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空间植物栽培技术分析与思考

学术期刊发表网 位置:农业论文 时间:2020-04-17 09:01 ()
摘要:摘要: 在空间栽培植物, 可以满足航天员对食物、O2和净水等生保物资的需求, 同时缓解航天员的心理压力。 研究空间特殊环境条件下植物栽培技术, 对于最大限度发挥植物的功能有着积极的意义。本文针对空间飞行 器中所搭载的不同类植物栽培装置, 详细分析了开展

  摘要: 在空间栽培植物, 可以满足航天员对食物、O2和净水等生保物资的需求, 同时缓解航天员的心理压力。 研究空间特殊环境条件下植物栽培技术, 对于最大限度发挥植物的功能有着积极的意义。本文针对空间飞行 器中所搭载的不同类植物栽培装置, 详细分析了开展空间植物栽培所涉及的关键技术, 包括大气环境控制、水 分/养分供给、光环境控制、植物选育、参数测量和植物栽培装置集成设计等, 总结归纳了不同栽培技术的特 点和适用场景, 展望了我国后续开展空间植物栽培技术研究的基本内容, 以及未来空间植物发展的基本趋势, 为提高植物功能部件的生命保障能力, 在深空探测任务中建立受控生态生保系统提供了技术基础。

  关键词: 空间; 植物; 栽培

植物

  对于载人深空探测和未来的星球定居任务, 由于距离地球遥远和任务周期非常长, 如果从地 球补充生保物资(食物、O2和净水), 费用将非常昂 贵, 也难以承受(果琳丽等2013; 余青霓等2017)。因 此, 必须针对任务目的地, 就地利用原位资源, 建 立受控生态生命保障系统(controlled ecological life support system, CELSS) (Richards等2006), 为乘员 提供足够的生保物资, 从而延长人类深空探测的 距离和时间。受控生态生保系统属于第三代环境 控制与生命保障系统, 它是以生物再生技术为特 征, 有机融合非再生技术和物化再生技术, 以物质 闭环、运行高效和系统可靠为目标, 通过各功能 单元(如植物、微藻、动物和微生物)的协同匹配, 创造适合人类生存和工作的人工环境, 维持与人 相关的物质流和能量流平衡, 满足深空探测与星 际驻留任务中人类安全适宜生活需求。其最大特 点在于系统全封闭、自给自足、自主循环和物质 闭合程度高(程开甲和李元正2004)。

  植物是CELSS系统中非常关键的功能部件, 通过植物的光合作用和蒸腾作用, 可以为航天员 提供食物、O2和净水, 同时去除CO2和一些微量有 害气体, 并能缓解航天员的心理压力(Hoehn等 1998)。因此, 在空间人工设施(如飞船、空间实验 室、航天飞机或空间站)中, 研究空间特殊环境条 件中(如微重力、辐射、低大气压和低光等)植物 栽培技术, 对于理解植物的基础生物学特性, 探索 CELSS系统中植物功能部件的作用和功能, 都具 有非常积极的意义(Rajapakse等2009)。目前, 国内 外在过去40多年(最早自1971年以来), 先后在太空 利用23个植物栽培系统, 栽培了40多种不同种类 的植物(Zabel等2016)。 空间栽培植物主要涉及以下几方面的植物栽 培技术, 包括大气环境控制技术、水分/养分供给技 术、光环境控制技术、植物选育技术、环境参数 与植物生理参数测量和植物栽培装置集成设计。 本文综合分析和比较以上空间植物栽培技术, 总 结归纳了不同栽培技术的特点和适用场景, 为后续 开展空间植物栽培技术研究, 以及受控生态生保系 统中植物功能部件的设计提供借鉴和技术支撑。

  1 栽培关键技术分析

  1.1 大气环境控制

  无论在地面还是空间, 植物的生长都必须依 赖其所处的周围环境, 大气环境控制对空间植物生长非常重要。相关大气环境参数包括大气温 度、湿度、压力、O2、CO2、微生物和微量有害 气体等等。植物长期适应地球环境条件, 但在空 间条件下, 必须人为创造适合植物生长的环境条 件。在空间环境中, 微重力对空间植物栽培大气 环境控制影响最大。由于没有重力驱动的对流效 应, 微重力会导致植物周围的边界层显著加厚, 植 物与环境之间的物质(O2、H2O和CO2等)和热量传 输受到极大限制(Monje等2003)。 早期的空间植物栽培装置中的环境控制系统 并不完善。二十世纪七十年代, 前苏联在“礼炮号” 空间站上试验的“绿洲” 1A (Oasis Series)和“花盆” (Vazon)植物栽培装置甚至没有密闭的栽培舱, 植 物直接在空间站内的大气环境条件下生长。“礼炮 号”空间站上的其他植物栽培装置如“孔雀石”、 “生物重力/磁力效应装置”、“光组件”均无温湿 度、CO2和微量气体控制, 或仅仅部分温湿度控制 (如“植物繁殖单元”通过通风方式实现同时过滤大 气中的细菌) (Zabel等2014, 2016)。这可能也是早 期部分植物在空间微重力环境下栽培失败的原因 之一, 如“绿洲” 1M中的豌豆苗在3周内全部死亡, “孔雀石”的兰花植株未能成活, “生物重力/磁力效 应装置”中的黄瓜、生菜和欧芹均枯萎死亡, “植物 繁殖单元-2”中的豌豆和小麦在发育早期就死亡。 因此, 通过增加强制通风, 可以提高大气环境控制 的精度(Stutte和Monje 2005)。 “和平号”空间站曾运行过5类植物栽培装置 (Zabel等2016), 即“光”、“光-气体监测系统”、“花 盆”、“光组件”和“宇宙栽培装置”。其中, “花盆” 和“光组件”是“礼炮号”空间站上的升级版, 无环境 控制功能。“光”装置可进行部分环境控制, 具有专 门的通风单元和大气供给系统。通风单元主要用 于排走灯管散发的热量, 风速0.3 m·s-1。大气供给 系统则主要向植物根部通入O2, 防止根部缺O2。 “光-气体监测系统”则只控制温度, CO2和微量气体 均不控制, 但具有环境检测系统(environmental measurement system, EMS), 配置了与大气环境相 关的O2、温度和湿度传感器(还包括土壤湿度和光 照传感器), 可以测量相关大气环境参数(Bingham 等1996)。其气体交换监测系统(gas exchange monitoring system, GEMS)则可以精确测量进出植物培 养袋的CO2和水绝对含量和差异值, 从而可以计算 植物在微重力环境下的光合速率和蒸腾速率。在 1996~1997年试验时发现, 高浓度乙烯导致小麦结 穗失败, 后续该装置增加了乙烯过滤器和微量污 染物控制功能。

  “宇宙栽培装置”只在“和平号”空 间站运行过一次, 主要在航天飞机上开展试验。 在航天飞机上, 共运行过4类植物栽培装置, 即“植物栽培单元”、“植物栽培装置”、“宇宙栽培 装置”和“植物通用生物加工装置”。1982年, “植物 栽培单元”首次被安装在航天飞机的中层甲板柜 中, 仅仅靠一台风扇和一台加热器对温度进行控 制, CO2和微量有害气体均不可控制。1997年开始 的 “植物栽培装置” (plant growth facility, PGF)具有 独立的大气环境管理系统, 主要对大气温湿度、 CO2、微生物或乙烯进行调节和控制(Porterfield等 2003)。自该装置以后, 在空间试验的植物栽培装 置大部分具有大气环境管理系统。而1992年开始 在航天飞机上运行的“宇宙栽培装置”是第一个具 有能够主动控制痕量气体系统(乙烯清除器)的栽 培舱, 后来的栽培舱都采用了此技术。“植物通用 生物加工装置”则利用航天飞机内的大气进行通 风, 用CO2吸收床吸收CO2。 国际空间站(International Space Station, ISS) 曾经运行过或正在运行8个植物栽培装置, 具体包 括: “先进宇宙栽培装置”、“生物量生产系统”、“拉 达”、“欧洲模块化栽培系统”、“植物实验单元”、 “高级生物学研究系统”、 “蔬菜生产系统”和“先进 植物栽培装置” (advanced plant habitat, APH)。除 “拉达”和“蔬菜生产系统”没有CO2和微量气体控制 外, 其他装置均有相应的温(湿)度、CO2和微量气 体控制。其中, “生物量生产系统”可根据植物生长 需要注入纯CO2, 有乙烯清除器和颗粒物过滤器, 并可测量植物的光合作用和蒸腾作用速率。

  “欧洲 模块化栽培系统”则只有相对独立的气体供给单 元、乙烯清除单元和压力控制单元。而“蔬菜生产 系统”则仅仅利用风箱罩和舱内的大气来控制装置 内的温度和CO2水平(Zabel等2014, 2016)。 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)为研究空间微重力对植物的长期影响, 同时验证植物在受控生态生保 系统中的利用潜力和可靠性, 研制出了APH (Morrow等2016)。该装置于2017年10月28日在国际空 间站“希望”号安装和测试, 正在开展相关科学试验 研究。这是迄今为止规模最大、性能最先进的空 间植物栽培装置。其大气环境控制系统也比较复 杂, 包括系统模块(温湿度控制、大气过滤)、压力 控制、氮系统、CO2控制、O2控制以及乙烯清除 等组件。APH可以控制大气温度、湿度、CO2浓 度、O2浓度、大气总压、氮压力和乙烯浓度等参 数。系统模块主要进行装置内大气的温湿度控制 (18~30°C, 50%~90% RH)及大气微粒和微生物过 滤。其内部的热量排散(80%~90%)主要依靠中温 回路和APH测控设备中的大气控制组件。压力控 制主要用于保持栽培舱大气为正压, 防止ISS舱内 大气进入APH造成污染。氮系统有助于维持大气 正压, 同时用于降低大气O2浓度。CO2/O2控制则 将大气CO2和O2分别控制在0.04%~0.5%和18%~ 24%。必要时, 由APH栽培舱排出的大气经栽培舱 安全阀释放到ISS内。乙烯清除组件则主要通过高 锰酸钾将大气中乙烯浓度控制在0.025 mg·m-3以 内, 防止密闭空间高浓度乙烯抑制植物生长。 我国科研机构利用返回式卫星和神舟系列飞 船, 也开展了多次空间植物搭载试验研究(郭双生 和武艳萍2016)。但大气环境控制系统的结构组成 相对简单。这可能与其试验目的和空间资源有 关。如郑慧琼等(2007, 2008)、Zheng等(2018)和 Wang等(2018)分别利用“实践8号”、“实践10号”和 “天宫二号”, 搭载了植物栽培装置, 大气环境控制 方面利用其研制的高锰酸钾乙烯去除剂去除乙烯; 温晓刚(2003)和陈瑜等(2013)报道的石刁柏和番茄 空间栽培装置, 其大气环境控制也相对简单。中 国航天员科研训练中心在“天宫二号”, 利用搭载的 “空间植物栽培装置”开展了为期28 d的生菜栽培 试验(Shen等2018)。 因此, 针对空间微重力环境条件, 在栽培植物 的过程中必须对大气环境进行精确测量和控制。 尤其需要进行强制通风对流, 促进植物叶片的气 体交换和根系的正常呼吸, 从而保证植物的正常 生长。

  1.2 水分/养分供给

  1.2.1 水分供给

  水分供给技术是空间微重力环境下栽培植物 非常关键的技术。空间微重力环境下水/气无法自 动分离, 植物必须依赖外力才能与周围环境进行正 常物质交换(Monje等2003)。如果植物根部水分运 动控制不好, 极容易造成根部水分过多而根系缺 O2, 或者水分过少造成植物缺水(Hoehn等2000)。 因为微重力下水分运输与植物生长基质特性(晶粒 大小和堆积密度)直接相关, 不同空间植物栽培装 置根据空间资源要求、栽培周期和技术发展不同, 采用不同的水分运输方式, 即被动运输式(如固化 琼脂)和主动运输式(多孔管)。被动运输多用于小 规模空间植物栽培, 但随着空间植物栽培技术发展 和规模扩大, 主动运输式将会成为主要的水分运输 方式。以下结合不同搭载装置进行详细阐述。 水分被动式运输方面, 早期的空间植物栽培 装置和一些小规模空间植物栽培采用较多。这些 装置多采用具有一定保水性的基质、离子交换树 脂、琼脂培养基或再结合吸水材料来实现水分的 被动式供应。如“礼炮号”上的“绿洲”系列、“花盆” 和“孔雀石”均采用离子交换树脂, “光组件”采用琼 脂培养基; ISS上的“蔬菜生产系统”则采用煅烧 蒙脱土结合吸水材料共同构成根垫, 来为植物供 应水分。

  水分主动式运输方面, “光”、“光-气体交换监 测系统”、“拉达”、“植物实验单元”、“宇宙栽培 装置”、“先进宇宙栽培装置”、“生物量生产系统” 和APH均采用主动式水分运输系统。其中, “光”、 “光-气体交换监测系统”和“拉达”均是通过包裹具 有毛细作用的吸水材料(烯醇缩甲醛)的多孔管将 水分输送到植物根系周围。“拉达”中的水分供应 组成主要包括囊式水箱、电磁阀、多孔管和毛细 有机吸水材料(Berkovich等2004)。根模块中(沸石 作为栽培基质)有6个水分传感器(3个水平位置)和 4个O2传感器, 可以测量水分含量和O2含量, 并通 过判断测量值来控制电磁阀供水, 或控制通气泵 给根区通气, 从而保证根部水分充足而O2也满足 根系生长需要。日本的“植物实验单元”则采用岩 棉作为基质材料, 通过红外湿度分析仪来测量岩棉的含水量, 从而由自动供水系统为植物根部供 水(Yano等2013)。“宇宙栽培装置”、“先进宇宙栽 培装置”和“生物量生产系统”均采用多孔管式主动 水分运输方式。 APH的水分供应是一套比较复杂的主动运输 系统, 主要由科学载体和水回收与配置组件来共 同来实现水分主动式供给(Morrow等2016)。科学 载体实际上是植物栽培根盘, 多层结构, 包括基质 层、吸水泡沫和最上部的聚碳酸酯盖, 主要用于 容纳基质和植物根部。该载体高5.08 cm, 面积 0.171 m2 , 以煅烧的蒙脱土为栽培基质, 多孔管作 为水分供应管路。根据实验需要和接口要求, 科 学载体可以被替换。科学载体被分割为4个独立 控制区域, 对每一个区域的基质温度、含水量和 氧气含量均进行精确控制。根据实验需要, 水回收 与配置组件通过4个磁力泵和水箱(1.1 L)来为科学 载体的4个区域供水, 其流速最大为1.4 mL·min-1 。

  因此, 每个独立区域基质的温度、湿度和溶解氧 均可监测和控制。 如上所述, 采用被动还是主动水分供应方式 与植物栽培的实验需求密切相关。一般短期实验 则多采用被动式供水方式, 而对于受控生态生保 系统而言, 需要开展长期多代植物栽培研究, 栽培 面积也较大, 采用主动水分运输方式比较恰当。对 于微重力环境条件下的植物栽培, 采用固体基质比 较适合, 而且固体基质颗粒的直径一般为0.5~5 mm, 沸石颗粒直径0.5~1 mm, 蒙脱土颗粒直径1~2 mm, 蛭石颗粒直径1~3 mm。当然对于月球/火星基 地的植物栽培灌溉系统, 则可以利用低重力特点, 采用营养膜技术或雾培系统, 可以高效培养植物。

  1.2.2 养分供给

  养分必须溶解在水里, 才能被植物吸收利 用。因此, 空间植物养分的供应是伴随水分供应 而实现。但不同在轨飞行植物装置的养分供给形 式却不同。一种是将养分直接与基质混合在一起, 通过水分的溶解而被接触的根系吸收利用, 如离 子交换树脂(“绿洲”系列)、泡沫或琼脂(“植物培养 单元”)、含沸石的离子交换基质(“光”)和沸石基质 (“宇宙栽培装置”)均含有相应的养分。这些养分 一般是速效养分, 能快速溶解在水里被植物吸收 利用。另外一种是将缓释肥与基质混合, 通过缓 释肥的缓慢释放为植物提供长时间养分供应, 如 “拉达”白土基质、“蔬菜生产系统”和新研发的 APH的煅烧蒙脱土基质, 以及“空间蔬菜装置”蛭石 基质中均配置有相应的缓释肥作为植物生长的养 分来源(Poulet等2016; Zabel等2016; Shen等2018)。

  从空间植物栽培发展趋势看, 微重力环境中 的基质培养体系一般采用缓释肥比较合适。对于 有机基质(本身有一定的养分)栽培而言, 如果植物 生长周期较短(如叶菜类), 一般采用大量元素(N、 P、K)包衣的缓释肥即可。如果采用无机基质(包 含的养分非常少)而植物生长周期较长(如粮油类), 则需要包含全营养元素的缓释肥。对于深空探测 的月球/火星基地而言, 则可利用其低重力, 采用水 培/雾培系统, 直接采用速效养分(包含大量元素、 中量元素和微量元素)溶解在水里, 即可快速高效 培养不同种类植物。

  1.3 光环境控制

  光是植物生长的重要条件之一, 主要包括光 质、光强和光周期三个要素。植物生长是通过光 合作用、光形态建成和光周期调节来完成的, 因 此光是CELSS中植物生长发育的重要环境因子和 主要能量来源(唐永康等2010)。早期的空间植物 栽培装置采用荧光灯为植物提供光照, 最大光照 强度可达350 μmol·m-2·s-1 (“绿洲”1A和“植物通用 生物加工装置”), 最弱光照仅仅为30 μmol·m-2·s-1 (“植物栽培单元”)。

  “宇宙栽培装置”第一次在空间 应用发光二极管(light emitting diode, LED)光照系 统为植物提供光照。与传统的人工光源如高压钠 灯、荧光灯相比, 发光二极管具有光能转换率 高、体积小、寿命长、波长固定、光质可调、冷 光源等优点(Xu等2014)。LED的优点使其成为空 间植物栽培非常理想的候选光源(Massa等2006; Tang等2009)。后续的空间植物栽培装置均采用 LED作为植物生长光源。

  由于植物对可见光的吸收主要集中在400~ 510 nm的蓝紫区和610~720 nm的红橙区, 因此使 用红色和蓝色LED即可培养植物。如“宇宙栽培装 置”利用光强比为9:1的红蓝LED培养玫瑰, “植物 实验单元”则采用3:1的红蓝LED培养拟南芥。随着人们对LED单色光对植物生长影响的认识更加 深入(Cope和Bugbee 2013; Poulet等2014), 逐渐加 入其他单色光和白光形成复合LED来培养植物, 以 满足不同类植物对光谱的需求。比如“高级生物学 研究系统”采用红、绿、蓝和白色LED等的复合LED 光源系统, “蔬菜生产系统”则采用红、蓝和绿的LED 光源系统, 其总光照强度均大于300 μmol·m-2·s-1, 主要栽培株型较矮的拟南芥和蔬菜类植物(Morrow等2005; Zabel等2016)。“空间植物栽培装置” 也采用红、蓝和绿色组合的LED光源系统, 但因资 源限制, 其光强较小(Shen等2018)。如果培养粮油 类作物(如小麦), LED的光照强度则至少需要达到 500 μmol·m-2·s-1, 目前在轨试验的装置中, 只有 APH装置能达到这个光照水平(Morrow等2016)。 该装置根据试验研究需要, 配置了红色(640 nm)、 蓝色(450 nm)、绿色(525 nm)、白色和远红光(725 nm) 5种LED光源, 可以进行不同LED组合来开展 相应的科学试验研究, 其总光照水平可以达到1 000 μmol·m-2·s-1 。

  从上述可知, LED光源系统一般以红色和蓝 色作为主要基本单色光组成, 同时配置相应的绿 色、白色或远红光。其中, 绿光和远红光只是作 为辅助光源, 所占比例较小。从公开文献报道中 了解, 每一种LED光的波长和在光源系统中的光强 占比大致范围为: 红色, 630~660 nm, 75%~90%; 蓝 色, 440~470 nm, 10%~40%; 绿色, 524~540 nm, 5%~8%; 白光, 30%~60%; 远红光, 约5%。而光周 期则可以根据植物生长需要进行设置。

  总体而言, LED非常适合应用在空间站内的 试验舱中。然而对于月球/火星基地, 则可以利用 到达行星和月球表面的太阳光来为植物光照, 可 以实现节省能耗的目的。比如微生态生命保障系 统(micro-ecological life surpport system alternative, MELiSSA)项目团队研究了利用光纤将光传输进 月球/火星基地温室舱来培养植物的可行性(Poulet 等2016)。当然, LED灯可以作为其中非常重要的 补光手段。后续需要进一步提高LED的电光转化 效率, 增加单位能耗的生物产量。

  植物类期刊推荐:《植物学报》(双月刊)创刊于1983年,是由中国科学院主管、中国科学院植物研究所和中国植物学会主办的中文版综合性学术期刊

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