郭双生，吴志强，高　峰，邓一兵

(中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094)



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中国受控生态生保技术研究进展与展望

郭双生，吴志强，高峰，邓一兵

(中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京 100094)

摘要:建立受控生态生保系统是开展长期载人深空探测和地外星球定居与开发的重要保障条件。中国受控生态生保技术已有二十余年的发展历史，走过了从概念研究、单项关键技术攻关到系统集成技术攻关的过程，以及从地面模拟试验到飞行验证的过程，取得了阶段性重要成果。就中国受控生态生保技术的发展历史、现状水平、当前仍存在的主要技术瓶颈问题和下一步的主要发展思路和重点发展方向等进行了综合介绍与分析，以期推动中国受控生态生保技术深入发展，尽快满足载人深空探测对环控生保技术的实际应用需求而发挥参考与借鉴作用。

关键词:受控生态生保技术；概念论证；系统集成技术；发展现状与展望

1引言

开展长期载人航天和地外星球定居与开发是未来航天技术发展的必然方向，而要实现这一目标需要突破的关键技术之一是建立受控生态生保系统(controlled ecological life support system，CELSS)。受控生态生保系统也叫生物再生式生保系统(bio-regenerative life support system，BLSS)、生物生保系统(biological life system，BLS)或第三代生保系统，是在第一代载人飞船非再生式生保系统和第二代空间站物化再生式生保系统的基础上引入生物部件构建而成，能够主要利用植物的光合作用和微生物的分解作用持续再生航天员所需的食物、氧气和水等全部最基本的生保物质，代表着载人航天环控生保技术的最高水平。国外从上世纪50年代开始启动该技术研究，至今已走过了60余年的发展历程。美、苏、欧、日等航天大国和组织最初将重点放在螺旋藻放氧、净化CO2和生产藻蛋白的能力研究上，但由于微藻生产的大量藻蛋白无法作为主食而只能作为副食或食品添加剂，即无法作为主要生物功能部件，因此后来将重点放在了高等作物上，并开展了废物资源化再生利用研究[1-3]。在突破单元级关键技术的基础上先后开展了多人多天的系统级集成技术研究，实现了大气、水、食物等生保物资一定程度的闭合循环[4-6]。另外，俄罗斯在地基研究的基础上，也进行了空间植物栽培等关键技术验证试验，在空间微重力条件下实现了小麦等粮食作物的迭代培养[7]。最近，美国等多国航天员在国际空间站吃上了自己亲手培育的新鲜蔬菜，这对改善长期驻站航天员的生理和心理状态以及提供长期载人深空探测和载人火星飞行的生命保障等具有重大意义[8]。然而，目前各航天大国载人航天计划的不确定性，影响了该技术的发展。

上世纪90年代初，随着国家载人航天工程的逐步实施，我国开始启动受控生态生保技术项目研究。我国虽起步较晚，但经过概念论证研究、单元关键技术攻关和系统集成关键技术攻关等几个重要发展阶段，在科研院所和大专院校形成了多支较强的研究团队，提出并解决了许多关键技术和科学问题，发展势头良好，大大缩小了与国外的差距，在国际受控生态生保技术领域产生了重要影响。郭双生等人进行了国际受控生态生保技术研究综述[9]，本文则重点就我国受控生态生保技术的发展历史和现状进行综述与分析，并指出当前仍存在的技术难题和未来的发展思路，旨在为将来深入开展CELSS技术研究提供参考。

2总体概念研究

我国从1990年代前期开始启动受控生态生保技术研究，首先从概念研究开始。当时，中国航天员科研训练中心(原航天医学工程研究所，以下简称航天员中心)作为总体单位，组织中国科学院植物研究所、微生物研究所、遗传与发育生物学研究所(原遗传研究所)、生物物理研究所、上海植物生理与生态研究所(原上海植物生理研究所)、水生生物研究所和福建农科院农业生态研究所(原红萍研究中心)等相关单位，一同进行了受控生态生保系统概念研究，在充分调研国内外文献资料的基础上，提出了我国发展受控生态生保技术的总体目标、研究内容、技术指标、拟突破的关键技术、技术发展路线图和时间表等，为我国之后开展受控生态生保技术研究奠定了重要基础[10]。2004年北京航空航天大学(以下简称北航)也加入了这一研究队列，在生物再生生保系统建立、候选植物品种选择及物质流调控设计等方面也开展了研究，提出了一些新的概念和看法[11]。近年来，我国组织开展了载人登月和月球基地受控生态生保系统概念研究，对其建设规模、技术途径和运营模式等进行了更为系统的规划与论证，使CELSS的概念更为完整和清晰。

当前形成的基本共识是：受控生态生保系统主要由物质生产单元、乘员消费单元和废物再生单元等部分组成。物质生产单元主要为粮食蔬菜等植物，其次包括微藻、食用菌或动物等作为补充，主要进行食物和氧气的生产与供应。另外，需借助于物化技术进行氧气的应急供应和CO2的应急净化，以实现系统中气体成分的基本动态平衡与呼吸代谢安全。废物再生单元主要为微生物种群，用以进行固体废物、废水和废气的降解处理，另外需辅助高温氧化焚烧等物化技术对难降解废物进行快速、高效和彻底的循环利用，将后处理物再回收施予物质生产单元进行植物培养等，从而实现废物的资源化循环利用。其基本的技术发展路线图是：在单元级关键技术突破的基础上，逐步向亚系统级和系统级推进，从而实现规模逐渐扩大、功能逐渐完善、物质闭合度逐渐提高的目标。另外，在地面关键技术突破后，则需要进行关键技术飞行验证，在验证顺序上同样按照单元级、亚系统级到系统级的步骤逐渐推进，从而逐步实现受控生态生保系统在空间平台或地外星球基地的工程化应用目标。

3单元关键技术研究

单元关键技术主要包括生保物质生产和资源循环利用两部分，前者包括植物培养、微藻培养和动物饲养等，后者包括废水、废物和废气处理及月壤资源化利用等。

3.1物质生产技术

3.1.1高等植物培养

植物是CELSS中的重要生物功能部件，因此我国在这一领域开展的工作最早，也最多，本文重点从以下四个方面进行介绍。

1)候选植物品种筛选

植物品种的选择至关重要，直接决定着CELSS的长期高效与稳定运行与否。早期，航天员中心参考了国内外的研究经验，制定了作物筛选标准[12]：(1)可以在密闭生态系统中发挥食物生产、气体再生与净化、水再生与净化和废物处理与再生等一种或几种作用；(2)体积小；(3)培养技术相对简单，对环境条件没有特殊要求；(4)易于繁殖和移植，遗传性状稳定；(5)生长快、周期短、产量高、可食部分比值高；(6)抗病和抗逆性强(如抗病虫害、干旱、洪涝、盐碱等)；(7)易于收获、加工和储藏；(8)无毒害或腐蚀作用；(9)作为食物须符合人们的饮食文化习惯，并能满足食谱的多样化要求；(10)具备一定的本国特色。

基于以上选择标准并结合我国的作物资源，率先研制成植物培养装置(图1)并筛选出了多种叶菜类蔬菜品种。例如，在早期通过实验筛选出了生菜、油菜、白菜和豌豆等四种蔬菜[12]。后来，进一步通过对蔬菜的光合效率、产量、品质等综合指标进行评价，从其它九种叶类蔬菜中筛选出四种蔬菜品种：“嫩绿奶油”生菜、“四季”油麦菜、“大速生”生菜和曲麻菜[13]。另外，筛选出较为耐盐的蔬菜品种——苋菜，其可以在氯化钠浓度为0.5%的营养液中生长(该浓度为公认的盐害浓度)，这有利于解决未来CELSS中植物所面临来自乘员尿液中氯化钠长期积累所带来的盐害问题[14]。

图1　受控生态生保综合试验系统Fig.1　CELSS comprehensive experimental chamber

另外，北航进行了候选作物品种的理论研究，制定了作物筛选标准，并以此为依据，结合中国品种资源进行了理论筛选，共选择了14个候选作物种，其中包括4个粮食油料作物：小麦(Triticumaestivum L.)、水稻(Oryza sativa L.)、大豆(Glycine max L.)和花生(Arachishypogaea L.)；7个蔬菜种：大白菜(Brassica campestris L.ssp.Chinensis var.communis)、生菜(Lactuca sativa L.var.longifolia Lam.)、小萝卜(Raphanussativus L.)、胡萝卜(Daucuscarota L.var.sativa DC.)、番茄(Lycopersiconescalentum L.)、南瓜(Cucurbita moschataDuch.)和辣椒(Capsicum frutescens L.var.longum Bailey)；另外选择了3个调料作物：香菜(Coriandumsativum L.)、大葱(Allium fistulosum L.var.giganteum Makino)和大蒜(Allium sativum L.)。针对每个种，拟选用其几个品种开展各自的农艺学性状研究[15]。

2)光照对植物生长影响的研究

光照对提高植物的光合放氧效率、产量和品质等极其重要，历来都是研究重点。早期航天员中心开展了植物光源的选择研究，例如，1990年代后期对当时新兴的电子荧光灯用作CELSS中植物栽培光源的可行性进行了探讨[16]，后来重点对迅速崛起的发光二极管(LED)光源进行了深入研究。主要对不同的红、蓝双色LED灯光质组合进行研究，证明红光中加入少许蓝光则有利于提高大叶生菜的产量和品质，否则红、蓝比例过大或过小均会影响其产量或品质。例如，油麦菜在全红光下不能正常生长，而5%～20%的蓝光比例能提高其光合和蒸腾速率、光合色素含量和生物量，并改善其荧光特性。25%～50%蓝光比例使植株光合色素含量进一步增加，但地上生物量明显下降，根冠比显著增加。因此一般来说，约90%红光+约10%蓝光组合比较有利于叶菜类生长[17]。

进一步研究证明，生菜光合与蒸腾速率均随着光照强度的增加而上升。产量方面，生菜地上部鲜重随光照强度增加而上升，但增幅逐渐变小，光照强度达到556 μmol·m-2·s-1时，继续增加光照强度产量不再增加。光能利用率随着光照强度的增加而降低。即适当增加光照强度有利于生菜增产，但会降低其光能利用效率。生菜出苗后第40天为最佳收获期，此时收获其营养品质较好[18]。

针对光照对小麦生长的影响也开展了研究。首先，开展了光照强度及栽培密度对小麦光合效率影响的研究。结果证明：(1)在人工环境条件下，小麦的生长发育与大田环境相比呈现出很大差异性，该环境下小麦的生育期缩短10 d 左右，这对于CELSS 高效生产非常有利；(2)在红+蓝LED 光源下，500 μmol·m-2·s-1为最适合小麦生长的光照强度水平，在该水平下，小麦的光合速率和产量均达到最大值；(3)在所设置的栽培密度水平下，栽培密度增大有利于小麦高产，但单株产量会降低，这说明栽培密度仍有可提高的潜力，从而达到合理密植。由此说明，红、蓝LED光质适合小麦生长，可作为CELSS 中小麦培养的光源[19]。另外，研究证明光照强度增强和光照时间延长均可增产，但前者和后者分别对营养体生长和籽粒积累有较强促进作用。因此，长光照条件下小麦生产更为高效，源库协调性更好[20]。

此外，航天员中心开展了光照对紫背天葵抗氧化剂等次生代谢物合成影响的研究。实验结果表明，采用红+蓝LED光源，蓝光比例从15%增加到30%，有利于花色苷和总黄酮的积累，并能够增加其抗氧化活性[21]。另外，为了探索促进紫背天葵在受控环境中更好地积累生物活性成分的有效光质条件，进行了三种LED 光源光质条件对紫背天葵挥发油和酚类等次级代谢物的影响研究。结果表明，一定比例的红、蓝、绿三色光组合(红70%+蓝20%+绿10%)为适合于紫背天葵积累更多有用次级代谢产物及提高其营养和药用价值的光质条件[22]。

3)CO2浓度对植物生长影响的研究

CO2浓度是植物进行光合作用的原料，对植物生长发育和产量品质有重要影响。早期航天员中心在其建成的空间高等植物栽培地面实验装置中, 进行了不同CO2浓度对美湖包心生菜生长影响的实验(2000～10000 μmol·mol-1)，结果表明生菜在CO2浓度为6000 μmol·mol-1时栽培效果较为理想，8000 μmol·mol-1时产量有所提高，但品质略有下降，而当达到10000 μmol·mol-1时则出现明显的中毒凋亡现象，此时产量和品质均很差。因此，美湖包心生菜栽培舱内CO2浓度宜控制在6000 μmol·mol-1以内[23]。

0.1%～1.0%CO2浓度能够促进油麦菜植株的光合和蒸腾速率并提高叶绿素和类胡萝卜素的含量，但更高浓度(1.5%～2.0%)CO2则会导致其下降；在0.1%～2.0%CO2浓度条件下, 油麦菜植株能够基本正常生长，株高和叶面积都有所增加，但叶片数量却在下降；随着CO2浓度梯度增加，油麦菜植株中氮、钾和Vc的含量下降，磷的含量上升，而微量元素的含量没有明显差异。因此表明油麦菜植株在高CO2浓度下能够基本正常生长，没有受到严重抑制现象，证明其具有较强耐高CO2浓度的能力，因此适宜作为受控生态生保系统候选生物部件[24]。此外，与大气CO2浓度(约0.036%)相比，0.2%～0.6%浓度的CO2增加了紫背天葵叶片提取物中花色苷和总黄酮的含量及其抗氧化活性，证明紫背天葵具有较好的抗CO2胁迫能力[25]。

此外北航研究证明，在高CO2浓度下小麦籽粒的蛋白质含量下降，并在籽粒灌浆期对“源—库”流有重要影响，因此可以减少不可食生物量的积累，从而减轻受控生态生保系统中废物再生利用的负担[26]。

4)低压和低氧对植物生长影响的研究

由于月球和火星等地外星球均为高真空环境，因此在这里建立的CELSS应该为一低压系统，这对减少系统气体泄漏和降低建设与维护成本等具有重要意义。航天员中心最早建成具有一定规模且功能先进的低压植物栽培装置(图2)，并启动了低压和低氧对植物生长影响的研究。研究结果表明，与常压(101.0 kPa)相比，总压40.0 kPa和氧分压8.4 kPa下油麦菜种子发芽率减少7.62%，生长基本正常但生育期延迟，同期收获时生物量降低13.67%，总糖含量也有所降低；前期平均光合速率和蒸腾速率低于常压条件，但其后期则有所增加；乙烯释放量减少38.79%，株高降低11.68%，叶面积、根系所占比例及根系活力分别增加15.43%、2.57%和40.53%，从而说明总压40.0 kPa和氧分压8.4 kPa对油麦菜种子发芽和生长有一定影响，因此应采取相应措施来调节其生长发育[27]。

唐永康等人探索了低压和低氧对不同种类植物种子萌发的影响。对玉米、小麦和水稻等三种植物种子在三种总压(101 kPa、30 kPa和10 kPa)和三种氧分压(21 kPa、6 kPa和2 kPa)下进行了8 d的萌发试验。研究发现，在三种总压下，氧分压为6 kPa或2 kPa抑制了以上植物种子的萌发，降低了发芽率，增加了细胞膜透性，使脱氢酶活性下降，同时胚芽和胚根的生长也受到抑制。在低氧下(6 kPa 或2 kPa)，降低总压(30 kPa或10 kPa)改善了种子萌发的氧气供应条件，因此促进了种子萌发和胚根生长。玉米种子与小麦或水稻种子相比，对总压和氧分压更敏感。最终证明三种总压下，低氧均抑制种子萌发；当氧气充足时，三种植物种子均能在30 kPa低压下正常萌发[28]。

唐永康等人研究了低压和低氧对植物形态、生理和营养品质等的影响。研究结果表明，在两种总压(101 kPa 和30 kPa)下，降低氧分压( 6 kPa或2 kPa) 显著抑制了莴苣植株的生长，其生物量、根冠比、含水量、矿质养分、有机组份含量(VC、粗蛋白和粗脂肪)和类胡萝卜素含量均显著下降，但叶绿素含量和丙二醛含量显著增加。相同氧分压下，总压降低(30 kPa)并未显著提高莴苣植株的生物量，但植株的根冠比和含水量增加，降低了低氧条件下莴苣植株中丙二醛含量，并显著提高了其中多种矿质养分和有机组分的含量。说明30 kPa低压并不能显著促进莴苣生长，但可以提高其抵抗低氧逆境的能力和植株的营养品质[29]。

郭双生等人开展了低压条件下小麦培养技术研究。结果表明，与常压相比，低压下小麦生长基本正常, 但生长初期叶片有卷曲发黄现象；平均光合速率和蒸腾速率分别增加了9.23%和11.54% (低压处理15 d)；小麦株高降低，分蘖增加，根系所占比重增加，生育期延长5 d左右；生物量和产量分别增加5.46%和4.39%；小麦籽粒蛋白质和总糖含量有所增加，但其它营养成分含量没有显著差异。由此说明50 kPa气压条件在一定程度上能够促进小麦的生长发育[30]。此外，郭双生等人研究了低压下莴苣变种“四季”油麦菜植株在其细胞、亚细胞和分子水平上的结构、组成和数量等的变化特性。结果证明低压低氧条件显著影响油麦菜植株的细胞数量和结构、叶绿体超微结构以及微管的数量和形态，但rbcL基因并未发生突变[31]。

图 2　低压植物栽培装置Fig.2　Low-pressured plant cultivation facility

3.1.2低等植物红萍培养

红萍属于低等蕨类植物，与鱼腥藻共生，具有较强的放氧和固氮能力，并可作为很好的绿肥。福建农科院农业生态研究所针对红萍开展了大量的放氧和CO2净化试验研究，结果证明红萍具有较强的放氧和净化CO2的能力[32]。

中科院水生所王高鸿等人开展了UV-B对低等植物芜萍(Wolffia arrhiza)生长影响的研究。研究发现，UV-B辐射能够显著抑制芜萍对CO2的光合同化活动，当植株在UV-B下照射12 h后，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均会显著下降。UV-B高辐射也会同时导致其原初光化学的光子产量、电子运输的光子产量以及捕获激发效能等下降。另外，每个激发横切面上的PSII反应活动中心的数量和每个吸收的活动反应总数也发生了相应变化。该结果表明UV-B辐射对芜萍光合作用的效应是由于电子运输的抑制和反应中心的失活所致，但抑制可能发生在光合器的不只一个地方[33]。

3.1.3微藻及蓝细菌培养

螺旋藻和小球藻由于具有生长快、放氧和净化CO2能力强、藻蛋白营养价值高等优点，因此是最早被考虑用于CELSS研究的生物部件[34]。

2000年代早期，航天员中心艾为党等人研制成空间微藻光生物反应器样机，并利用其开展了大量微藻培养技术研究。利用60Co射线辐射源对螺旋藻藻丝体进行不同剂量的辐照处理，发现螺旋藻受该射线辐照后, 其生长速率、光合放氧效率、藻丝体长度以及其它营养生理指标均在一定程度上受到影响，但具有较强的抗辐射和自修复能力，其半致死辐射剂量为2.0 kGy[35]。另外，以目前应用较多的七个螺旋藻品种为研究对象，在光照强度为200 μmol·m-2·s-1、光照周期为24 h(亮)及培养温度为(30.0±1.0)℃的条件下进行培养，比较了不同藻种的形态特征、生长速率、碳源利用率、营养组分、光合放氧特性以及耐电离辐射能力等指标。结果表明，6号和7号藻种的各项指标比较突出，尤其是6号藻种，在生长速率、蛋白质含量、光合放氧活性以及抗辐射的能力等方面表现更为突出。此外，建立了“藻-鼠”二元生态系统，探讨了其中大气氧和CO2的交换规律，也进一步评价了空间微藻光生物反应器地面试验样机生产螺旋藻的能力。结果证明，螺旋藻和小白鼠之间能够实现氧气和CO2的交换平衡，螺旋藻具有较强的吸收CO2和放氧能力，可作为未来CELSS中的重要生物部件[36]。

北航胡大伟等人开展了微藻光生物反应器的设计。为了合理操作该反应器，将其设计为闭环控制系统，并应用了人工神经网络-模型预测控制技术(ANN-MPC)。通过计算机模拟证明ANN-MPC控制器能够获取该反应器复杂的动力学性能，而且能够自动调节光生物反应器所获取的光强，同时提供合适的阻尼以显著改善光生物反应器的瞬时反应性能[37]。此外，航天员中心秦利锋等人开展了模拟月球基地低压环境下的蓝细菌培养试验研究。在1/2个大气压下培养16 d后(每两天恢复大气压到常压30 min以进行采样)，蓝细菌的生长率降低，但类胡萝卜素与叶绿素a的比率增加，这是由于前者含量增加而后者含量下降的结果。超微结构表明，与常压相比，低压能够促进胞外聚合物的生成，说明1/2个大气压就能引起生物的较强反应，从而为将来设计月球或火星基地提供了参考[38]。

3.1.4动物养殖

在未来的受控生态生保系统中为了给乘员提供较为全面的膳食营养，也需要养殖动物以就地生产动物蛋白。目前一般认为，养殖不产生异味的食草鱼等水生动物是一种较为合适的选择，但也有专家建议进行蚕蛹等可食蠕虫类的养殖试验。北航杨玉楠等人进行了受控生态生保系统中蚕蛹饲养的可行性研究，以便为乘员提供动物蛋白。主要探讨了营养结构、饲养设备和方法、加工方法及生长条件等，在未来载人深空探测为乘员提供动物蛋白方面提供了一种途径[39]。另外北航还开展了饲养黄粉虫生产动物蛋白的试验研究[40]。

3.2废物再生利用技术研究

在受控生态生保系统中物质的生产固然重要，而系统所产生的所谓废物的再生利用同样极为重要，因为后者如得不到充分彻底的资源化循环利用，系统就无法保持持续运行，而将逐渐丧失功能。下面主要从废水、固体废物和废气三方面进行介绍。

3.2.1废水处理

CELSS中，处理废水最常用的方法是微生物好氧与厌氧方法相结合的降解处理技术，在空间微重力条件下的应用难点是处理液中的水气分离问题。当前最看好的是采用膜微孔技术进行反应液中的氧气供应和CO2等气体脱除，以解决空间微重力条件下的水气分离问题。

为了开展空间废水处理试验研究，探讨膜生物反应器处理空间废水的较适环境条件，航天员中心研制了空间废水处理膜生物反应器样机(图3(a))，利用其进行了微生物驯化，在此基础上进行了模拟空间废水处理试验。结果表明，空间废水处理膜生物反应器发挥最佳工作效能需要的环境条件分别为：pH6.5～7.5，温度24.0℃～26.0℃，水力滞留时间20 h，碳氮比0.81；在该条件下模拟空间废水的化学耗氧量和生物耗氧量下降率均接近90%。这说明，该生物反应器可以有效地进行空间模拟废水处理，适宜的工艺条件能明显提高其废水处理效率[41]。

利用螺旋藻等微藻进行人体尿液净化处理的途径也被看好。例如，北航利用螺旋藻进行了人体尿液处理的试验研究。批次培养的结果表明：尿液中氮的消耗能够达到99%，而磷的消耗甚至超过99.9%，且处理12.5 g的人体合成尿液可以获得1.05 g的生物量。连续培养的结果则表明，螺旋藻能够有效消耗人体尿液中的氮、氯、钾和硫等元素，其消耗率分别达到99.9%、75.0%、83.7%和 96.0%，且磷的消耗超过了99.9%，这对增加系统的闭合度和安全性十分重要[42]。此外，福建农科院农业生态研究所利用红萍对尿液进行了5 d的处理试验研究，证明红萍对尿液中的氨氮具有很强的吸收能力，尿液中的氨氮浓度从最初的25.25 mg·l-1降低到1.8 mg·l-1，下降率达到92.9%。而且，红萍也具有较强的离子富集能力[43]。

3.2.2固体废物处理

实现固体废物降解处理与循环利用是提高受控生态生保系统物质流闭合度的重要前提，我国多年前就开始进行固体废物处理与再利用的研究工作。2000年代初，航天员中心研制成微生物废物处理装置(图3(b))，利用其进行了生菜不可食生物量的降解处理，并证明其后处理液可以用作植物的营养液。此后，研制了我国第一代空间微生物废物处理试验装置样机，并利用其处理液进行了生菜的连续栽培试验。在第一代样机的基础上，应用膜分离技术、水气分离技术和无泡供气技术等, 研制成适合于空间微重力条件下工作的特殊无泡膜生物反应器地面样机。该装置结构设计合理，主要工作原理满足空间微重力条件下的工作要求，可作为空间条件下的废物降解处理装置[44]。

航天员中心还开展了利用小麦秸秆-土壤的共堆肥(co-compost)降解物作为蔬菜栽培基质的可行性研究。在共堆肥处理过程中，对处理物酸碱度、碳氮比、发芽率、纤维素和木质素等进行了研究。腐熟度通过碳氮比和种子发芽率等进行评价。研究结果表明，在经过45 d的发酵后，含有微生物接种物的最终麦秸-土壤共堆肥趋于成熟，而不含微生物接种物的则未成熟。在植物培养试验中，具有接种物的栽培基质能够满足生菜生长的需要，所培养的植株其可食生物量产量平均达到74.42 g(鲜重)/盆。而在不含微生物接种物的栽培基质中，生菜植株表现出逆境胁迫的症状且最终未完成生长周期。另外，氮素转化试验结果表明，在有接种物的栽培基质中，在堆肥和植物栽培过程中氮素的缺失率分别为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质中[45]。

图3　处理装置外观图Fig.3　External view of the prototypes

北航开展了利用植物不可食生物量制备类土壤或称人工土壤的技术研究。例如，他们进行了三种类土壤基质的加工技术研究。试验用给料为小麦和水稻的不可食部分。第一种为传统技术，即利用牡蘑和蚯蚓对小麦秸秆进行连续转化处理。其它两种方法分别利用好氧和厌氧微生物发酵处理，随后利用蚯蚓进行转化处理。在生产过程中，对类土壤基质中的纤维素、木质素和酸碱度的变化情况进行了测量。利用碳氮比值对其进行腐熟度评价。通过比较可获得成分及生菜生产率进行了类土壤基质的肥力评价。结果表明，好氧微生物+蚯蚓处理的技术是比较合理的，其处理周期较短，较常规技术缩短了30 d，纤维素和木质素的降解率分别达到98.6%和93.1%，而且生菜的生产率达到12.0 gm-2·d-1[46]。此外，进行了类土壤基质的渗滤物对水稻种子发芽和植株生长影响的试验研究[47]。

3.2.3废气处理

载人航天器座舱内由于人体代谢、材料释放和废物处理等过程, 会产生大气污染物，这些物质的累积会影响人体健康和植物等生物的生长发育, 因此必须将其控制在一定浓度范围内。例如，乙烯由植物产生，但在密闭环境中当其浓度积累到一定程度时来抑制植物生长并促进其衰老。因此，为了控制密闭植物培养装置中的乙烯浓度，航天员中心于2005年采用紫外光催化氧化技术研制成乙烯去除装置, 研究表明该装置具有较强的乙烯净化能力，净化后产物中除CO2和水外，未检测到其它有毒副产物，因此可以在受控生态生保系统植物栽培系统中得到很好应用[48]。

另外，航天员中心也研发了基于微生物反应器技术的微生物空气过滤器，以进行微量有害气体的生物降解与净化，将废气转化为生物可再利用的CO2、水和盐分等。例如，唐永康等人研制成微生物空气过滤器，其中的温度、含水量、pH值以及气体的流量和温湿度等参数均能实行有效控制, 反应器中的微生物经过一段时间驯化后, 对乙烯气体的最高降解率可达到9.04 mg/(m3·h)。该装置具有质量轻、体积小、能耗低、便于维护以及能在微重力条件下运行等优点, 在未来的航天领域具有广阔的应用前景[49]。

3.3月壤资源化利用研究

实现受控生态生保系统的持续运行必须要有矿物元素的补充，而对月壤开采和资源化利用则被认为是一种有效途径。因此，在国家自然科学基金青年项目的支持下，航天员中心秦利锋等人以蓝细菌为实验材料，对其在模拟月壤cas-1中的生长状态进行了研究，从生长速率、细胞形态、细胞色素含量等方面探索了月壤对蓝细菌适应性的影响。实验结果表明，四种实验蓝细菌的生长能够适应模拟月壤的影响，其生长速率在模拟月壤处理中保持了与常规培养基相似的生长曲线；模拟月壤颗粒上附着生长的菌体形态与对照相比无明显变化；模拟月壤处理后的菌体内色素含量与对照条件下培养的结果无显著差异。该结果对于未来开发月壤资源和构建月球基地受控生态生保系统具有一定意义[50]。

4系统集成技术研究

我国在开展CELSS单元级关键技术试验研究的基础上，从2000年代中期开始，逐步开展了人员逐渐增多、封闭时间逐渐延长、物质闭合度逐渐提高的系统级集成技术试验研究，主要进展情况如下：

4.12人7天人—萍—鱼气体交换试验

福建农科院农业生态研究所相继开展了2人3天和2人7天的人与红萍之间氧气和CO2的气体交换试验。首先进行了2人3天的人-萍气体交换试验，证明培养面积为8 m2的红萍能够提供一个人的呼吸用氧并净化其呼出的CO2。随后进行了2人7天的“红萍-鱼-人”整合试验研究，证明该生态系统中氧和CO2可以达到平衡，再次证明红萍具有较强的氧气生产能力[51]。

4.22人30天CELSS集成技术试验

2012年底，航天员中心建成受控生态生保系统集成试验平台(图4)，并开展了2人30天受控生态系统“人-植物-微生物”大气、水和食物等物质流交换及其动态平衡调控技术试验研究。受控生态生保系统集成试验平台包括12个分系统，其中植物舱占地面积64 m2，植物栽培面积36 m2，共培养了生菜、油麦菜、紫背天葵和苦菊等四种色拉性蔬菜。试验结果证明，通过对植物栽培品种和面积、植物光照、营养液电导率等采取一系列优化调控措施，最终系统内大气、水和食物的闭合度分别达到了100.0%、84.5%和9.3%，物质总闭合度达到95.1%，系统能效比达到59.56 g/(kWm-2d-1)；证明种植面积为13.5 m2的四种共生植物可以满足一人的呼吸供氧需求；初步掌握了密闭生态系统中植物与人和微生物之间的物质流特性及其动态平衡调控技术，并认识了该系统中人、植物和环境三者之间的交互关系。该研究对于认识受控生态系统中人、植物(即生物部件)、环境三者的界面关系，认识环控生保系统非再生、物理化学再生和生物再生技术三者的融合与协同模式，认识和初步掌握密闭生态系统中植物和人之间的物质流特性及其动态平衡调控技术有重要的意义[52-54]。

图4　受控生态生保系统试验平台及原理图Fig.4　Integrated test platform and the schematic diagram of CELSS

4.33人105天BLSS集成技术试验

2014年初，北航刘红团队建成月宫1号生物再生生保技术集成试验平台，并开展了3人105天的生物再生式生保系统集成技术试验研究。该平台主要由植物舱、乘员舱和资源舱组成，其中植物舱种植面积为69 m2。试验期间批次培养了小麦、生菜、草莓等22种粮食、蔬菜、油料和科学实验作物。其大气、水和食物达到了较高闭合度，舱内废物被处理后予以储存而并未参与系统内的物质流循环[55]。据称，他们下一步将对月宫1号进一步完善，即增加第二个植物舱并会使废物参与物质流循环利用，以便开展人员更多、时间更长和物质流闭合程度更高的BLSS集成试验研究。

5空间关键技术验证研究

在空间植物培养中，植物根部的水分与养分供应技术是决定空间植物栽培成败的关键因素。为了突破这一问题，航天员中心于2000年代初期率先研制成功空间植物栽培装置地面试验样机，用于突破多孔陶瓷颗粒与多孔陶瓷管相结合的水分供应技术以及植物根部栽培基质的长效缓释肥料供应技术。另外，先后研制成空间微藻光生物反应器、空间微生物废水处理和空间微生物废物处理等装置的地面试验样机，并通过地面试验验证了其可行性，为研制空间飞行验证装置奠定了重要基础[44,56-57]。近期，北航与俄罗斯生物医学问题研究所合作研制成角形空间植物装置地基样机，可模拟微重力效应并连续进行蔬菜生产[58]。

飞行器舱内物体处于微重力状态，由于空间搭载机会较少，生物学研究多采用地面模拟方式进行，模拟微重力所采用的设备通常为二维或三维回旋仪。中科院水生所王高鸿等人做了模拟微重力条件下小型水生闭合生态系统的研究，研究表明，微重力条件下小球藻浓度在降低，这可能是在微重力环境下生物启动抗逆途径从而致使生产者生产速率减小。说明微重力是影响空间二元水生封闭生态系统运行的主要因素。另外，他们建立了小球藻和澳洲水泡螺二元水生封闭生态系统，研究微重力对此二元系统运行的影响。在10-3g～10-4g微重力条件下进行试验研究，结果表明这个系统可以稳定运行3个月以上[59]。

6展望

我国受控生态生保技术走过了二十余年的发展历程，取得了重要研究成果，在国际上已受到关注，但是与国际发展水平以及实际应用技术水平要求相比还有很大差距，主要体现在以下几方面：

1)部分单项关键技术还尚未完全掌握与优化；

2)集成系统中物质流高闭合度协同调控技术尚未完全掌握；

3)对系统长期运行过程中人-机-环境之间的相互作用和影响关系系统中生物再生单元与物化再生单元等相互之间的协同匹配关系、封闭系统长期运行条件下动植物和微生物之间的相互作用关系及其遗传稳定性及变异情况等的认识与把握不充分；

4)缺乏系统长期封闭条件下运行的安全可靠性保障措施。

航天员中心近期在深圳国际低碳城附近建成大型密闭生态循环系统验证平台，即将开展4人180天的受控生态生保系统集成技术试验研究，拟实现系统中较高的大气、水和食物的闭合度及较高的废物资源化利用率。

密闭生态循环系统验证平台共包括八个舱段，可满足开展六人长期集成试验的需要。八个舱段(如图5)分别是：植物舱Ⅰ、植物舱Ⅱ、植物舱Ⅲ、植物舱Ⅳ、两个乘员舱(上下层)、生保舱和资源舱。植物舱Ⅰ、植物舱Ⅱ、植物舱Ⅲ和植物舱Ⅳ的栽培面积分别为63.84 m2、86.52 m2、29.4 m2和12.85 m2，植物总栽培面积为192.16 m2。植物舱Ⅰ拟用于栽培蔬菜、水果和油料作物，植物舱Ⅱ、植物舱Ⅲ和植物舱Ⅳ拟用于栽培小麦、马铃薯和部分蔬菜水果等作物，可为乘员提供生存所需的食物和呼吸用氧，并同化乘员呼出的CO2。

图5　密闭生态循环系统验证平台外部结构示意图Fig.5　Schematic diagram of the external structure of closed ecological recycling system demonstration platform

该研究将是近期我国受控生态生保技术领域的一项重大试验研究项目，其总体方案设计周密、平台技术指标先进、集成试验和相关科学搭载实验的内容丰富，规模大、周期长，得到国际同行专家的积极参与和高度关注，因此研究结果值得期待。该工作为推动我国受控生态生保技术再一次实现跨越式发展必将发挥积极作用。

另外，应积极争取在我国不久建成的空间站上逐步在单元级、亚系统级和系统级水平上开展CELSS关键技术空间验证试验，争取尽早实现该技术在空间站以及未来月球、火星等地外星球基地的工程化部署与应用。

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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

基金项目：载人航天预先研究项目(040201)

作者简介：郭双生(1964-)，男，博士，研究员，研究方向为载人航天受控生态生保技术。E-mail：guoshuangsheng@sina.com

中图分类号：V419

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0269-12