圖4)，并開展了2人30天受控生態(tài)系統(tǒng)“人-植物-微生物”大氣、水和食物等物質(zhì)流交換及其動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)試驗(yàn)研究。受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)平臺(tái)包括12個(gè)分系統(tǒng)，其中植物艙占地面積64 m2，植物栽培面積36 m2，共培養(yǎng)了生菜、油麥菜、紫背天葵和苦菊等四種色拉性蔬菜。試驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)對(duì)植物栽培品種和面積、植物光照、營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率等采取一系列優(yōu)化調(diào)控措施，最終系統(tǒng)內(nèi)大氣、水和食物的閉合度分別達(dá)到了100.0%、84.5%和9.3%，物質(zhì)總閉合度達(dá)到95.1%，系統(tǒng)能效比達(dá)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(tài)系統(tǒng)中植物與人和微生物之間的物質(zhì)流特性及其動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)，并認(rèn)識(shí)了該系統(tǒng)中人、植物和環(huán)境三者之間的交互關(guān)系。該研究對(duì)于認(rèn)識(shí)受控生態(tài)系統(tǒng)中人、植物(即生物部件)、環(huán)境三者的界面關(guān)系，認(rèn)識(shí)環(huán)控生保系統(tǒng)非再生、物理化學(xué)再生和生物再生技術(shù)三者的融合與協(xié)同模式，認(rèn)識(shí)和初步掌握密閉生態(tài)系統(tǒng)中植物和人之間的物質(zhì)流特性及其動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)有重要的意義[52-54]。

圖4　受控生態(tài)生保系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)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(shù)試驗(yàn)

2014年初，北航劉紅團(tuán)隊(duì)建成月宮1號(hào)生物再生生保技術(shù)集成試驗(yàn)平臺(tái)，并開展了3人105天的生物再生式生保系統(tǒng)集成技術(shù)試驗(yàn)研究。該平臺(tái)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(yàn)期間批次培養(yǎng)了小麥、生菜、草莓等22種糧食、蔬菜、油料和科學(xué)實(shí)驗(yàn)作物。其大氣、水和食物達(dá)到了較高閉合度，艙內(nèi)廢物被處理后予以儲(chǔ)存而并未參與系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流循環(huán)[55]。據(jù)稱，他們下一步將對(duì)月宮1號(hào)進(jìn)一步完善，即增加第二個(gè)植物艙并會(huì)使廢物參與物質(zhì)流循環(huán)利用，以便開展人員更多、時(shí)間更長(zhǎng)和物質(zhì)流閉合程度更高的BLSS集成試驗(yàn)研究。

5空間關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證研究

在空間植物培養(yǎng)中，植物根部的水分與養(yǎng)分供應(yīng)技術(shù)是決定空間植物栽培成敗的關(guān)鍵因素。為了突破這一問(wèn)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(yàn)樣機(jī)，用于突破多孔陶瓷顆粒與多孔陶瓷管相結(jié)合的水分供應(yīng)技術(shù)以及植物根部栽培基質(zhì)的長(zhǎng)效緩釋肥料供應(yīng)技術(shù)。另外，先后研制成空間微藻光生物反應(yīng)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(yàn)樣機(jī)，并通過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，為研制空間飛行驗(yàn)證裝置奠定了重要基礎(chǔ)[44,56-57]。近期，北航與俄羅斯生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題研究所合作研制成角形空間植物裝置地基樣機(jī)，可模擬微重力效應(yīng)并連續(xù)進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)[58]。

飛行器艙內(nèi)物體處于微重力狀態(tài)，由于空間搭載機(jī)會(huì)較少，生物學(xué)研究多采用地面模擬方式進(jìn)行，模擬微重力所采用的設(shè)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(tài)系統(tǒng)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(huán)境下生物啟動(dòng)抗逆途徑從而致使生產(chǎn)者生產(chǎn)速率減小。說(shuō)明微重力是影響空間二元水生封閉生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)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(tài)系統(tǒng)，研究微重力對(duì)此二元系統(tǒng)運(yùn)行的影響。在10-3g～10-4g微重力條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明這個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)月以上[59]。

6展望

我國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)走過(guò)了二十余年的發(fā)展歷程，取得了重要研究成果，在國(guó)際上已受到關(guān)注，但是與國(guó)際發(fā)展水平以及實(shí)際應(yīng)用技術(shù)水平要求相比還有很大差距，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)部分單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)還尚未完全掌握與優(yōu)化；

2)集成系統(tǒng)中物質(zhì)流高閉合度協(xié)同調(diào)控技術(shù)尚未完全掌握；

3)對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中人-機(jī)-環(huán)境之間的相互作用和影響關(guān)系系統(tǒng)中生物再生單元與物化再生單元等相互之間的協(xié)同匹配關(guān)系、封閉系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行條件下動(dòng)植物和微生物之間的相互作用關(guān)系及其遺傳穩(wěn)定性及變異情況等的認(rèn)識(shí)與把握不充分；

4)缺乏系統(tǒng)長(zhǎng)期封閉條件下運(yùn)行的安全可靠性保障措施。

航天員中心近期在深圳國(guó)際低碳城附近建成大型密閉生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)，即將開展4人180天的受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術(shù)試驗(yàn)研究，擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(tài)循環(huán)系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)共包括八個(gè)艙段，可滿足開展六人長(zhǎng)期集成試驗(yàn)的需要。八個(gè)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(gè)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(tài)循環(huán)系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)外部結(jié)構(gòu)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(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大試驗(yàn)研究項(xiàng)目，其總體方案設(shè)計(jì)周密、平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、集成試驗(yàn)和相關(guān)科學(xué)搭載實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容豐富，規(guī)模大、周期長(zhǎng)，得到國(guó)際同行專家的積極參與和高度關(guān)注，因此研究結(jié)果值得期待。該工作為推動(dòng)我國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)再一次實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展必將發(fā)揮積極作用。

另外，應(yīng)積極爭(zhēng)取在我國(guó)不久建成的空間站上逐步在單元級(jí)、亞系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)水平上開展CELSS關(guān)鍵技術(shù)空間驗(yàn)證試驗(yàn)，爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在空間站以及未來(lái)月球、火星等地外星球基地的工程化部署與應(yīng)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(xiàng)目：載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(040201)

作者簡(jiǎn)介：郭雙生(1964-)，男，博士，研究員，研究方向?yàn)檩d人航天受控生態(tài)生保技術(shù)。E-mail：guoshuangsheng@sina.com

中圖分類號(hào)：V419

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-5825(2016)03-0269-12