目的 探讨不同供氧浓度对生物质固废好氧堆肥化处理过程的影响机制,以掌握适用于未来地外星球基地受控生态生保系统(CELSS)固废资源化处理的供氧参数,提高氧气利用率.方法 利用自研的固废生物反应器试验系统,以小麦秸秆和模拟粪便为处理对象,开展10%、15%和21%三种供氧浓度的好氧堆肥化处理实验,定期采样并分析处理过程中的气体组分(O2、NH3、CH4和N2O)及物料腐熟度(含水率、溶解性有机碳、NH4+-N和种子发芽指数).结果 15%O2处理组耗氧量最大,NH3和N2O排放量最小,溶解性有机碳含量降解效果最好,NH4+-N含量较高;3个处理组中CH4排放均处于较低水平.堆肥结束时,10%O2和15%O2处理组的产品含水率均大于74%,保水性最好,各处理组的种子发芽指数分别达到86.64%、123.81%和97.98%.结论 与10%和21%供氧浓度相比,15%供氧浓度有效减少了NH3和N2O的排放,且拥有良好的保氮、保水和溶解有机碳降解效果,腐熟度更高.

建立受控生态生保系统是开展未来月球和火星等地外星球驻留与开发的生命保障基础.本文就我国受控生态生保技术的发展历史、开展的关键技术研究、取得的重要关键技术突破和重要研究成果,以及下一步发展所面临的挑战和发展方向等进行了较为详细的论述,旨在为我国受控生态生保技术发展提供参考.

目的 观察4名参试乘员在受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CLESS)平台内工作和生活180 d的听觉生理学变化规律.方法 通过测量CLESS系统中各个舱段的噪声声压级、分布状况和乘员个人噪声暴露剂量,评估噪声暴露水平.在舱内,利用便携式设备对乘员的听力水平变化进行动态跟踪分析,获得乘员听觉生理的变化规律和趋势,评估180 d持续密闭环境对乘员听力水平的影响.结果 180 d密闭环境条件下采用便携式设备测试听力,满足了长期航天密闭条件下的乘员听力监测需求;CLESS平台工作的噪声水平下,180 d内舱内乘员听力水平基本稳定,试验第5个月开始个别乘员单耳听力有3个以上频率段发生10 dB以上的下降.结论 180 d密闭环境噪声下,个别乘员听力水平在后期有下降趋势.

目的 了解受控生态生保系统下长期生存对乘员体表微生物种群状况的影响.方法 利用地面密闭舱4人180天实验,分别于实验前、进舱后30天、60天、90天、120天、150天及撤离前,对4名乘员的体表(包括额头、耳后、肘窝、腋窝,腹股沟)进行采样,采用16S rDNA V3-V4区的Illumina高通量测序技术,并进行生物信息学分析,包括群落结构、多样性、主坐标及物种丰度分析.结果 肘窝和前额菌群多样性显著高于其他体表位置.体表菌属主要分属放线菌门、厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门等.在属水平,5个部位优势菌属为棒状杆菌和葡萄球菌,此外丙酸杆菌属在额头和耳后两位置也占优势比例.主坐标分析结果显示在属水平,肘窝在构成上有独立性,腋下和腹股沟菌群结构相似,额头和耳后菌群结构相似.与进舱前比较,乘员在进舱后第1个月菌群变化明显,之后逐渐恢复稳态.结论 人体在不同体表位置菌群多样性不同;菌群结构在门水平差异小,但在属水平不同部位菌群结果有所差异.受控生态生保系统密闭环境作为应激因素可影响体表菌群结构.

目的 面向星球基地生命保障系统的工程应用需求,探索物化再生生保与生物再生生保技术的整合方法,考察多乘员、中长期受控生态生保系统运行规律.方法 设计并建成具备环境控制、物质循环以及应急生保功能的大型密闭生态循环系统试验平台,并通过拟人试验(40 d)与载人试验(180 d)的流程设计,量化考核物质循环从物化再生逐渐过渡到生物再生并维持平衡的协同匹配规律.结果 220 d的全封闭试验期间,密闭系统内环境参数控制在安全水平,基本实现人和植物生存环境的独立有效控制;载人试验期间物质流循环总体平稳,实现大气和水的100％ 再生,食物闭合度达到55％,同时可资源化固废回用率达到87.7％.结论 验证了受控生态生保系统全流程构建模式,积累了建设和运行经验,为后续工程化应用研究提供了借鉴和参考.

目的 针对受控生态生保系统对卫生用水和饮用水的需求,构建以膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)为核心,并辅以膜分离和离子交换工艺的生活用水供应系统.方法 基于受控生态生保系统 (Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,以冷凝水为水源,探讨生活用水供应系统在连续180 d试验周期内的运行效果,重点考察系统的卫生用水和饮用水出水水质.结果 生活用水供应系统在180 d内有效控制了水质感官性状,使卫生用水和饮用水出水pH分别在6.5 ～ 8.9和5.8 ～ 7.4范围内,平均出水电导率达到5.8和13.3μS/cm,平均出水浊度达到1.6和0.7 NTU,满足试验医学标准.同时,该系统具有高效的污染物去除能力,MBR是TOC和NH +4 -N的主要去除单元,可使去除率均达到97％以上;NF和RO是TOC和NH +4 -N保障去除单元,使出水浓度均降低至检测限以下.但MBR对NO -x -N去除有限,NF和RO是其主要去除单元,可使NO -x -N去除率达到95％.结论 以MBR为工艺核心的生活用水供应系统,可连续稳定运行180 d以上,并在运行期间不间断保质足量供给4名乘员卫生用水及饮用水.

4人180天受控生态生保系统集成试验是针对深空探测后续长期载人航天任务需求开展的关键技术预先性研究.该试验以未来月球或火星航天员基地受控生态生保系统的研制及其工程化为任务背景,在中国航天员科研训练中心长期实验室研究和初步系统集成试验研究的基础上开展的由4人乘组参与的集成要素多、封闭时间长、物质闭合度高的受控生态生保系统集成技术试验.试验系统引入受控生态概念,以生物再生为主要技术特征,有机融合物化再生技术和基础性环境控制技术,构建成适合多乘员长时间驻留的第三代载人航天环境控制与生命保障的试验系统.本文概述了试验平台基本情况、志愿者乘组情况、试验项目设置、试验条件控制、试验基本结果等内容,并初步讨论了受控生态生保系统集成试验的科学目标与未来发展前景.

目的 制定科学合理的营养保障措施,探讨受控生态密闭系统环境下营养代谢变化规律.方法 招募4名受试者进入密闭舱开展180天受控生态环境实验,实验期间分别收集4名受试者的晨尿.运用高分辨质谱(UHPLC-Q/Exactive)检测尿液中的小分子代谢物,建立偏最小二乘判别分析模型筛选密闭环境下显著变化的代谢物,研究受控生态密闭系统环境对人体营养代谢的影响,并通过代谢通路分析识别密闭环境下的代谢变化.结果 共有70个小分子代谢物发生了显著的变化,反映了密闭环境下对人体蛋白分解、能量代谢、脂质氧化、肠道菌群结构等的影响.结论 长期受控生态密闭系统环境下人体小分子营养代谢产物发生了变化,需要有针对性的采取营养防护措施.

目的 利用“绿航星际”4人180天受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,研究小麦在受控生态生保系统中的生长发育动态和生物学特性,为小麦植物部件在该系统的工程应用积累数据.方法 对小麦(Wt03)全生育期不同生长天数的重要性状和生物量积累情况进行动态监测,并比较小麦在受控生态环境下与大田的生物学特性差异,全面观察和记录小麦在CELSS中的生长发育特性.结果 从移栽后15 d到85 d,小麦的总生物量积累从209.15 g/m2增长到2379.59 g/m2,收获可食部分干重13.41 g/(m2·d).相比大田环境,小麦在受控生态环境下的生育期相对缩短,其性状上株高明显变矮,单稳重下降,但旗叶变大,单株有效穗增多,产量比大田提高53％.结论 该小麦品种在密闭系统中有良好的适应性,产量较高,适合用作受控生态生保系统生物部件.

目的 探究四色混合光质对螺旋藻生长的影响,为受控生态生保系统中微藻生物部件优化培养提供参考.方法 以红光为对照,在六种不同配比的红(R)、蓝(B)、绿(G)、黄(Y)四色LED混合光质处理下进行钝顶螺旋藻培养,对其形态、干重、蛋白质含量、光合色素组成和放氧效率等指标进行测量与综合分析.结果 所有四色光质处理下的藻丝体长度均短于红光处理,而叶绿素a、类胡萝卜素和藻蓝素含量都高于红光处理;7R2B0.5G0.5Y处理下螺旋藻的干重、蛋白质含量和放氧效率分别达到1.45 g/L、53.83％和78.9 mg/(L·kW·h),较对照分别提高7.69％、9.33％和19.09％.结论 四色光质可以在获得较高螺旋藻产量和蛋白质含量的同时实现更高的放氧效率.