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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
生物再生式生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，BLSS）是针对长时间、远距离和多成员的载人航天任务，如月球基地、行星际飞行、火星基地等，为航天员提供基本生命物资保障的人工闭合生态系统。数学模拟是理解系统性能、优化系统结构、建立系统稳定运行控制策略的重要基础。本文设计了BLSS概念构型，系统包括“高等植物培养”、“蚕饲养”、“人居住”、“水再生”、“废物处理”、“大气管理”、“物资储存”、“微生物监控”和“冗余单元”等九个模块。采用线性规划的方法设计了营养食谱，可以为每位乘员提供食物1287 g•d-1，其中包含能量2721 kcal•d-1，碳水化合物375.5 g•d-1，蛋白质99.47 g•d-1，脂肪91.19 g•d-1。约有87%的食物可以实现系统内自给。蚕粉占动物性食品总鲜重的21.62%，约占动物蛋白总摄入量的12.54%。研究建立了一套化学计量学模型用于描述系统内各单元之间的物质交换过程。计算结果表明系统在气、水循环方面实现完全封闭，总物质循环封闭度达到99.40%。BLSS作为人工闭合生态系统，有着与地球生物圈相似的食物链关系。研究选取了莴苣、蚕、类土壤基质（Soil-Like Substrate，SLS，包括植物不可食生物量、微生物和蚯蚓）以及小球藻分别作为BLSS内生产者、消费者、分解者和生物冗余单元的模式生物或工艺。基于现有实验数据和经典生长方程，建立了莴苣生长和光合作用模型、蚕生长和呼吸作用模型以及小球藻生长模型。各模型与实验数据之间均拟合良好。研究还建立了类土壤基质内部生态关系模型，并采用理论分析和数值仿真的方法对该模型进行了稳定性分析。结果证明SLS系统的稳定性与蚯蚓和微生物的品种有关，而与它们的初始数量无关。模型稳定点取决于稀释速率和植物不可食生物量的初始质量。通过数值仿真绘制了系统状态变量随无量纲比增长速率的变化，并采用切片图三维重构法对系统稳定边界条件实现了可视化。上述模型关注的大多是生物物种的确定性或平均行为，而个体之间或不同观测之间的差异则往往被忽略。本文以BLSS关键生物单元模型中的莴苣光合作用模型为例，分析CO2浓度对莴苣光合速率影响的固定效应和随机效应。结果显示直角双曲线（Rectangular Hyperbola，RH）模型能够很好地拟合实验数据，决定系数达到0.996。由各组数据拟合得到的模型参数，其残差服从方差为7.028×10-7的正态分布。不同组数据拟合得到的模型参数之间存在一定差异。RH模型的四个参数中，只有参数τ的分布较为集中（变异系数为19.6%），并且在一个实验周期内的4个阶段之间几乎没有差异，而其他三个参数α、β和Rd分布较为离散。对RH模型进行简化，得到一阶动力学（First Order Dynamic，FOD）模型，采用“伪数据”步-线性混合效应步迭代法进行模型参数求解。模型拟合优度检验结果显示FOD模型很好地继承了RH模型拟合度高的特点，并且各参数分布的离散程度明显减小。参数τ的随机效应分量服从正态分布，而参数R的随机效应分量近似服从广义极值分布。Kruskal-Wallis检验的结果显示各个参数在一个实验周期内的各个阶段均没有显著差异，并且均处于可以接受的范围。FOD模型能够有效地描述莴苣群体的光合特性。研究还获得了在不同CO2浓度条件下，叶用莴苣光合速率分布的概率密度函数。在构建BLSS的过程中，新物种的引入必将会对系统内的已有物种产生影响。研究以小球藻对莴苣光合特性影响为例，首先建立了小球藻光合作用模型，并将其与叶用莴苣光合作用的FOD模型结合起来，形成“莴苣-小球藻”系统光合作用（Lettuce-Chlorella System Photosynthetic，LCSP）模型。该模型能够有效地描述系统内CO2浓度的变化。分析结果显示研究所采用的小球藻品种只能利用水中溶解的CO2作为唯一碳源。此外，在LCSP模型中，小球藻光合作用模型参数分布较为集中，即整个系统的随机效应主要体现在莴苣群体上。小球藻的引入使莴苣的CO2传导速率和暗呼吸速率均有所增加，与引入小球藻之前的情况相比，模型参数分布更为集中。参数τ和R在一个实验周期内各个阶段的分布存在一定差异，这主要是由于实验过程中小球藻浓度的变化引起的。利用LCSP模型可以对实验中一些较难观测的指标，如碳酸根和碳酸氢根离子的浓度等进行仿真预测。 |
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发表于 2022-5-23 18:09:50
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