一、引言

太空農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)是開發(fā)安全可靠且可持續(xù)發(fā)展的新鮮食品生產(chǎn)系統(tǒng)，以減少補給質(zhì)量和人員工作時間。在過去的50年中，植物生長系統(tǒng)已在近地軌道（LEO）上的許多平臺——包括禮炮號空間站、航天飛機、和平號空間站和國際空間站上部署，主要用于研究微重力對植物生理的影響，并確定太空中植物的生長、發(fā)育和繁殖是否與在地球上時相同。

與此同時，NASA和美國眾多大學(xué)、私人企業(yè)以及國際太空機構(gòu)也在進(jìn)行著更為廣泛的太空農(nóng)業(yè)生產(chǎn)研究。這些地面研究發(fā)現(xiàn)，在光的輸入量為每天40mol/m2的情況下，要利用植物產(chǎn)生出一個人1年所需的熱量食物，就需要約40～50m2的種植面積和約90kg的肥料。當(dāng)植物在可變重力環(huán)境中，與在1g重力情況下生長速率不同，需要更大的種植面積和更多的肥料。

當(dāng)前，用于微重力下植物生長的最先進(jìn)的根模塊是一種一次性使用的大小為0.2m2的高級植物棲息地（APH）科學(xué)載體，它使用了約4kg的可消耗多孔基質(zhì)介質(zhì)。要想讓APH升級到“沙拉制造廠”，每年生長出13顆萵苣，需要重新補充大約52kg的培養(yǎng)基。當(dāng)營養(yǎng)耗盡后，這種培養(yǎng)基就變成在微重力下不易回收的廢物。對于所進(jìn)行的植物生物學(xué)科學(xué)實驗而言，這些做法和消耗可被接受，但對于新鮮食品生產(chǎn)系統(tǒng)來說，卻是不可持續(xù)的。

不過，這些改良后的航天植物生長系統(tǒng)主要用于支持空間生物學(xué)實驗，其使命在實驗完成時便結(jié)束了。NASA已確定需要更加強大的“采摘即可食（Pick-and-Eat）”系統(tǒng)，以便能夠在短期的LEO、地月軌道間和登月任務(wù)中利用新鮮的多葉綠色作物來補充乘員飲食。目前，面臨的挑戰(zhàn)是開發(fā)和驗證無基質(zhì)的獨立輸水系統(tǒng)性能，使其可以安全種植出適合在航天器環(huán)境中生長的色拉作物，以便在未來的地月運輸任務(wù)、登月任務(wù)和探索火星任務(wù)中為航天員們補充食物。

二、太空食品系統(tǒng)

如果不能為航天員提供安全可口且營養(yǎng)豐富的食物系統(tǒng)，則無法完成載人深空探索任務(wù)。由于食物生產(chǎn)系統(tǒng)本身是復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)的一部分，因此，食物系統(tǒng)的設(shè)計還必須涉及到每次任務(wù)期間各資源的平衡匹配，需要考慮耗水量、食物準(zhǔn)備時間、所占空間、發(fā)射質(zhì)量和功率需求等等。

當(dāng)前，最先進(jìn)的食品生產(chǎn)系統(tǒng)就在國際空間站上。該系統(tǒng)利用環(huán)境儲存的預(yù)包裝食品，可為每名航天員每天提供1.8千克食品。

不過，最近NASA對國際空間站的食品系統(tǒng)進(jìn)行了評估，得出的結(jié)論是，該系統(tǒng)還不足以支持長達(dá)5年的載人深空探索任務(wù)。當(dāng)超過3年以上的長期存儲時，食物營養(yǎng)成分就會缺失，可食用性會變差，這是導(dǎo)致航天員營養(yǎng)攝入不足的兩個主要原因。

測試表明，為了防止食物變質(zhì)而進(jìn)行的加工會損失食物中的某些營養(yǎng)素（例如，鉀）；同時，在長期飛行任務(wù)時間內(nèi)的存儲，某些營養(yǎng)素也會降解到不足的水平（例如，維生素B1、維生素C和維生素K）。因此，食用新鮮的農(nóng)產(chǎn)品可以將這些營養(yǎng)素進(jìn)行有效補充，以平衡存儲型食物的不足，并且使航天員能夠以天然的、全食的形式獲取抗氧化劑和植物營養(yǎng)成份。

三、輸水系統(tǒng)

無土的水和養(yǎng)分輸送系統(tǒng)，包括水栽培和氣霧栽培，可避免大量一次性多孔介質(zhì)的持續(xù)補給，但這兩種栽培方式都面臨著一些挑戰(zhàn)：閉合度問題、如何為根部提供足夠的通氣、如何處理好液氣分離等。在地球上，水栽培方法（如營養(yǎng)液膜栽培（NFT））已經(jīng)是一套高效的植物種植體系，因為它可以精確控制根區(qū)的通風(fēng)情況和養(yǎng)分輸送，而且也被認(rèn)為是適合早期月球和火星棲息地糧食生產(chǎn)的領(lǐng)先技術(shù)。

肯尼迪航天中心正在開發(fā)和評估兩種候選的無土水和養(yǎng)分輸送系統(tǒng)：一種是多孔管養(yǎng)分輸送系統(tǒng)（PTNDS），一種是按需澆灌系統(tǒng)（On-Demand）。PTNDS系統(tǒng)利用具有吸力的陶瓷多孔薄膜來澆灌，植物直接在管道上播種和發(fā)芽。On-Demand系統(tǒng)則使用來自濕度傳感器的反饋驅(qū)動泵和螺線管，以保持泡沫或多孔介質(zhì)基質(zhì)中恒定的根區(qū)濕度。

肯尼迪航天中心模擬了在國際空間站中的種植環(huán)境條件，通過比較生產(chǎn)率，對這些候選供水系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評估。NFT系統(tǒng)平均生產(chǎn)了78g植物（n=3），比在較低的CO2濃度（1000umolmol-1）和較高的相對濕度（65％）下生產(chǎn)的100g植物的產(chǎn)量更低。APH系統(tǒng)、On-Demand系統(tǒng)和PTNDS系統(tǒng)的生產(chǎn)率分別是NFT的51％、39％和34％。研究認(rèn)為，水培生菜的莖新鮮質(zhì)量是氣霧栽培和土壤栽培的生菜的兩倍。很明顯，需要一種能彌補生產(chǎn)率差距的輸水技術(shù)。

未來，輸水系統(tǒng)的進(jìn)展，如全重力水培系統(tǒng)也將在肯尼迪航天中心進(jìn)行測試。全重力水培系統(tǒng)利用微重力流體技術(shù)的最新進(jìn)展，設(shè)計了一種被動的、對重力不敏感的水培灌溉系統(tǒng)。通過利用導(dǎo)管的特殊幾何形狀和營養(yǎng)液的濕潤特性，表面張力將控制流動，可模擬出重力在太空和低重力環(huán)境中的作用。預(yù)計當(dāng)系統(tǒng)在有重力作用的陸地、月球和火星環(huán)境中運行時，所需的操作變量最小。

四、植物健康與食品安全

自主的植物健康和食品安全監(jiān)測系統(tǒng)可以提高人們的信心，使人們相信生產(chǎn)的食物適合作為新鮮的、營養(yǎng)豐富的沙拉作物，可補充乘員的飲食。

1.植物健康監(jiān)測

在LEO以遠(yuǎn)部署新鮮食品生產(chǎn)系統(tǒng)，可能需要在沒有航天員干預(yù)的情況下自主評估植物的健康狀況。目前，可以通過對植物生長速率的非破壞性測量來檢測不良生長狀況的發(fā)生，這些測量是通過對葉面積日增量的影像分析而獲得的。然而，通過這種方法檢測，只有在葉面積出現(xiàn)明顯變化的前幾天才能夠觀察到異樣。

最好能擁有在視覺變化出現(xiàn)之前就檢測出生長不良的新系統(tǒng)。近年來，利用遙感技術(shù)可無破壞性地捕捉植物對環(huán)境變化的反應(yīng)。因此，未來的食品生產(chǎn)系統(tǒng)可能配備有多傳感器系統(tǒng)，以近實時地對植物進(jìn)行成像，包括從發(fā)芽到成熟的整個生長周期。待評估的候選傳感器包括一系列遙感工具，包括光譜輻射測量、可見光到遠(yuǎn)紅外、高光譜、熱成像和熒光到三色成像。

2.食品安全注意事項

為了確保所生產(chǎn)的“采摘即可食”的新鮮食品能夠安全地供人食用，需要制定危害分析關(guān)鍵控制點（HACCP）計劃。在食品的生產(chǎn)、生長、收獲和后加工各個階段的關(guān)鍵控制點，均通過微生物學(xué)測試進(jìn)行識別、評估和監(jiān)控。當(dāng)確定在過程中存在潛在危害時，可以采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧宰畲蟪潭鹊亟档臀⑸锓矫娴娘L(fēng)險。對原料、水、廢水和產(chǎn)品進(jìn)行微生物學(xué)測試，有助于了解食品生產(chǎn)系統(tǒng)的微生物生態(tài)學(xué)（包括細(xì)菌和真菌的種群密度和類型等）。

HACCP計劃已經(jīng)在太空的糧食作物系統(tǒng)中實施。目前，在國際空間站上Veggie系統(tǒng)的作物生產(chǎn)周期中也正在收集類似的數(shù)據(jù)（表1）。

Veggie作物的關(guān)鍵控制點分析

在Veggie中，樣品從太空返回地球進(jìn)行分析，以驗證HACCP計劃的有效性。而在LEO以遠(yuǎn)的長期任務(wù)中，讓微生物樣品返回地球是不可能的，因此需要開發(fā)出在航天器上驗證HACCP計劃的方法并得以實施。

五、改良植物

在改良植物時，需要培育出新的植物物種和栽培品種，需要它們在航天環(huán)境條件（例如較高的CO2濃度和較低相對濕度）下生長時的生長習(xí)性得以改善、并具有更高的抗氧化劑、維生素和礦物質(zhì)含量。

不同的通風(fēng)情況、低濕度（45％）、光譜質(zhì)量和高濃度CO2（3000umolmol-1）的組合條件會影響到植物的發(fā)芽、生長習(xí)性、產(chǎn)量、營養(yǎng)價值，甚至于風(fēng)味。最新發(fā)現(xiàn)表明，在高濃度CO2環(huán)境下生長的植物會損失其營養(yǎng)價值，其含有的鋅、鐵和維生素都會降低，即使這里CO2的濃度還遠(yuǎn)低于航天器中的濃度。這些營養(yǎng)損失在航天器中可能還會加劇。因此，需要培育出轉(zhuǎn)基因和生物強化作物。這可以通過基因編輯進(jìn)行作物改良來實現(xiàn)，以提高作物的產(chǎn)量、抗病性和營養(yǎng)價值。

六、結(jié)論

航天植物生長系統(tǒng)要從進(jìn)行生物學(xué)研究的平臺轉(zhuǎn)變?yōu)樾迈r食品的生產(chǎn)系統(tǒng)，需要新的技術(shù)，這些技術(shù)包括：

開發(fā)可持續(xù)的、無土的水和養(yǎng)分輸送系統(tǒng)，以最大限度地減少消耗品（如多孔介質(zhì)基底）的使用并優(yōu)化植物生長；

開發(fā)自主植物健康系統(tǒng)和食品安全監(jiān)控系統(tǒng)，以提供安全的“采摘即可食”多葉作物，補充儲存型食物的不足；

培育生物強化作物，增加其礦物質(zhì)和維生素的含量，以克服因二氧化碳濃度升高而引起的潛在礦物質(zhì)缺乏癥，從而確保航天員在未來的地月往返飛行任務(wù)、月球任務(wù)和火星探索期間的營養(yǎng)和健康。（張?zhí)铮?/p>

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