空间受控生态生命保障技术

受控生态生命保障系统(俗称太空农场)是未来开展月球和火星永久驻留与开发所必需的生命保障系统，其主要通过粮食、蔬菜等高等植物的光合作用和微生物的分解作用并辅以空间站相关技术，快速、高效、持续地为航天员提供食物、氧气和水等生存必需品，是未来航天技术发展的重要瓶颈技术。《空间受控生态生命保障技术》重点介绍了该技术的基本概念、作用意义、发展历史与现状，与月球和火星表面环境紧密相关的植物栽培、食品加工、废物循环和物质流动态平衡调控等重大关键技术突破的情况，植物栽培关键技术空间在轨验证以及该学科的未来发展方向等。

目录
序前言
第一篇绪论
第1章概念、构成、原理与应用3
1.1背景分析3
1.2基本概念4
1.3基本理论和原则要求6
1.3.1生态学和生态系统理论6
1.3.2CELSS特点7
1.3.3CELSS基本研究方法10
1.3.4CELSS基本设计原则11
1.4基本结构构成与运行模式12
1.4.1基本结构构成12
1.4.2基本运行模式14
1.5主要研究任务16
1.5.1总体技术方案16
1.5.2环境控制技术16
1.5.3物质生产技术16
1.5.4食品收获与加工技术16
1.5.5废物再生技术16
1.5.6系统集成技术17
1.5.7极地和空间验证技术17
1.5.8原位资源利用技术17
1.6重要作用与意义18
1.6.1降低补给需求和改善乘员心理状态18
1.6.2在地面上具有重要潜在应用价值20
1.7小结23
参考文献23
第2章国内外研究历史与现状26
2.1国外研究历史与现状26
2.1.1总体概况26
2.1.220世纪50～60年代27
2.1.320世纪70年代29
2.1.420世纪80年代32
2.1.520世纪90年代35
2.1.621世纪初40
2.2国内研究历史与现状45
2.3小结47
参考文献49
第3章总体约束条件及发展思路54
3.1长期生命保障物质供给需求分析54
3.2CELSS所面对的星球表面外部环境条件分析55
3.3CELSS构建影响因素分析57
3.3.1重力58
3.3.2地形58
3.3.3大气压力58
3.3.4大气CO2浓度58
3.3.5光照58
3.3.6温度59
3.3.7高能辐射60
3.3.8水60
3.3.9植物栽培基质60
3.4CELSS基本特性和运行要求61
3.4.1系统基本特性要求61
3.4.2系统基本运行要求61
3.5发展CELSS的总体边界约束条件分析62
3.6CELSS技术发展的基本思路分析64
3.6.1总体研究路线图64
3.6.2主要研究领域65
3.6.3技术实施时间表和路线图规划66
3.7未来主要研究任务分析68
3.7.1近期研究任务68
3.7.2中期研究任务70
3.7.3远期研究任务72
3.6小结74
参考文献74
第二篇物质生产技术
第4章植物筛选与栽培技术79
4.1筛选标准与优先原则79
4.1.1基本筛选标准79
4.1.2优先选择原则80
4.2筛选基本方法81
4.2.1基本筛选思路81
4.2.2基本筛选方法82
4.2.3基本打分示例分析82
4.2.4综合计算分析方法83
4.3筛选主要结果84
4.3.1国外基本情况84
4.3.2国内基本情况90
4.4植物基本栽培要求92
4.4.1作物生长条件设置及原则92
4.4.2作物生长条件基本调控方法94
4.4.3植物基本栽培措施95
4.5小结103
参考文献104
第5章植物光照条件优化调控技术106
5.1光照对植物的作用与意义106
5.2植物光合作用的基本概念109
5.3植物光照条件优化措施113
5.3.1光能利用率基本概念113
5.3.2光源种类选择114
5.3.3光质调控116
5.3.4光强调控117
5.3.5光周期调控119
5.3.6光照方式调控119
5.4植物光照优化研究进展120
5.4.1光源优化120
5.4.2光强优化121
5.4.3光质优化124
5.4.4光周期优化126
5.4.5光照方式优化129
5.5植物光照未来发展方向分析132
5.6小结134
参考文献134
第6章植物大气条件调控技术139
6.1大气温度对植物生长发育的影响139
6.1.1不同植物对大气温度的一般要求139
6.1.2大气温度对植物生长和光合作用效率的影响140
6.1.3大气高温对植物生长的影响及对策141
6.1.4大气温度对植株开花的影响143
6.1.5大气温度对植物产量和品质的影响144
6.2大气通风条件对植物生长的影响148
6.2.1气流速度对叶片边界层阻力的影响149
6.2.2气流速度对植物光合与蒸腾作用效率的影响150
6.2.3气流速度对植物释放乙烯的影响151
6.3大气CO2浓度对植物生长的影响154
6.3.1CO2浓度对植物形态学和病虫害抑制的影响154
6.3.2高CO2浓度对植物光合与蒸腾作用效率及水利用率的影响155
6.3.3高CO2浓度对植物其他生理代谢活动的影响160
6.3.4高CO2浓度对作物产量和营养品质的影响162
6.4小结168
参考文献168
第7章大气乙烯对植物生长的影响及其净化技术172
7.1植物生长过程中乙烯产生规律及机理172
7.1.1植物生长过程中乙烯产生规律172
7.1.2植物生长过程中乙烯产生机理177
7.2封闭环境中乙烯对植物生长与发育的影响及机理180
7.2.1乙烯抑制植物生长和加速器官老化180
7.2.2乙烯引起植物叶片偏上和叶片纵向卷曲生长182
7.2.3乙烯对植物光合作用效率的影响183
7.2.4乙烯对植物开花与繁殖的抑制作用184
7.3乙烯对植物向重性反应的影响186
7.4密闭环境中乙烯浓度控制技术187
7.4.1高锰酸钾氧化技术188
7.4.2光催化氧化技术188
7.4.3微生物空气过滤技术191
7.5小结193
参考文献194
第8章弱磁场构建技术及其植物生物学效应197
8.1弱磁场的基本概念197
8.2弱磁场环境构建技术198
8.2.1国外进展情况198
8.2.2国内进展情况201
8.2.3零磁场屏蔽技术存在问题与发展方向202
8.3弱磁场对植物发芽、向重性及生长与发育的影响203
8.3.1弱磁场对植物发芽的影响203
8.3.2弱磁场对植物向重性的影响204
8.3.3弱磁场对植物胚轴生长的影响206
8.3.4弱磁场对植株生长与发育的影响207
8.4弱磁场对植物细胞繁殖和分化的影响209
8.4.1弱磁场对植物细胞结构组成和分裂的影响209
8.4.2弱磁场对细胞和亚细胞超微结构的影响210
8.5弱磁场对植物生理学和生物化学的影响212
8.5.1弱磁场对植物生理学的影响212
8.5.2弱磁场对植物生物化学的影响213
8.6弱磁场对植物繁殖和遗传变异的影响213
8.6.1弱磁场对植物开花的影响213
8.6.2弱磁场对植物遗传变异的影响214
8.7弱磁场对植物隐花色素信号传导及基因表达的影响214
8.8弱磁场生物学效应的可能作用机理217
8.9小结218
参考文献218
第9章微藻培养技术224
9.1微藻在CELSS中的作用和地位224
9.1.1作为膳食营养补充224
9.1.2清除CO2及释放O2225
9.1.3生物固氮与废水处理226
9.2藻种选择226
9.3空间微藻光生物反应器研制技术228
9.3.1反应器设计根据228
9.3.2反应器基本组成229
9.3.3反应器主体与藻液循环技术230
9.3.4光照技术231
9.3.5藻液CO2供给与pH调控技术237
9.3.6藻液溶解氧脱除技术239
9.3.7藻液养分调控技术240
9.3.8藻液环境温度控制技术241
9.4微藻培养技术研究进展241
9.4.1空间环境对微藻形态结构和生理生化活动的影响242
9.4.2空间微藻光生物反应器关键技术验证244
9.4.3微藻在CELSS中的集成验证技术246
9.5小结248
参考文献248
第10章动物和食用菌培养技术253
10.1CELSS中引入动物和食用菌的意义253
10.2动物和食用菌选用的一般原则及种类255
10.2.1动物和食用菌选用一般原则255
10.2.2拟选用的动物和食用菌一般种类255
10.3水生动物养殖技术256
10.3.1C.E.B.A.S.构建技术257
10.3.2饵料对鱼类生长、产量和营养品质的影响261
10.4陆生动物养殖技术268
10.4.1桑蚕培养技术及作用268
10.4.2黄粉虫培养技术及作用270
10.5食用菌培养技术271
10.5.1食用菌培养基质基本制备方法271
10.5.2动物粪便对食用菌培养的影响272
10.5.3细菌对食用菌生长的促进作用273
10.6小结274
参考文献275
第三篇资源回收与原位资源利用技术
第11章固废处理技术281
11.1废物基本种类及典型成分分析281
11.1.1废物基本种类分析281
11.1.2固废典型成分分析282
11.2固废处理基本原则要求与方法种类282
11.2.1固废处理基本原则要求282
11.2.2固废处理基本方法283
11.3固废生物处理法284
11.3.1固废好氧微生物反应器降解技术284
11.3.2固废厌氧微生物反应器降解技术293
11.3.3类土壤基质制备技术298
11.4生物与物化相结合的固废降解技术300
11.4.1生物+物化降解处理法300
11.4.2物理萃取+微生物降解处理法302
11.5物理及化学固废处理技术303
11.5.1焚烧法303
11.5.2交变电场+过氧化氢氧化法304
11.6小结306
参考文献306
第12章废水处理技术310
12.1废水种类及其处理基本要求、方法和流程310
12.1.1废水种类310
12.1.2废水处理基本要求311
12.1.3废水处理基本方法311
12.1.4废水流处理基本流程313
12.2微生物反应器处理技术314
12.2.1好氧生物反应器废水处理技术314
12.2.2厌氧生物反应器废水处理技术327
12.2.3厌氧+好氧生物反应器废水处理技术329
12.2.4生物+物化废水处理技术330
12.3植物废水处理与利用技术331
12.3.1作物直接利用尿液技术331
12.3.2作物直接利用生活污水技术333
12.3.3耐盐植物吸收与分离钠盐技术334
12.3.4植物利用废水后处理液的可行性评价335
12.4藻类废水处理技术336
12.4.1微藻处理尿液技术336
12.4.2大藻处理尿液技术337
12.5小结337
参考文献338
第13章废气处理技术341
13.1微量有害气体的基本种类、浓度及控制要求341
13.2空气净化途径总体概况343

第一篇 绪论
　　第1章 概念、构成、原理与应用
　　随着美国、俄罗斯、欧洲航天局(European Space Agency， ESA)、日本等国家或航天组织提出并实施载人登月和载人火星飞行并建立地外星球基地的计划，受控生态生保技术受到国际航天界的日益重视。本章主要就受控生态生保系统的概念、受控生态生保系统与其他相关载人航天器生保系统的异同、受控生态生保系统需要主要开展的相关研究任务及其在未来载人深空探测和月球 /火星等地外星球表面驻留等载人航天环境控制与生命保障中的作用及意义等进行简要介绍。
　　1.1 背景分析
　　开展长期载人航天、载人深空探测和地外星球 (如月球和火星 )的定居与开发等是我国未来航天事业发展的必然方向。诚然，在月球甚至火星上建立家园或基地是我们中国人乃至全人类的千年梦想，这不仅是为了满足人们的好奇心和求知欲，而且具有重大而深远的政治、军事、科技和经济意义，即能够极大地彰显国力，并实现开疆拓土、地外移民、能源开发、特殊材料制备、科学探索和太空旅游等(MacElroy and Averner， 1978)。目前，不仅美国和俄罗斯等国家提出 2030年前后的载人登月计划，我国也正式提出 2030年实现载人探月，长远目标则是建立月球科考站和月球基地，并作为前哨为载人登火和建立火星基地奠定基础。
　　就目前的航天技术发展水平来看，人类并非不能登上月球或火星 (事实上，美国在 20世纪 60～70年代“阿波罗”计划期间已经多次登上月球 )，而关键问题是无法长期驻留，其重要瓶颈就是无法实现食物等生保物资的持久供应。因此，要实现这一目标，其首要条件之一就是建立与之相适应的环境控制与生命保障系统 (简称环控生保系统 )。该系统必须能够利用有限的资源就地持续再生航天员生活所需的食物、氧气和水等全部最基本的生保物资，而从地面补给不仅运费惊人，从技术上也难以实现。事实上，能否成功建立相应的环控生保系统是开展月球定居与开发以及载人火星飞行与表面驻留的重要瓶颈因素之一 (Gitelson， 1992; Wheeler， 2017)。
　　目前，应用于载人航天的环境控制生命保障系统，包括非再生式生命保障系统(non-regenerative life support system， NLSS)和物理 /化学再生式生命保障系统 (physical-chemical life support system， PCLSS)两种类型。非再生式生命保障系统又被称为储存式生命保障系统、开环生命保障系统或第一代生命保障系统，即航天员生存所需的氧气、水和食物均通过运输飞船或航天飞机从地面补给。该生命保障系统适合于短期载人飞行，而在中长期载人飞行中这样做势必会导致后勤保障费用十分昂贵，这不仅在技术上有一定难度，而且其安全可靠性也没有保证。物理化学再生式生命保障系统又被称为半储存式生命保障系统、半闭环生命保障系统或第二代生命保障系统。尽管该系统通过物化方法能够再生氧气和水，但无法再生食物而必须予以补给。物理化学再生式生命保障系统适合于空间站等中长期低地球轨道的载人飞行，而在长期载人飞行中这样做同样会面临食物的后勤补给费用昂贵、技术难度大和安全可靠性不高等难题。因此，基于此分析，必须在空间基地发展能够就地同时再生食物、氧气和水的高级环控生保系统，即受控生态生命保障系统(Olson et al.， 1984)。
　　1.2 基本概念
　　20世纪 80年代初，美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration， NASA)最先提到受控生态生命保障系统 (controlled ecological life support system， CELSS)这一概念名称。受控生态生命保障系统，又被称为密闭生态生命保障系统(closed ecological life support system， CELSS)、生物再生生命保障系统(bio-regenerative life support system， BLSS)、生物生命保障系统 (biological life support system， BLSS)，简称受控生态生保系统。不久之后， NASA将受控生态生保系统改称为高级生保系统(advanced life support system， ALSS)。另外，受控生态生保系统又被俗称为太空农场(space farm)或太空农业 (space agriculture)。作者认为，受控生态生保系统相比其他名称，能够较为准确地反映该技术的学科特点和内在本质，因此在本书中统一采用受控生态生保系统这一名称，简称 CELSS。
　　CELSS是基于月球或火星等地外星球表面环境特点而人工建造的密闭微生态循环系统，其以空间科学、生物学、生态学和环境科学等多种学科为依据，以地球生物圈的基本原理为参考，以植物的光合作用为出发点，通过利用各种先进技术，合理、高效、可控地组合和运用“生产者 (植物/藻类/动物)”、“消费者 (人/动物)”和“分解者 (微生物 /物化降解技术 )”之间的食物链关系，实现系统中有限资源的重复再生利用，从而为长期空间飞行或地外星球驻留人员持续提供氧气 (O2)、水和食物等生保物资，因此它是一种全封闭、基本自给自足和自主物质循环的生命保障系统。在该系统中，植物通过光合作用将光能 (来自太阳光或光电转换)转化成化学能储存在有机物中，为异养生物 (人和动物 )提供食物和 O2，同时又将异养生物排出的二氧化碳(CO2)和其他废物转化成上述有用产品，由此构成系统的碳循环和氧循环；植物通过根系吸收和叶片的蒸腾作用实现水的净化而参与系统的水循环；系统中的微生物对废气、废水及动植物的不可食用部分以及人及动物的排泄物等进行降解和矿化处理(mineralization)，从而为植物提供养料，为动物提供部分食品，使废物得到再生利用，由此建立起一个由植物、动物、微生物、人以及一些必要的有机与无机环境构成的物质和能量不断循环与更新的人工密闭生态系统(图 1.1)(MacElroy and Bredt， 1984)。
　　图 1.1 CELSS基本工作原理示意图
　　另外，受到航天器发射大小及重量、地外星球表面环境严酷和原位资源匮乏等条件限制，故而对 CELSS提出了极高要求，这样对其必须辅助以其他必要的工程技术手段来确保系统中物质流能够高速率、高闭合度、高效率和高安全可靠性地运行。可采用的工程技术手段，包括针对载人飞船的非再生式生命保障系统和针对空间站的物理化学再生式生命保障系统，主要在于促进系统中大气、水和固体废物的加速再生循环与利用。因此，CELSS又被称为非携带式生命保障系统、闭环生命保障系统或第三代生命保障系统(Barta and Henninger， 1994)。未来飞行任务中不同航天器及地外星球基地生保系统设计特征如表 1.1所示。
　　表 1.1 未来飞行任务中不同航天器及地外星球基地生保系统设计特征所用技术 非再生式生命保障技术 物理化学再生式生命保障技术 受控生态生命保障技术 受控生态生命保障技术由此可见，CELSS既是涉及多学科综合与交叉的多元生物系统，同时也是多种技术门类并存而异常复杂的多元工程系统，需要解决涉及生态与环境工程、光电、信息和高端自动化控制等大量关键技术和科学问题。
　　1.3 基本理论和原则要求
　　1.3.1 生态学和生态系统理论
　　生态学和生态系统理论原理对于研究航天器生命保障系统中生物和非生物部件之间的物质和能量交换过程至关重要。《韦氏词典》(Merriam-Webster Dictionarg)将生态学定义为“处理生物群体与其环境之间关系的科学(science that deals with the relationships between groups of living things and their environments)”，而把生态系统定义为“作为一个生态单元发挥作用的有机体及其环境的群落复合体(complex of a community of organisms and its environment functioning as an ecological unit)”。另一种生态系统的定义是“包含有机体及其生存环境的结构和功能整体，在其中持续进行生物材料和能量交换，以保障自主系统实现可持续运行”(Eckart， 1996)。
　　按照上述定义，用于空间生命保障的生物系统应属于生态系统 (ecological system或 ecosystem)。事实上，可以将航天器居住舱认为是乘员的生态系统，其在航天器环境中进行能量或物质交换。生态系统具有自然和人工边界，其对于能量和物质(包括水和气等)的恒流量( constant flux)是开放的。生物部件包括自养型 (生产者 )和异养型 (消费者或分解者 )。栖息地是物种的居住地，而小生境是物种的工作或“施动”场所。假如多物种完成同样的工作，则会导致出现功能冗余。多样性是指系统中所存在物种的多样化。许多生态学家推测在生态系统中物种的多样性会促进系统运行的稳定性。假如这一理论成立，那么多样性对于空间 CELSS是一种重要的设计考虑因素。另外已知，促使生态系统运行的非生命过程是能量流和物质循环，例如碳、氮和磷等物质在非生物和生物部件之间通过生物地球化学循环过程进行反复再生。1840年，德国化学家利比希(Baron Justus von Liebig， 1803～1873)在其所著的《化学在农业和生理学上的应用》一书中，分析了土壤与植物生长的关系，认为每种植物都需要一定种类和数量的营养元素，并阐明在植物生长所必需的元素中，供给量最少 (即与需求量相差较大 )的元素决定着植物的产量。例如，假如土壤中的氮、钾、磷可分别维持 250kg、350kg、500kg的产量，则植物的实际产量只能最终达到 250kg。若多施一倍的氮，则产量将停留在 350kg，因为这时的产量受到了钾的限制。利比希指出：任何生长因子的存在量低于某种生物所需要的最小量时，这种因子即成为决定该物种生存或分布的根本限制因子。这就是利比希最小因子定律 (Liebig’s law of the minimum)。这样，即导致形成动力学平衡条件，从长期看来，流入与流出会达到平衡，并能够承受该环境条件下的各种扰动作用(Eckart， 1996)。