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低大气压力条件下小麦的生长发育研究
目的 研究低压条件下小麦的培养技术,为建立低压受控生态生保系统奠定基础.方法 利用低压植物栽培装置开展小麦培养试验,通过测量和比较常压(101 kPa)和低压(50 kPa)下小麦的光合速率、蒸腾速率、生长状况、产量和籽粒养分含量等生长指标,研究小麦在低压下的生长发育特点.结果 与常压相比,低压下小麦生长基本正常,但生长初期叶片有卷曲发黄现象;平均光合速率和蒸腾速率分别增加9.23%和11.54%(低压处理15 d);小麦株高降低,分蘖增加,根系所占比重增加,生育期长5 d左右;生物量和产量分别增加5.46%和4.39%;小麦籽粒蛋白质和总糖含量有所增加,但其他营养成份含量没有显著差异.结论 50 kPa大气压力条件在一定程度上促进了小麦的生长发育.
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受控生态生保系统中叶用蔬菜植物品种的筛选
目的 为受控生态生保系统筛选合适的叶用蔬菜植物种类及品种.方法 在环境参数一致的条件下,对4种散叶生菜品种,1种油麦菜,2种菠菜品种,1种曲麻菜和1种油菜进行栽培,以可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率4个生理特性作为评价指标,对候选植物品种进行筛选.同时在不同CO2浓度(500、1 000、1 500和2 000 μmol/mol)和光照强度条件[100、300、500和700 μmol/(m2·s)]下对各品种的光合效率和蒸腾效率进行了测量.结果 筛选出了"嫩绿奶油"生菜、"大速生"生菜、曲麻菜和四季油麦菜4个植物品种,以及与之相关的适宜CO2浓度为2 000 μmol/mol,光照强度为700 μmol/(m2·s).结论 筛选出的4种植物品种在受控生态生保系统适宜条件下具有较高的可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率等特性,可以作为受控生态生保系统中的生物部件.
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受控生态生保系统中C2H4去除装置的研制
目的研制成C2H4去除装置,去除密闭环境植物生长过程中不断产生的微量C2H4气体,为受控生态生保系统大气控制提供有效的方法.方法根据产品技术指标和性能要求,提出设计方案,并完成产品的加工、安装与调试,后进行低浓度C2H4去除的验证试验.结果该装置系统运行良好,其能耗、体积、降解C2H4能力等均满足设计要求.在气体流速为1.0～3.0 L/min、相对湿度20%、灯源功率48 W条件下,C2H4浓度从0.034 mg/kg降至0.010 mg/kg以下;从降解产物来看,除CO2和H2O外,基本上无其它有毒副产物产生.结论该装置结构设计合理,C2H4去除效率高,可作为受控生态生保系统植物栽培体系中微量C2H4污染气体的去除装置.
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密闭系统中四种共培养植物光合作用效率研究
目的 探讨大型密闭系统中几种共培养植物的光合效率等特性,为开展人与植物的物质交换实验提供基础数据.方法 利用受控生态生保系统集成实验平台植物舱开展常压下生菜等4种共培养色拉型蔬菜的光合效率研究.植物共培养面积为36.0 m2;采用Hoagland营养液培养;光源为90％红+10％蓝LED组合光源,光照强度为450μmol·m-2·s-1PPF,光照周期为24 h;根据植物不同生长阶段调节CO2浓度,控制范围为0.2％ ～0.8％.结果 系统运行平稳,环境参数控制状态良好,植物生长状态基本正常;共培养植物产O2量和CO2吸收量平均分别为0.915 kg·d-1和1.204 kg·d-1,植物平均每天能产生约1.1人呼吸所需的O2,同时吸收其排出的CO2.结论 通过该实验,基本掌握植物共培养技术及系统放O2和吸收CO2的能力,可为开展多人多天的受控生态生保系统集成试验研究提供技术支持.
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低压环境对油麦菜生长和生理特性的影响
目的 研究低压环境中蔬菜作物的生长发育特性,为受控生态生保系统提供高等植物栽培技术.方法 通过设置对照,采用对比方法研究不同压力对油麦菜生长和生理特性的影响.结果 与常压(101.0 kPa)相比,总压40.0 kPa和氧分压8.4 kPa下油麦菜种子发芽率减少7.62%;生长基本正常,但生育期延迟,同期收获时生物量降低13.67%,总糖含量有所降低;前期平均光合速率和蒸腾速率低于常压条件,但后期光合速率和蒸腾速率有所增加;乙烯释放量减少38.79%,株高降低11.68%,叶面积、根系所占比例及根系活力分别增加15.43%、2.57%和40.53%.结论 总压40.0 kPa和氧分压8.4kPa对油麦菜种子发芽和生长有一定影响,应采取相应措施来调节其生长发育.
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长效专用控释肥在受控生态生保系统中应用的实验研究
目的研究并验证长效专用控释肥料在受控生态生保系统中应用的可行性,为未来受控生态生保系统中高等植物的栽培提供合适的养分资源.方法在特定的光照、温度和大气等环境条件下,通过植物栽培实验,进行施肥、不施肥以及不同专用控释肥料品种的生菜培养,比较不同处理下植株的生长形态、测试并分析植株体内的各种营养组分等.结果在不施肥的条件下,植株不能正常生长,施肥能促进植株的正常生长发育;利用肥料1栽培的生菜植株品质好于肥料2栽培的生菜植株.结论所研制的长效控释专用肥料能在受控生态生保系统中应用,针对不同的植物品种应选用不同的肥料品种作为养分资源.
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空间蔬菜栽培装置中营养液输送系统的实验研究
目的为未来的空间站研制一套在空间蔬菜栽培装置中应用的营养液输送系统,并通过地面实验初步证明其可行性.方法参考国外资料并结合我国实际,进行空间蔬菜栽培装置样机中营养液输送系统的方案论证、方案设计、图纸设计和加工调试等,随后进行植物栽培地面验证试验.结果营养液能够以毛细作用方式源源不断地输送到植物栽培基质,基质水分含量能够自动控制并按设定值保持恒定,所用生物材料生菜的生长形态和色泽基本正常.结论初步证明空间蔬菜栽培装置样机中营养液输送系统基本满足空间微重力环境条件对植物营养液输送的要求.
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受控生态生保系统中长效专用控释肥料研制
目的研制长效专用控释肥料,为受控生态生保系统中高等植物的生长提供养分资源.方法根据产品技术指标和性能要求,提出设计方案,经过原料筛选、组分配比、颗粒制作和包膜等工艺过程,研制成长效专用控释肥料,后对产品进行养分释放规律实验和植物栽培实验.结果产品中含氮(N)18.0%、磷(P2O5)14.3%、钾(K2O)12.6%、钙(Ca)2.6%、硫(S)3.5%、镁(Mg)0.12%,微量元素适量;产品颗粒大小均匀,直径为2.5～4.0 mm;20～25℃条件下,10、20、30、40、50 d内肥料累积释放量分别为7.9%、21.6%、40.5%、50.2%、60.9%;利用该肥料培养生菜,整个45 d的生育期内植株没有出现养分缺乏现象,长势良好.结论研制的长效专用控释肥料性能技术指标满足植物生长需求,产品设计方案合理,能够作为受控生态生保系统中高等植物生长的养分资源.
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60Co-γ射线对螺旋藻生长影响研究初探
目的 探讨电离辐射对螺旋藻生长的影响,为今后螺旋藻在受控生态生保系统中的应用奠定基础.方法 利用60Co-γ,射线辐射源对螺旋藻藻丝体进行不同剂量的辐照处理,然后对不同处理进行相同条件下的再培养,通过观察不同处理间的藻体生长状况、藻丝体形态变化,以及测定藻液的光密度值变化、藻体的光合放氧效率和其它营养生理等指标,考察螺旋藻抗60Co-γ射线辐射的能力.结果 螺旋藻受60Co-γ射线辐照后,其生长速率、光合放氧效率、藻丝体长度以及其它营养生理指标均在一定程度上受到影响,但螺旋藻具有较强的抗辐射和自修复能力,其半致死辐射剂量为2.0 kGy.结论 螺旋藻具有一定的尊辐射能力,可作为今后受控生态生保系统关键生物部件的优先研究对象.
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空间微生物废物处理装置地面试验样机研制
目的研制空间微生物废物处理装置地面试验样机,为今后空间环境条件下植物不可食部分等废物转化为植物栽培液、实现空间物质的循环利用奠定基础.方法提出技术指标和性能要求,进行方案论证和设计、各组件加工和性能检测、系统安装与调试,而后进行微生物废物处理试验.结果该装置系统运行稳定,其能耗、体积和重量满足设计要求,出水水质和微生物处理能力好于设计要求,pH值和溶解氧浓度能自动控制,O2能实现无泡供应.生菜不可食部分等废物在该装置中能被所选用的微生物降解,总有机碳(TOC)和化学需氧量(COD)含量均显著下降,分别达92.1%和95.5%. 结论该装置结构设计合理,主要工作原理满足空间微重力条件设计要求,可作为空间条件下的废物降解处理装置.
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不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响
目的 研究红蓝单色光对植物生长的影响,探索其作为植物生长光源的可行性.方法 采用白、红和蓝发光二极管的光照条件培养油麦菜,分析和比较油麦菜植株在不同光质下的生长状态、生理特性和养分含量的差异.结果 红光促进油麦菜茎叶径向生长,蓝光利于其茎叶横向生长和光合色素合成;油麦菜在全红光下不能正常生长,5%-20%蓝光比例能提高其光合和蒸腾速率、光合色素含量、生物量和大量元素含量,改善其荧光特性.25%~50%蓝光比例使光合色素含量进一步增加,但地上生物量明显下降,根冠比显著增加;红蓝单色光增加了单位面积或功率的生物产量.结论 红蓝发光二极管可用于培养油麦菜,且蓝光比例为10%的光照条件有利于油麦菜生长.
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低压环境对三种植物种子萌发的影响
目的 探索低压和低氧对不同种类植物种子萌发的影响和作用.方法 3种植物种子(玉米、小麦和水稻)在3种总压(101,30和10 kPa)和3种氧分压(21,6和2 kPa)下进行8d萌发实验.结果 在3种总压下,氧分压为6或2 kPa抑制了3种植物种子的萌发,降低了发芽率,增加了细胞膜透性,使脱氢酶活性下降,胚芽和胚根的生长也受到抑制.在低氧下(6或2 kPa),降低总压(30或10 kPa)改善种子萌发的氧气供应条件,促进了种子的萌发和胚根的生长.玉米种子与小麦和水稻种子相比,对总压和氧分压更敏感.结论 3种总压下,低氧均抑制种子萌发；当氧气充足时,3种植物种子均能在30 kPa低压下正常萌发.
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空间蔬菜栽培装置地面实验样机研制
目的研制成空间蔬菜栽培装置地面实验样机,以便解决空间环境条件下栽培蔬菜的若干技术,为下一步研制空间蔬菜栽培装置样机和上天产品,并终为在我国空间站实现空间蔬菜生产的实验与应用奠定基础.方法在详细技术方案论证与设计的基础上,进行了部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试、试运行和验证实验等.结果该样机栽培室内的温度、相对湿度、风速、总压、O2分压、CO2分压和栽培基质水分含量均实行自动而有效的控制;光源为高效电子荧光灯;平均蔬菜生产量可以达到60 g鲜重*d-1.结论该样机运行平稳,实际性能基本达到了预定的技术指标,部分组件的工作原理能够适应空间微重力环境,从而为今后研制空间蔬菜栽培装置打下了良好基础.
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LED红蓝光对钝顶螺旋藻生长及光合放氧的影响
目的探究LED红蓝混合光质对螺旋藻生长和光合放氧能力的影响,为我国受控生态生保系统中微藻生物部件优化培养方法的建立提供理论与技术支持.方法在6种不同配比的LED红蓝混合光质处理下进行钝顶螺旋藻培养,对其形态建成、生长速率、光合色素组成、放氧能力等指标进行测量与综合分析.结果与单独红光相比,低剂量蓝光的混合光质可以诱导藻丝体长度缩短和螺旋收紧度减小,提高叶绿素a、藻蓝素和类胡萝卜素含量,促进螺旋藻生长和干物质积累,提高其光合放氧能力.结论8R2B是促进螺旋藻生长和放氧的高效光质.
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深空探测低压植物栽培装置研制
目的 研制低压植物栽培装置,以便开展模拟深空探测低压条件下高等植物栽培技术研究,为建立低压条件下的受控生态生保系统奠定基础.方法 通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及装置试运行,后开展验证实验来检验其技术性能.结果 研制成功2套低压植物栽培装置,均能进行低压或常压植物栽培,该装置运行较为稳定,温度、相对湿度、大气总压、O2分压、CO2分压和基质含水量等技术参数均能进行有效的测量和控制.结论 该装置各项实际性能指标基本满足设计和实验要求,可用于开展下一步低压植物栽培试验.
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受控生态环境小麦的生长发育动态及生物学特性
目的 利用“绿航星际”4人180天受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,研究小麦在受控生态生保系统中的生长发育动态和生物学特性,为小麦植物部件在该系统的工程应用积累数据.方法 对小麦(Wt03)全生育期不同生长天数的重要性状和生物量积累情况进行动态监测,并比较小麦在受控生态环境下与大田的生物学特性差异,全面观察和记录小麦在CELSS中的生长发育特性.结果 从移栽后15 d到85 d,小麦的总生物量积累从209.15 g/m2增长到2379.59 g/m2,收获可食部分干重13.41 g/(m2·d).相比大田环境,小麦在受控生态环境下的生育期相对缩短,其性状上株高明显变矮,单稳重下降,但旗叶变大,单株有效穗增多,产量比大田提高53％.结论 该小麦品种在密闭系统中有良好的适应性,产量较高,适合用作受控生态生保系统生物部件.
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基于MBR耦合多级膜分离的生活用水供应系统在CELSS中的运行试验
目的 针对受控生态生保系统对卫生用水和饮用水的需求,构建以膜生物反应器(membrane bio-reactor,MBR)为核心,并辅以膜分离和离子交换工艺的生活用水供应系统.方法 基于受控生态生保系统 (Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,以冷凝水为水源,探讨生活用水供应系统在连续180 d试验周期内的运行效果,重点考察系统的卫生用水和饮用水出水水质.结果 生活用水供应系统在180 d内有效控制了水质感官性状,使卫生用水和饮用水出水pH分别在6.5 ～ 8.9和5.8 ～ 7.4范围内,平均出水电导率达到5.8和13.3μS/cm,平均出水浊度达到1.6和0.7 NTU,满足试验医学标准.同时,该系统具有高效的污染物去除能力,MBR是TOC和NH +4 -N的主要去除单元,可使去除率均达到97％以上;NF和RO是TOC和NH +4 -N保障去除单元,使出水浓度均降低至检测限以下.但MBR对NO -x -N去除有限,NF和RO是其主要去除单元,可使NO -x -N去除率达到95％.结论 以MBR为工艺核心的生活用水供应系统,可连续稳定运行180 d以上,并在运行期间不间断保质足量供给4名乘员卫生用水及饮用水.
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空间乙烯过滤器地面试验样机研制
目的 研制成空间乙烯过滤器地面试验样机,采用微生物技术控制受控生态生保系统中高等植物产生的微量乙烯(C2H4),以保障植物的正常生长发育.方法 通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及样机试运行,后进行验证实验来检验其技术性能.结果 样机反应器中基质的温度、含水量、pH值以及气体的流量、温湿度等参数均能实行有效控制,反应器中的微生物经过一段时间驯化后,对乙烯气体的高降解率可达到9.04 mg/(m3·h).结论 样机实际性能基本达到了设计要求,运行稳定,可用于控制受控生态生保系统中乙烯气体的浓度.
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南极植物生产系统概述与分析
植物是受控生态生保系统中的关键生物部件,可以为乘员提供食物、氧气和净水,同时可以起到一定的心理支持作用.世界各国/组织在南极开展了多年的植物生产系统研究和实施工作,研制了不同类型的植物生产系统.这些系统不仅为南极考察人员提供了一定的食物供给,也为推动受控生态生保系统的发展提供了技术支持和试验验证.本文总结和分析了南极曾经建设或现有的植物生产系统,对比分析了这些植物生产系统的建设目的、规模、类型和自动化程度等具体信息,并展望了南极植物生产系统未来的发展趋势.
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空间受控生态生保技术发展现状与展望
空间受控生态生保技术在国际上经历了50余年的发展历程,并取得了长足进展.本文就受控生态生保技术的基本概念、研究现状、取得的主要成就、存在的主要问题、下一步的努力方向及发展趋势等进行了概述,可为我国受控生态生保技术的后续深入发展提供参考与借鉴.
