開展人類重返月球及建立永久性月球基地、並以此為跳板開展載人火星飛行已經成為各航天大國未來載人航天技術發展的共同目標。美國計畫在本世紀30年代中期讓自己的航天員踏上奔往火星之路。俄羅斯與歐洲空間局(ESA)正在聯合開展火星-500計畫(Mars-500 Project)，正在著手開展模擬載人火星全程飛行的實驗研究。我國作為航天大國，當前正在實施載人空間站、嫦娥探月工程和中俄聯合火星探測工程．那么下一步開展載人登月和火星飛行則是必由之路。
要實現這一目標．其首要條件之一就是建立與之相適應的環控生保系統。該系統必須能夠就地再生航天員所需的食物、氧氣和水等全部最基本的生保物資．否則從地面補給不僅運費大得驚人，而且從技術上也難以實現。事實上．能否成功建立相應的環控生保系統是開展月球定居與開發以及載人火星飛行的重大瓶頸因素之一。國際上普遍認為，發展空間受控生態生保系統是解決這一問題最有希望的途徑。
基本介紹
- 中文名：受控生態生命保障系統概述
- 外文名：controlled ecological life support system
基本概念,意義,生保物質生產,植物培養,微藻培養,廢物再生利用,系統集成試驗,美國,俄羅斯,未來發展,
基本概念
受控生態生命保障系統(controlled ecological life support system，CELSS)，又叫密閉生態生命保障系統(closed ecological life support system，CELSS)、生物再生式生命保障系統(bioregenerative life support system，BLSS)， 俗稱太空農場(space fam)。受控生態生命保障系統實際上就是人工建造的微型密閉生態系統，它以地球自然生態學原理為依據，通過綜合集成工程、生物、信息、現代農業、食品營養、環境科學和醫學等多門學科和多項先進技術，達到合理、高效、穩定地調控系統中生產者(植物和藻類)、消費者(人和動物)和分解者(微生物或物化處理裝置)之間的協同關係，基本實現系統中物質的自主循環和自給自足，從而持續供應乘員生存所需的食物、氧氣和淨水等傘部最基本的必備物資。
意義
建立空間受控生態生保系統的終極目標是為執行長期載人深空探測和地外星球定居與開發的航天員提供生命保障服務，但是其各個發展階段的研究成果，都將為人類在特殊條件(如潛艇及遠洋船舶、南極和北極地區、高寒地區、地處偏遠而人口又相對集中的地區)下建立生命保障系統提供參考、借鑑和推廣作用。事實上，美國國家航空航天局(NASA)和歐空局(ESA)正在致力於研究把用於載人航天的受控生態生保技術推廣套用到南北極高寒地區的可能性和可行性，以便減少後勤補給。並保護當地生態環境。下面主要就在CELSS中高等植物的微重力、低壓、光源的選擇等方面以及微藻培養的研究作簡要的介紹。
生保物質生產
植物培養
地球生物是在重力場1.0 G及地球大氣層的輻射保護之下經過30多億年的進化演替發展而來的，它們一旦進入空間，其生存環境將徹底改變，高真空、微重力、強輻射以及其他空間環境因素將使得生物體基本無法生存．因此高等植物的太空栽培首先需要品種的篩選和適宜的培養裝置以及環境條件。由於太空環境的特殊性，微重力、低壓、高CO2濃度、光源等特殊條件下的高等植物和微藻的生長發育及生理生化的研究是該領域的研究熱點。另外，在CELSS中也存在許多特殊問題．例如高等植物在生長過程中所釋放的一些微量氣體(如乙烯)會對其生長發育產生抑制作用．尤其是在CELSS這樣的密閉系統中，微量氣體的濃度會更高，對植物生長的影響也更明顯。如低濃度乙烯氣體(0.04 mg/m)就會抑制植物生長，引起植物得萎黃病和變色病，葉偏向上，抑制胚軸伸長造成水平突變等。最終造成植物生長發育失衡。
因此，我們一方面要發展工程技術．能夠更有效地控制環境因素．另一方面要利用現代生物學發展一套適合CELSS的植物篩選、栽培、生理生化和基因工程研究的方法手段等，使系統的自養單元能發揮更大和更穩定安全的功能。
微藻培養
作為原初生產者．藻類特別是微型藻類由於其諸多適應於空間研究與套用的特性，如高生長率、生長過程易控制、分解人產生的廢物、有效調節氣體含量(吸收CO2釋放O2)和提供食物，因此在空間生物學研究中具有十分重要的作用。微藻規模化人工培養主要有開放池和封閉光生物反應器兩類方式：開放式培養方法(如循環跑道池)相對簡單、投資低，但該方式培養條件變化較大，微藻產率低．並存在嚴重的生物污染：光生物反應器雖然投資費用相對較大，由於可以調控多項培養參數，更易於控制生物污染。因此培養微藻的產率更高。
近年來，閉合式LABR成為CELSS中大規模培養微生物最主要的手段。與開放式光生物反應器相比，封閉式光生物反應器具有以下優點：①無污染，能實現單種、純種培養；②培養條件易於控制；③培養密度高，易收穫；④適合於所有微藻的光自養培養，尤其適合於微藻代謝產物的生產；⑤有較高的光照面積與培養體積之比，光能和CO2利用率較高等突出優點。一般封閉式光生物反應器有：管道式、平板式、柱狀氣升式、攪拌式發酵罐、浮式薄膜袋等。在反應器設計方面將會不斷探索各種微藻最佳的培養條件和最低的成本消耗。關鍵因素之一是選擇合適的光照方式，提高光能利用率。另一個關鍵因素是選用合適的循環裝置。光生物反應器比一般的反應器要求嚴格．需對微藻的生長狀態、體外代謝產物、酸鹼度、溫度、溶氧等做出線上檢測．才能更好地調節最佳化微藻的培養條件。
廢物再生利用
作為一個要執行長期載人航天飛行任務的生命保障系統，其必須具有高封閉度，即系統內可以實現大部分物質的循環利用，因為對於外星移民定居如月球和火星基地或太陽系的載人探測飛行，一次就得用幾個月甚至幾年時間，其生保消費品的再補充更是難以實現。在人工生態系統中產生的廢棄物可分為固體、液體和氣體廢棄物．由於物質性質不同，處理回收再利用的方法也大相逕庭。
固體廢物降解處理與循環利用
在CELSS中可降解的固體廢棄物主要包括植物不可食用部分和糞便等，處理方法包括化學方法(濃硫酸處理等)、微生物降解方法、燃燒處理和類土壤基質處理法等。生物可降解固體廢棄物的循環利用應遵循周期適宜、儘量提高閉合度、生態且與系統兼容的原則，選擇合適的方法或選擇幾種方法綜合處理才會達到最好的效果。
圖1
BLSS和ALS系統中處理植物不可食部分的兩個子系統。作為BLSS系統種植物培養方法的候選者——類土壤基質處理法(SLB)與系統兼容性較好，其優勢在於，所有與植物有關的固體都可以在系統內循環。具體方法：先藉助蘑菇等真菌處理，然後再飼養蚯蚓，殘餘的部分作為土壤基質使用，另外還獲得了食物——蘑菇。成熟的類土壤基質包含9．5%的腐殖酸和4．9%的黃腐酸。SLS中氮素含量分別為總小麥和蘿b氮素含量的0．92和0．88，說明其可以很好地對植物殘留中部分礦質元素進行回收利用。
郭雙生等研究了空間廢物微生物處理方法和研製了地面試驗樣機，為今後空間環境條件下植物不可食部分等廢物轉化為植物營養液．以再次利用培養下一代植物。實現空間物質的循環利用奠定了基礎。
廢液降解處理與循環利用
廢液包括尿液、冷凝水、洗滌水和廢營養液等。廢液可經過電滲吸收、真空蒸餾和壓縮、多層過濾等物化方法處理後循環利用．也可以利用微生物處理變成植物或人可利用的物質(此法能大大提高閉合度，但周期較長)。具體過程如下：
圖2
人體排出的尿液含有NaCl，NaCl的部分或完全回收利用可藉助於某些蔬菜類或多葉類植物，如油麥菜、生菜、菠菜等，它們可以在可食的生物量部分累積NaCl，然後再以食物的形式回到人體中。此外，還有研究表明某些微藻(spirulina platensis)或蕨類(azolla)可以用來淨化尿液。對於廢水的循環我們要綜合考慮物化和生物的方法．把它們有效地結合起來．以達到高效、可持續的目的。如具有高營養的螺旋藻(spimlina platensis)可以利用尿液中99%的N，而P的利用效率更是高達99．9%．獲得1．05 g的生物量的同時可以處理12．5 ml的尿液，連續培養可以有效地利用尿液中的N、Cl、K和S等微量元素。
廢氣淨化處理
廢氣淨化主要分為物化淨化和生物淨化兩種方法．其中物化淨化包括艙內空氣連續通過催化燃燒爐(主要氧化一氧化碳、氫氣和甲烷)、光催化氧化、微波催化氧化、膜基吸收淨化、納米材料淨化和活性炭或纖維玻璃過濾裝置等去除其他氣體和懸浮顆粒物質，以去除微量污染物。生物淨化主要利用生物空氣過濾器膜反應器．利用一定種類的微生物通過氧化將氣體污染物完全轉化為水、二氧化碳和鹽等惰性化學物。
系統集成試驗
針對月球、火星基地環控生保系統的建立．各主要航天大國都建立了各自的CELSS地面研究基地，開展了各種類型的集成技術試驗研究．下面分別進行概述。
美國
美國NASA詹森航天中心從20世紀80年代開始正式實施月球/火星生命保障試驗計畫。在此計畫的有力支持下，建成了生物再生式和物理化學再生式相結合的生命保障系統——整合式生保系統試驗裝置。在其中已經進行了4人90 d的密閉試驗研究．氧氣和水達到100%的再生，食物再生率約為5%，證明栽培面積為10．0 m2的小麥可以滿足一個人對氧氣和水的需求，並能滿足一個人20%的食物需求。將微生物生物反應器技術與超濾/反滲透等物化技術相結合，再生了冷凝水、乘員尿液和生活污水等所有廢水，將植物的不可食生物量降解為植物可以利用的營養液，從而實現了系統內大部分物質的循環利用，實現了系統中物質較高程度的閉合循環。此外，美國NASA在南極科考站正在開展受控生態生保系統南極模擬計畫(CELSS antarctic analog project，CAAP)，已經建成受控生態生保系統模擬裝置，開展了高等植物培養和廢水處理的實驗研究，積累了很多經驗。，詹森航天中心正在組織實施高級生保計畫(advanced life support project，ALSP)，並正在建立規模更大、功能更強、設施更加先進的生物再生式星球生保系統綜合試驗體(bioregenerative planetary life support systems test complex，BIO—Plex)，旨在評估長期火星或月球低重力生命保障系統的發展可行性，建成後擬分別進行4人120 d、240 d、625 d的密閉物質循環實驗研究。
俄羅斯
俄羅斯科學院西伯利亞分院生物物理所從20世紀60年代就開始進行受控生態生保技術研究。後來成立了受控生態生保系統國際研究中心。並建成宇宙載人飛行生保技術地面模擬系統(BIOS-3)。B10S-3為密閉環境系統，建於地下，殼體為不鏽鋼板材料焊接而成，有效容積315．0 m，占地面積113．0m。其內部分隔為四大間，其中一間是乘員間．包含3個獨立的小屋(可供3個人居住)、1套廚房、1套衛生間、1套具備各種設施用於食品加工、測量和維修的控制間，以及必要時用於大氣和水淨化的備用系統：另外兩大間是植物間，用於栽培小麥和蔬菜等；第四問最初是微藻間，用於培養小球藻和螺旋藻等，後來用作了第三個植物間。植物照明光源為氙燈，強度可調。系統中共種植14種糧食、蔬菜和調料作物。B10S-3里的農作物全部採用無土栽培技術培養。為了增加系統的穩定性．從而避免系統中物質供應能力的大起大落，小麥等主要作物均進行批次培養。例如小麥每隔15 d種一批。這樣乘員在試驗期內均能得到充足而均勻的食物、氧氣和水的供給。隨後，他們利用該系統共進行了10次有人的密閉系統試驗。人員為1～3名，時間4-6個月不等，最長的一次是3人180 d的試驗。乘員與外界只能通過電話、電視和視窗進行聯絡。乘員的主要任務是管理整個系統，播種、栽培和收穫作物，加工糧食和烹飪等。植物利用其光合和蒸騰作用。可以為乘員再生100%所需的氧氣和水，食物的再生率一般可以達到50%，當光強達到最高時，食物再生率則可以達到80%以上。乘員所需的肉、蛋、奶等食品在試驗前預先存放於系統內的冰櫃中，其他不足部分的食品則是以乾燥狀態預先存放。乘員排出的尿液和糞便乾燥處理後固體部分存儲起來．待試驗結束後帶走分析。植物的不可食部分經過焚燒後其灰燼返回到植物營養液。植物不能去除的大氣中的複合有機物經過熱催化過濾器技術進行淨化處理。飲用水需另外經過離子交換過濾器純化；其他用水則僅僅煮開後即可。該系統中生產的氧氣、水和食物其品質並未下降。其面臨的主要挑戰之一是實現生態系統的平衡和高度的自給自足。在系統中人之間的相互作用對於系統的健康是至關重要的。另外，要充分創造和保持多種有效的植物種類，它們不僅能夠滿足人們的營養需求，同時也能夠循環分解人的各種排泄物。
圖3
俄羅斯現在成立了受控生態生保系統國際研究中心，正在著手建立BIOS-4(生物圈4號)。該系統的特點是：具有提供兩名乘員生命保障的能力；能夠將多個裝置集成為一體，從而擔負起更多乘員的生命保障；每個人需要的容積和面積分別不超過20．0 m和24．0 m；具有新一代的光源系統、溫控系統、植物栽培艙和居住艙等設施．其將密閉平衡生物水生系統引入B10S-4系統．生產魚類(如草魚和虹鱒魚)和藻類蛋白．以進一步提高食物供應的閉合程度和食物種類的多樣性。其基本原理如圖4所示。
另外，俄羅斯與ESA合作，正在開展火星-500計畫(Mars-500 Project)，2010年已開始進行6人570 d(實驗順利時將延長到700 d)的載人火星飛行的模擬實驗，重點開展人的醫學、心理學和生保系統的技術試驗研究。
未來發展
未來空間受控生態生保系統研究總的發展趨勢是：首先，在地面上開展規模更大、人員更多、時間更長、物質閉合程度更高的系統整合試驗研究；隨後，將逐步開展空間飛行搭載試驗研究。待技術成熟後則逐步轉入套用．逐漸開始為航天員提供食物、氧氣和水等全部最基本的生保物資。
圖4
和地球生物圈相比，人類建立的空間受控生態生保系統必然是一個簡化的微型生物圈．但在提供人類的生存條件這一本質特性上它們是相同的。因此，其相關研究成果將為今後防止地球環境污染和大氣中二氧化碳、甲烷和其它溫室氣體濃度升高導致的全球氣候變化對人類生存和世界經濟可持續發展等國際社會所面臨的嚴峻挑戰帶來啟示。另外，空間受控生態生保系統的研究為人類提供可持續發展的穩定生存模式．由對環境資源利用的純消耗為主的模式轉變為可循環再生模式。可帶動一系列先進環境保護技術的開發與套用，如新能源開發(太陽能和微生物燃料電池)、廢氣/廢水/廢物處理、土壤改良、立體農業、節水節能、新型食品加工以及系統自動最佳化監控等。
月球和火星等地外星球的環境條件與地球上的完全不同，世世代代生長在地球上的生物適應的是1．0 G重力場、1個大氣壓、低輻射和中性磁場，那么它們在月球和火星等的低重力、高真空、強輻射、弱磁場等極端環境條件下如何生長發育和遺傳變異，它們能否向著有益的方向進化等問題都是需要長期認真研究的。此外，在這樣的環境條件下還應開展組織、細胞甚至基因方面的工作，從而有望獲得新的生物品種。其次，空間受控生態生保系統還是開展地外生物學，探索宇宙生命的起源與演化等宇宙生命科學很好的實驗技術平台。
我國的CELSS研究正處於初始階段．主要開展了針對單項關鍵技術的實驗研究．到為止尚未開展過系統集成技術研究。但我們堅信。一方面積極借鑑國外的研究經驗。另一方面扎紮實實、一步一個腳印地研究自己的CELSS，探討其機制和發展技術，基礎研究和工程技術整合相結合，增強自主創新能力，不久的將來必定創造出中國的CELSS。
