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水生生物能上天

  随着“天宫”2号、“神舟”11号相继成功发射,我国载人航天工程已进入空间实验室和空间站的建设运营阶段,下一步将建立有人长期值守的永久性太空站。按照国家的长期航天规划,还将建立地外星球基地,如月球基地。要实现长期的载人航天活动就需要有受控生态生命支持系统(CELSS)的技术支撑。 

  生命支持系统从广义上来讲,指一切维持航天员身体健康,保证正常生活与工作所需的条件,包括航天舱内环境控制与生命保障系统的各个方面。目前生命支持系统一般指维持航天员生活所需的氧气、食物与各种废弃物处理的系统。 

  

  中国未来的空间站(图片来自网络) 

  那么,水生生物的机会就来啦!譬如,藻类就可以像植物一样进行光合作用,利用二氧化碳、释放氧气,与航天员组成一个互补的气体交换系统。还有,一些容易养殖的藻类,譬如葛仙米(一种蓝藻)、螺旋藻能够为航天员提供有营养的食物,养殖鱼类则为航天员提供鲜活的动物性营养。水生生物营养丰富,养殖简单可行,可以利用食物残渣等废弃营养进行高密度的养殖,物质转化再利用效率高,在CELSS的生态服务功能改进方面具有突出的优势。水生生态系统基质组成均匀稳定,易于监测,可以利用简单的循环过滤系统对废物进行过滤和后期处理,特别有利于各种条件控制和科学实验的设计。因此,以水生封闭生态系统作为CELSS可再生的生命保障单元一直受到国内外研究者的广泛重视,在俄罗斯(BIOS-1,2,3)、欧盟(Mellissa)、德国(CEBAS、Omega-Hab和AquaHab)和日本(CEEF)等国的封闭生态系统中都整合了水生系统。 

水生生命支持系统常用的物种。藻类为显微照片,鱼和螺为普通摄影照片。

 

  中科院水生所很早就参与了我国的CELSS研究。早在1968年就试验利用小球藻产氧气供海军在潜艇中呼吸。1988年以来,在刘永定研究员带领下水生所取得了一系列的阶段性研究成果,主要有:(1)在航天863阶段,开展了利用返回式卫星搭载培养实验,获得了大量适应空间环境的CELSS候选物种;(2)在921工程(国家载人航天工程)一期,联合中国科学院8个单位研制了通用生物培养箱技术,完成了包括高等植物幼苗、藻类、小型动物、微生物、藻类与水生动物在内的多次空间飞行实验,实现了藻类空间生长实时测定和简单二元封闭系统空间运行实验;(3)在921工程二期中德合作研究中,完成了藻类细胞空间飞行的基因表达研究和水生三元封闭系统空间实验,实现了空间微重力影响藻类细胞基因表达研究及封闭系统中水生动物存活的突破。这些研究成果受到中科院和航天部门多次嘉奖。 

  为了实现生物支持系统的服务功能,核心的问题有两个:一是选择合适的物种构建封闭系统;二是实现封闭系统的稳定运行。为实现这个目标,我们实验室借助大量地面实验及5次返回式卫星和2次神舟飞船实验,筛选了大批可用于构建CELSS的水生生物物种,包括蛋白核小球藻、葛仙米、水生细菌、稀有鮈鲫等。我们分别对它们的营养成分、抗辐射和封闭系统生长活性进行了研究。接着构建了封闭系统,在实验室完成了生物相容性和长期整合实验,实现了长达60天的封闭系统运行和不间断实时监控。并利用营养控制、能量控制(光照)和添加外源小分子等方式,对封闭系统的状态进行调整,以满足系统长期运行的要求。在未来的空间站阶段我们将对水生封闭系统的空间自组织过程进行研究,并计划开发出切实可行的控制技术保证水生封闭系统能够长期稳定运行。 

   

  人工培养的葛仙米是诱人的食物,航天员们将 来有口福了! 

  我们的相关研究结果发表在Advances in Space Research和Astrobiology等杂志上,引起了国内外很多专门航天机构的关注,包括美国航空航天局瓦罗普斯飞行研究所相关科研人员来信希望一起合作,希望我们的水生封闭系统可以应用在国际空间站上;另外德国宇航局相关公司OHB公司希望与我们一起开发基于葛仙米的空间水生封闭系统;中国航天员中心也希望和我们一起把葛仙米开发成适合中国航天员食谱的产品。 

  小小微藻,在地质史和生物演化史上彻底改造了地球环境;在未来的空间探索中,它将通过为宇航员提供先进的受控生态生命支持系统助力人类征服宇宙、再创辉煌。