面向空间生命保障的叶菜高效培养系统

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雅宝题库解析：
随着神舟7号载人飞船的成功发射和航天员出舱任务的顺利实施，我国载人航天已经进入到空间站建设阶段，今后10年内，将大力研究并逐步建立起我国自己的载人空间站。在空间站培养蔬菜是改善航天员膳食结构和心理状况的最有效的手段。同时空间植物培养也是月球基地/火星基地生物再生生命保障系统的关键技术之一。本文面向空间生命保障系统开展了叶菜栽培系统的研究。阐明了叶菜栽培对密闭环境下微生物污染的影响；建立了叶菜栽培条件下密闭环境中乙烯气体的控制与CO2优化策略；研制了新型的高效空间叶菜栽培装置。主要研究结果如下：为弄清叶菜栽培对密闭环境中微生物的影响，进行了三种空间叶菜栽培的候选者——生菜、小白菜、芥蓝分别与SD大鼠在密闭可控环境中共同培养的实验，研究表明，三种蔬菜的栽培能够明显减少密闭环境中微生物的总量，其中生菜具有最强的抑菌效果。对密闭环境中微生物群落结构组成的研究表明，三种叶菜均能够有效减少动物源的表皮葡萄球菌、溶血孪生球菌等条件致病菌，提示，叶菜栽培能够降低密闭条件下机会致病菌诱发疾病的潜在性；同时，叶菜的引入使得密闭环境中出现了一些植物源微生物，但是这些微生物是对人体无害的。针对密闭环境中叶菜栽培容易造成的乙烯积累污染题目，分别构建了以天然沸石、类土壤基质为填料的两种生物滤池，它们实现了对空气中乙烯的高效净化。将微生物经过污泥驯化后接种至天然沸石生物滤池中，待滤池运行稳定，进气乙烯负荷小于4.05 g m-3 h-1时，反应器能够实现100%乙烯的去除。类土壤基质生物滤池在相对较宽的温度及含水率范围内高效去除乙烯。在优化温度(25-30℃) 和含水率(35%-45%)的条件下，类土壤生物滤池的最大乙烯去除能力为16.6 mg g m-3 h-1，此时的乙烯进气负荷为34.9 mg m-3 h-1。在并未增加外源营养的情况下，类土壤生物滤池的pH值能够长期维持在近中性范围，但长期运行后生物滤池底部的可利用氮会出现不足。两类生物滤池底层均有着更高的乙烯去除效率和更为丰富的微生物数量，但随着乙烯负荷逐渐增加，这种层间去除率的差异逐渐减弱。两类生物滤池中微生物群落组成、数量和丰度存在明显的时空变化，Pseudomonas属是两类生物滤池中最优势菌群。针对空间栽培叶菜必须面临载人飞船内部CO2浓度远高于地面大气环境的情况，研究分析了密闭环境下不同浓度CO2对小白菜、生菜产量与品质的影响。研究发现，密闭系统中栽培叶菜，环境中CO2浓度的不断升高并不总是促进小白菜和生菜的产量：当浓度达到5000μmol•mol-1时这种促进效果消失，小白菜最佳收获生物量的CO2浓度为2000μmol•mol-1，生菜为2000-3000μmol•mol-1。小白菜、生菜的多酚、类黄酮、维生素C含量随着CO2浓度的不断升高呈现类似的变化趋势，即首先随CO2浓度的升高而升高，当CO2浓度达到5000μmol•mol-1时开始下降。然而，两种叶菜的谷胱甘肽含量随着CO2浓度的升高而降低。此外，在2000μmol•mol-1 CO2条件下培养的小白菜、生菜具有最高的抗氧化能力。综合产量与品质，小白菜、生菜的最佳栽培CO2浓度为2000 μmol•mol-1。针对空间生命保障系统研制了新型叶菜高效栽培装置，该装置在模拟微重力效应的同时能够实现连续模块化栽培生菜 、小白菜等叶菜。在耗能0.3KW的情况下，样机每7天可以生产253.4g鲜重的生菜，其生产效能均高于我国同类型设备，接近俄罗斯的水平。样机长期连续生产出的生菜品质稳定，口感和硝酸盐含量优于市售生菜。