深空探測生物再生生命保障系統(tǒng)研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢

劉 紅，姚智愷，付玉明

（1. 北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 環(huán)境生物學(xué)與生命保障技術(shù)研究所，北京 100083；2. 北京航空航天大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083）

引 言

隨著人類太空探索的范圍不斷擴(kuò)大，各航天大國近年來推出了載人月球基地以及載人登火的計(jì)劃。由于這類航天任務(wù)持續(xù)時間長，對航天員生命保障要求更高。而且星球之間距離遙遠(yuǎn)，常規(guī)的補(bǔ)給成本高昂，且技術(shù)上也難以實(shí)施。因此需要一種先進(jìn)的人類在地外生存生命保障系統(tǒng)。生物再生生命保障系統(tǒng)（Bio-regenerative Life Support System，BLSS），是以生態(tài)學(xué)原理為基礎(chǔ)，將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建由人、植物、動物、微生物組成的人工閉合生態(tài)系統(tǒng)。這個生態(tài)系統(tǒng)與地球表面的生態(tài)系統(tǒng)具備相同的生產(chǎn)者（植物）、消費(fèi)者（人/動物）、分解者（微生物）結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)人所需的氧氣、水、食物等生存必須的物質(zhì)循環(huán)再生，并為人提供類似地球生態(tài)系統(tǒng)的舒適環(huán)境。BLSS可保障人類在地外長期自治生存，是載人深空探測的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。BLSS中的物質(zhì)循環(huán)關(guān)系如圖1所示。

1 生物再生生命保障系統(tǒng)涉及的學(xué)科及理論和技術(shù)體系

BLSS作為一個高度集成的閉合生態(tài)系統(tǒng)，是一個多學(xué)科交叉的方向，其理論與技術(shù)涵蓋了如圖2所示的諸多學(xué)科領(lǐng)域的前沿內(nèi)容。

這些學(xué)科對BLSS的研究起到非常重要的作用：BLSS的整體物質(zhì)循環(huán)、能量流動以及生物鏈環(huán)之間的關(guān)系需要利用生態(tài)學(xué)手段加以研究并確定；動物作為BLSS的一個重要組成部分，需要高效飼養(yǎng)以滿足乘員對于動物蛋白質(zhì)的需求，因此需要動物學(xué)的理論；同樣的，如何高效栽培植物，并利用植物調(diào)節(jié)環(huán)境則是植物學(xué)需要研究的內(nèi)容；系統(tǒng)中的廢水、廢氣、廢渣以及噪聲等不利因素將需要通過環(huán)境工程的手段來解決；艙室及設(shè)備則需要通過材料學(xué)、電子信息工程等手段進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、制作與調(diào)控；計(jì)算機(jī)科學(xué)將可以支撐艙內(nèi)物質(zhì)循環(huán)及能量流動的仿真實(shí)驗(yàn)；空間生命科學(xué)的理論將為未來BLSS真正能夠在地外星球應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)等等。乘員在BLSS中的生理變化包括體能變化、晝夜節(jié)律等方面需要通過醫(yī)學(xué)手段開展研究；在密閉環(huán)境下，乘員的心理變化以及利用植物園藝療法調(diào)適心理活動則需要利用心理學(xué)理論加以解釋；乘員的日常飲食食譜需要靠營養(yǎng)學(xué)確定，保證志愿者均衡膳食；乘員的腸道微生物變化也將引發(fā)包括情緒在內(nèi)的多種生理指標(biāo)變化，同時艙室內(nèi)部的有害微生物也會對BLSS運(yùn)行造成不利影響，對艙內(nèi)的廢物進(jìn)行高效處理利用等，則都需要結(jié)合微生物學(xué)加以研究?；诙喾N學(xué)科領(lǐng)域的知識體系與研究成果，結(jié)合BLSS實(shí)際構(gòu)建、運(yùn)行需求，發(fā)展出BLSS的理論與技術(shù)體系如圖3所示。

圖1 BLSS的物質(zhì)循環(huán)Fig. 1 Regenerations in BLSS

圖2 生物再生生命保障系統(tǒng)研究涉及的學(xué)科領(lǐng)域Fig. 2 Fields of BLSS research

圖3 BLSS理論與技術(shù)體系Fig. 3 Theoretical and technological system of BLSS

縱觀各國在BLSS的研究發(fā)展都是從單元理論和技術(shù)到生態(tài)系統(tǒng)理論和技術(shù)研究。在研究建立了單元的理論和技術(shù)以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方法之后，才能進(jìn)入有人參與的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究階段。世界上能夠滿足基本條件，開展BLSS生態(tài)系統(tǒng)有人實(shí)驗(yàn)研究的國家與地區(qū)在科技領(lǐng)域均具有十分重要的地位。因此構(gòu)建BLSS地基實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展生態(tài)系統(tǒng)有人實(shí)驗(yàn)研究對于該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展具有重要的里程碑意義。

2 生物再生生命保障系統(tǒng)國內(nèi)外研究進(jìn)展

鑒于BLSS技術(shù)對于人類地外探索的重要性，自20世紀(jì)60年代以來，蘇聯(lián)/俄羅斯、美國、歐洲、日本、中國等國家和地區(qū)相繼對生物再生生命保障技術(shù)開展研究，并先后建立了不同層次、多種類型的BLSS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了的地基模擬實(shí)驗(yàn)。

2.1 蘇聯(lián)/俄羅斯

在60年代初期，位于莫斯科的俄羅斯科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)問題研究所（Institute of Biomedical Problems，IBMP）在世界上首先組織專門部門開展封閉BLSS設(shè)計(jì)和空間應(yīng)用研究。該研究所利用單細(xì)胞藻類進(jìn)行了世界上第一次BLSS實(shí)驗(yàn)，在5 m3密閉艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“人-微藻”系統(tǒng)的氣體90%自循環(huán)，同時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的CO2、CH4濃度和微生物數(shù)量比較穩(wěn)定[2]。更進(jìn)一步的BLSS大型地基綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究任務(wù)則由俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院生物物理研究所（Institute of Biophysics，IBP）承擔(dān)，并很快建造了世界上第一座用于研究BLSS的大型地基綜合實(shí)驗(yàn)裝置—BIOS系統(tǒng)。該系統(tǒng)最初僅由一個12 m3的艙室構(gòu)成，內(nèi)部裝有一個18 L的藻類培養(yǎng)反應(yīng)器用于空氣循環(huán)再生，主要進(jìn)行的是氣體循環(huán)封閉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中需要的水和食物全部由外界提供并預(yù)先儲藏在系統(tǒng)中。有人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在氣體循環(huán)方面可以實(shí)現(xiàn)部分閉合，能滿足一個人約20%的物質(zhì)需求。

為了進(jìn)一步提高閉合性，研究人員在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)建，增加了2.5 × 2.0 × 1.7 m3的植物生長艙，將系統(tǒng)升級為BIOS-2。植物艙在保障氣體凈化的同時還可以提供部分食物。經(jīng)過4年的系統(tǒng)調(diào)試并開展了90 d的封閉實(shí)驗(yàn)后，BIOS-2證明了氣體循環(huán)能夠完全閉合，其中約25%的O2由綠色植物來再生，其余部分由微藻來完成[3]。

1972年，研究人員在上述工作的基礎(chǔ)上建造了300 m3的系統(tǒng)—BIOS-3（見圖4），試圖使物質(zhì)循環(huán)實(shí)現(xiàn)完全閉合[4]。BIOS-3分別于1972年、1976年、1983年冬天進(jìn)行了4～6個月的“有人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，63 m2的植物種植面積使該系統(tǒng)在氣、水循環(huán)方面實(shí)現(xiàn)完全閉合，并滿足2人70%或者3人30%的食物需求，有24%的礦質(zhì)元素在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了循環(huán)[5]。同時，“有人實(shí)驗(yàn)”還證明了BIOS-3內(nèi)的植物光合作用強(qiáng)度可以隨著系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境的變化自動調(diào)整[6]。BIOS-3在“有人實(shí)驗(yàn)”中實(shí)現(xiàn)了95%的閉合度，這一記錄保持了30余年才被打破[3,7]，他們的工作為后來其他國家開展相關(guān)研究提供了有價值的參考。

此后，針對BIOS-3項(xiàng)目的成果，俄羅斯科學(xué)家提出對BIOS-3進(jìn)行升級的計(jì)劃（即BIOS-4）[8]，但最終由于多方面的原因不了了之。

盡管BIOS系統(tǒng)的密閉有人試驗(yàn)已經(jīng)在20世紀(jì)80年代結(jié)束，但是其已經(jīng)充分證明了構(gòu)建一個基于生物再生生命保障技術(shù)的閉合生態(tài)系統(tǒng)的可行性。而改進(jìn)BLSS 各個生物單元效率，提高生物單元之間的耦合程度，完善生物單元的調(diào)控策略，進(jìn)一步提高BLSS系統(tǒng)的閉合度與穩(wěn)定性等目標(biāo)是俄羅斯從事生命保障研究的科學(xué)家的長期追求[9]。

圖4 BIOS-3系統(tǒng)（俄羅斯）[1]Fig. 4 BIOS-3 system （Russia）[1]

2.2 美國

在20世紀(jì)60年代初，BLSS的研究同樣引起了美國學(xué)者的極大興趣。1966年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在艾姆斯研究中心（Ames Research Center）首次召開了關(guān)于開展閉合生態(tài)系統(tǒng)研究的研討會，標(biāo)志著 BLSS正式進(jìn)入NASA的視野[10]。

1979年，NASA啟動了“受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)計(jì)劃”（Controlled Ecological Life Support System Program，CELSS計(jì)劃），致力于全面利用生態(tài)學(xué)和生物學(xué)方法和技術(shù)系統(tǒng)開展生命保障研究[11-12]。后NASA在CELSS基礎(chǔ)上，面向月球、火星基地等任務(wù)進(jìn)一步提出了先進(jìn)生命保障（Advanced Life Support，ALS）理論[13]。

此外，NASA還與一些美國大學(xué)合作進(jìn)行了密閉環(huán)境下的植物栽培實(shí)驗(yàn)，建立了生物量生產(chǎn)艙（Biomass Production Chamber，BPC）在內(nèi)的諸多BLSS試驗(yàn)裝置（見圖5），同時建立了系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，計(jì)算確定了在 BLSS 內(nèi)種植高等植物所需要的空間體積、設(shè)備重量和能耗等[14-15]。利用生物再生式行星生命保障系統(tǒng)測試裝置（Bio-regenerative Planetary Life Support Systems Test Complex，BIO-Plex）實(shí)驗(yàn)得出種植43 m2的高等植物在正常情況下可以提供一個人90%的食物營養(yǎng)需求[16]。

圖5 NASA構(gòu)建的一些BLSS地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[20,22]Fig. 5 BLSS ground experiment facilities established by NASA[20,22]

1995—1997年，NASA還開展了“月球/火星生命保障試驗(yàn)項(xiàng)目”（Lunar-Mars Life Support Test Project，LMLSTP），將生物再生生命保障技術(shù)同傳統(tǒng)的物理化學(xué)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來[17]。研究表明，高等植物與理化系統(tǒng)在空氣再生方面具有很高的融合性。生物反應(yīng)系統(tǒng)的水處理效果達(dá)到了航天員的飲用水標(biāo)準(zhǔn)[18]。此外，LMLSTP項(xiàng)目還針對乘員心理變化開展了研究[19]。

2010年，NASA 開始了艙室演示模塊深空居住艙（Habitat Demonstration Unit - Deep Space Habitat，HDU-DSH）工程，這項(xiàng)工程在亞利桑那州的一處沙漠中建立了一套居住艙系統(tǒng)，計(jì)劃分階段進(jìn)行一系列有人系統(tǒng)試驗(yàn)[20]。最近，NASA還制作了“月球溫室原型”（Prototype Lunar Greenhouse，LGH），進(jìn)一步集成新技術(shù)與新方法[21]。

除NASA外，美國科學(xué)家曾以直接模擬地球生物圈的方式，嘗試構(gòu)建類似 BLSS用以研究地球的生態(tài)變化。1986年，ALS計(jì)劃提出后不久，美國富豪Edward Bass出資兩億美元在美國亞利桑那州沙漠區(qū)興建了舉世矚目的“生物圈2號”（ Biosphere-2，見圖6）。系統(tǒng)占地1.3 ha，總體積1.8 × 105m3[23]。曾有8名受試者在“生物圈2號”內(nèi)進(jìn)行了21個月的實(shí)驗(yàn)。但因不科學(xué)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)食物短缺、大氣中氧濃度不斷下降，實(shí)驗(yàn)最終以志愿者被迫離開“生物圈2號”為結(jié)果宣告失敗。該系統(tǒng)未達(dá)到基本物質(zhì)（空氣、水和食物）在系統(tǒng)水平上的質(zhì)量平衡[24-25]。科學(xué)家們檢討了實(shí)驗(yàn)失敗的原因：包括自然界不同于人工控制系統(tǒng)，追求“大而全”的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了各物種間的關(guān)系難以進(jìn)行量化；“生物圈2號”內(nèi)的土壤均采自同一地點(diǎn)，不具有地球生態(tài)系統(tǒng)豐富的土壤類型；模擬的各類生態(tài)系統(tǒng)的空間分布格局及大小比例不合理；建筑材料的吸附作用導(dǎo)致氣體失衡等等[26]。

實(shí)際上，正是因?yàn)樽匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物間關(guān)系十分復(fù)雜，因此必須全面了解BLSS系統(tǒng)的穩(wěn)定機(jī)制，掌握相應(yīng)的調(diào)控方法，限制系統(tǒng)內(nèi)物種數(shù)量，慎重設(shè)計(jì)BLSS結(jié)構(gòu)，才可能保障BLSS的成功。

圖6 生物圈2號[1]Fig. 6 Biosphere-2[1]

2.3 日本

1988年，日本環(huán)境科學(xué)技術(shù)研究所（Institute for Environmental Sciences，IES）開始籌建一座密閉生態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Closed Ecology Experiment Facilities，CEEF，見圖7）。1994年該系統(tǒng)于青森縣六所村開始動工興建，1998年完成。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA） 隨后組織了各主要研究機(jī)構(gòu)和高校的研究人員，以此系統(tǒng)為平臺開展了大量針對BLSS技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

圖7 CEEF系統(tǒng)（日本）[1]Fig. 7 CEEF （Japan）[1]

CEEF系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是首次引入了動物單元—山羊。在結(jié)構(gòu)上，CEEF主要由密閉植物實(shí)驗(yàn)艙、密閉動物飼養(yǎng)艙、人居住實(shí)驗(yàn)裝置3部分構(gòu)成。各裝置既可以獨(dú)立運(yùn)作，也能彼此組合開展研究，系統(tǒng)與外界環(huán)境之間只有能量交換和信息傳遞[27]。此外，它完全采用物理化學(xué)處理設(shè)備處理廢物，各單元之間的物質(zhì)交換也都通過物理化學(xué)設(shè)備進(jìn)行[28]，并利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)分析物質(zhì)循環(huán)規(guī)律[29]。其優(yōu)點(diǎn)是加速系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)，并且利于控制，不足之處是忽略了微生物的重要作用，且系統(tǒng)過于龐大，需要依賴外部人員對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

早在 2004 年，CEEF項(xiàng)目組就提出了有人參與的2年密閉的試驗(yàn)。但迄今為止，CEEF僅在2005—2007年多次開展了“人-羊-高等植物”短期密閉試驗(yàn)[30]，且最長連續(xù)實(shí)驗(yàn)時間為4周。有學(xué)者推測，大量的物理化學(xué)單元的使用而不是依靠生物單元維持BLSS系統(tǒng)的穩(wěn)定性是造成CEEF系統(tǒng)不能開展長期密閉實(shí)驗(yàn)的一個主要原因[31]。

CEEF于2016年更名為EEF（Ecology Experiment Facilities），正式放棄密閉實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，但目前系統(tǒng)中的植物培養(yǎng)單元依舊在開展同位素化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)，將繼續(xù)研究生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的方式，為闡述BLSS系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)循環(huán)的機(jī)理提供參考[32]。

2.4 歐洲

1989年，由歐洲航天局（The European Space Agency，ESA）、比利時、西班牙、加拿大共同資助，正式啟動了微生態(tài)生命保障系統(tǒng)研究計(jì)劃（Micro-Ecological Life Support System Alternative，MELiSSA）[33]。多家大學(xué)、研究所和公司等機(jī)構(gòu)在 ESA 技術(shù)中心的統(tǒng)籌管理下共同開展此項(xiàng)研究，并同德國、愛爾蘭、荷蘭和俄羅斯等多家研究機(jī)構(gòu)有著密切的合作。在初始設(shè)計(jì)中，MELiSSA系統(tǒng)由相互連接的多個艙室組成，主要包括：I-廢物降解室，主要由嗜熱厭氧細(xì)菌反應(yīng)器構(gòu)成；II-光合異養(yǎng)食物生產(chǎn)室，主要由光合異養(yǎng)細(xì)菌反應(yīng)器構(gòu)成；III-硝化室，主要由亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌反應(yīng)器構(gòu)成；IV-光合食物生產(chǎn)和大氣再生室，其中一部分由微藻反應(yīng)器（IVA）構(gòu)成，另一部分由高等植物（IVB）構(gòu)成；V-乘員室[34]。這些艙室以及研究所需的設(shè)備由分布在歐洲的多所高校及科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)建造并開展單元實(shí)驗(yàn)。

MELiSSA系統(tǒng)于2008年進(jìn)入整合階段，計(jì)劃將實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)在西班牙巴塞羅那大學(xué)，原計(jì)劃到 2015 年完成。多家高校及科研機(jī)構(gòu)此前已針對系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)[35]、高效植物栽培[36]等領(lǐng)域開展了研究，其最終的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)水、氣循環(huán)的完全閉合[37]，滿足一個人100%的O2需求和至少20%的食物需求。但是由于多方原因，MELiSSA項(xiàng)目至今依舊處于各個單元組件實(shí)驗(yàn)階段，未能構(gòu)建一個完整系統(tǒng)，也未能開展有人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[38]。

2.5 中國

我國從20世紀(jì)90年代中期開始進(jìn)行BLSS方面的探索性研究，國內(nèi)諸多高校、科研院所在BLSS的國際調(diào)研分析和關(guān)鍵單元技術(shù)的研究上開展了大量工作，提出了我國BLSS的研究方向和發(fā)展規(guī)劃。

自2004年以來，北京航空航天大學(xué)劉紅教授科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)深入地開展了BLSS研究工作，在高等植物栽培[39]、微藻培養(yǎng)[40]、植物不可食生物量處理[41]、水循環(huán)利用[42]、動物篩選[43]和類土壤基質(zhì)制備[44]等單元技術(shù)方面做了大量的研究工作。建立了“人-萵苣-藻-蠶”地面小型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了我國首次有人部分參與的為期279 d的BLSS地基模擬實(shí)驗(yàn)，志愿者通過呼吸系統(tǒng)內(nèi)空氣的方式參與氣體循環(huán)[45]，模擬實(shí)驗(yàn)還分析了包括植物、動物、微生物和微藻在內(nèi)的各物種之間的相互關(guān)系[46-48]，為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2013年10月，我國第一個BLSS地基大型有人綜合試驗(yàn)系統(tǒng)—“月宮1號”建成（見圖8），包括1個植物艙，1個綜合艙，總面積100 m2，總體積300 m3，種植面積60 m2。2014年在“月宮1號”中完成了我國首次有人高閉合度密閉實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)了105 d，3名志愿者栽培了21種糧食、蔬菜作物，秸稈生物轉(zhuǎn)化后培養(yǎng)黃粉蟲，所有人員的排泄物在系統(tǒng)中處理，實(shí)現(xiàn)了100%的氧氣循環(huán)，100%的水循環(huán)以及55%的食物循環(huán)再生，“月宮1號”的系統(tǒng)整體閉合度為97%，達(dá)到了當(dāng)時的世界最高水平；同時它也是世界上首次成功實(shí)現(xiàn)了“人-植物-動物-微生物”四生物鏈環(huán)的BLSS[49]。2016年，“月宮1號”完成了技術(shù)升級，具有2個植物艙，1個綜合艙，總面積160 m2，體積500 m3，種植面積120 m2。于2017年5月10日開始 “月宮365”實(shí)驗(yàn)，翌年5月15日圓滿結(jié)束，歷時370 d，創(chuàng)下了世界上BLSS最長連續(xù)運(yùn)行時間紀(jì)錄。為了研究BLSS在長時間連續(xù)運(yùn)行工況下的乘員組換班、系統(tǒng)機(jī)電故障對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，建立長期穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)控技術(shù)，設(shè)置了代謝水平不同的2組乘員，分3班次交替輪班。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“月宮1號”的BLSS在長期運(yùn)行過程中具有良好的穩(wěn)定性，系統(tǒng)通過自身反饋調(diào)節(jié)消除了氣體擾動的影響，具有較強(qiáng)的魯棒性。志愿者栽培了35種植物，包括糧食、蔬菜作物和漿果，植物生產(chǎn)滿足乘員植物性食物100%需求，衛(wèi)生廢水凈化效果達(dá)到了植物灌溉標(biāo)準(zhǔn)，尿液和固廢循環(huán)利用。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在承載4名乘員的負(fù)荷下，氧氣和水100%循環(huán)，食物再生83%（鮮重計(jì)），系統(tǒng)整體閉合度達(dá)到98.2%。

研究結(jié)果為BLSS的進(jìn)一步優(yōu)化和進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬研究提供了參照，將為BLSS在月球基地的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

目前“月宮365”實(shí)驗(yàn)剛結(jié)束一年有余，研究成果也正在陸續(xù)發(fā)表[50-51]。

在“月宮1號”兩次有人長期密閉實(shí)驗(yàn)中，志愿者們收獲糧食、蔬菜、水果和黃粉蟲在系統(tǒng)中自己進(jìn)行加工并食用，不可食用生物量（如秸稈）與人的糞便及食物殘?jiān)葟U物一起采用所研發(fā)的生物技術(shù)，處理制備類土壤基質(zhì)，循環(huán)用于植物栽培[52]。綜合艙中人、動物和廢物處理產(chǎn)生的富二氧化碳空氣，經(jīng)過凈化后送達(dá)植物艙，供植物光合作用；植物艙產(chǎn)生的富氧空氣經(jīng)空氣凈化后送到綜合艙供人和動物呼吸，并提供廢物處理所需氧氣[53]。植物艙中，植物蒸騰作用產(chǎn)生的冷凝水通過凈化后，一部分由系統(tǒng)補(bǔ)充微量元素，送到綜合艙，滿足人的生活用水[54]；其余與凈化后的生活廢水和尿液一起用于植物栽培[55]。由此，形成一個閉環(huán)生命保障系統(tǒng)。“月宮1號”中的物質(zhì)循環(huán)見圖9。

圖9 “月宮1號”中的物質(zhì)循環(huán)[49]Fig. 9 Regenerations in Lunar Palace 1

除了北京航空航天大學(xué)“月宮1號”以外，我國其它科研機(jī)構(gòu)及高校亦對BLSS進(jìn)行了研究。

中國航天員科研訓(xùn)練中心經(jīng)過多年的積累，在2011年建立了小型BLSS系統(tǒng)，并于2012年12月1日完成了2人30 d的短期有人封閉實(shí)驗(yàn)。此后與深圳市合作共建“深圳市太空科技南方研究院”，開展大型BLSS地面實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)與運(yùn)行工作，并于2016年6月17日開展“太空180”實(shí)驗(yàn)，同年12月14日結(jié)束，共有4名志愿者參與，歷時180 d。“太空180”實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了100%的氧氣循環(huán)、99%的水循環(huán)以及70%的食物循環(huán)，取得了醫(yī)學(xué)[56]以及物質(zhì)循環(huán)[57]等方面的成果。此外，福建農(nóng)業(yè)科學(xué)院采用水生生態(tài)系統(tǒng)，利用“人-紅萍-魚”生物鏈環(huán)開展了短期實(shí)驗(yàn)，也取得了一定的成果[58]。

2.6 空間環(huán)境下開展的水生生物系統(tǒng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)

除了在地面上開展的“有人實(shí)驗(yàn)”之外，為了更好地研究空間特殊環(huán)境對于生物系統(tǒng)的影響，有一些小型水生生物系統(tǒng)進(jìn)行了空間搭載實(shí)驗(yàn)。

1998年，Bluem等利用閉合平衡水生生物系統(tǒng)（Closed Equilibrated Biological Aquatic System，CEBAS）搭載于航天飛機(jī)上，借助STS-89飛行任務(wù)在世界上第一次成功完成了水生生物系統(tǒng)的空間飛行實(shí)驗(yàn)[59]。其利用金魚藻、劍尾魚、光滑雙臍螺等生物構(gòu)建了一個小型的水生生物系統(tǒng)。整個實(shí)驗(yàn)持續(xù)了9 d，實(shí)現(xiàn)了生物系統(tǒng)的短期穩(wěn)定運(yùn)行，并在地面建立的對照組，研究了生物系統(tǒng)在失重狀態(tài)下發(fā)生的變化[60]。

2011年，我國科學(xué)家與德國科學(xué)家聯(lián)合將微型的水生生物系統(tǒng)搭載于“神舟8號”飛船上[61]。在17.5 d的飛行過程中，由衣藻、小球藻、澳洲紅螺等生物構(gòu)建的微型生物系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究了失重環(huán)境下的群落演替現(xiàn)象以及各種物質(zhì)的流動狀況[62]，通過設(shè)立的對照組，同樣研究了失重狀態(tài)對生物的影響[63]。

迄今為止進(jìn)行的空間生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都是水生生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，面向空間生命保障的陸生生態(tài)系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)尚未開展。

3 生物再生生命保障系統(tǒng)發(fā)展趨勢

BLSS發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類在地外的長期自治生存。現(xiàn)有的BLSS有人密閉實(shí)驗(yàn)全部為地基綜合實(shí)驗(yàn)，而地球表面環(huán)境與外太空環(huán)境在重力、磁場、輻射等方面存在顯著的不同，因此BLSS要真正應(yīng)用于太空中，必須要在空間環(huán)境條件下開展陸生生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。而目前此方面尚屬空白，因此下一階段針對其在空間環(huán)境下運(yùn)行狀況的研究，將成為一大重點(diǎn)[64]。

針對面向月球、火星表面的BLSS建設(shè)任務(wù)，需要借助月球、火星探測器所提供的搭載資源，在月球、火星表面開展微型陸生生態(tài)系統(tǒng)的長期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過在空間環(huán)境下和地面環(huán)境下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，取得校正參數(shù)和模型，以用于矯正地面大型“有人實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)獲得的參數(shù)和模型，才能建立可應(yīng)用于空間的BLSS技術(shù)（圖10）。

圖10 BLSS技術(shù)研究發(fā)展路徑Fig. 10 The Development Path of BLSS Technologies Research

在子系統(tǒng)層面，BLSS還需與月球、火星基地的實(shí)際相結(jié)合，考慮運(yùn)載工具的運(yùn)力需求、各生物生長周期、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境變化、航天員身心變化及當(dāng)?shù)刭Y源原位利用等因素，在設(shè)計(jì)上可引入大量新方法、新思維，與已有的其他領(lǐng)域進(jìn)展實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。例如BLSS可以利用柔性艙段技術(shù)拓展內(nèi)部空間，以提供更大的生物培養(yǎng)區(qū)域[65]；利用雜交技術(shù)、納米粒子[66]、植物益生菌[67]等培育生長周期更短、產(chǎn)量更高的植物；利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育廢物處理效率更高的微生物；開展更深入的物質(zhì)資源循環(huán)研究，將更多的物種引入BLSS中，不僅可以提高系統(tǒng)中的食物閉合度，也可以豐富艙內(nèi)乘員組的食譜，進(jìn)一步保證乘員組的健康[68]；利用植物園藝療法、光周期調(diào)控以及合適的心理疏導(dǎo)等手段，為處于幽閉環(huán)境中的乘員組提供心理關(guān)懷[69]；基于資源原位利用的基礎(chǔ)，合理利用目標(biāo)天體當(dāng)?shù)氐亩喾N資源，減少生命保障物資運(yùn)輸需求[70-71]；在地外天體上運(yùn)行的空間基地內(nèi)環(huán)境還需要定期進(jìn)行微生物清除和消毒，進(jìn)行微生物的防控，以防天體與艙室之間發(fā)生交叉污染[72-73]等等。

在實(shí)際的工程建設(shè)層面，BLSS未來需要進(jìn)一步向輕量化、自動化、實(shí)時化、模塊化[74]方向發(fā)展，為人類實(shí)現(xiàn)地外長期自治生存這一目標(biāo)提供工程基礎(chǔ)。例如將BLSS的設(shè)備輕量化，將降低BLSS的發(fā)射成本；BLSS中的生物培養(yǎng)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)采收系統(tǒng)、食物加工系統(tǒng)若實(shí)現(xiàn)高度自動化，則可以令乘員組從繁重的體力勞動中解放，更多地投身于科學(xué)研究；實(shí)時化的BLSS監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行模型，將可以預(yù)測BLSS內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、能量流動的變化情況，做到系統(tǒng)的實(shí)時調(diào)控及預(yù)警，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行；模塊化的BLSS不僅便于管理，也可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

在地面推廣與應(yīng)用層面，BLSS的理論與技術(shù)成果不僅可以應(yīng)用于太空，還可以應(yīng)用于水下、地下的密閉艙室和荒漠科考站[75]、邊防哨所等生態(tài)脆弱、補(bǔ)給不便的地區(qū)，最小限度干擾當(dāng)?shù)丨h(huán)境，最大程度降低補(bǔ)給成本。其衍生技術(shù)例如植物栽培高效技術(shù)、植物秸稈等固體廢棄物發(fā)酵技術(shù)也可以技術(shù)轉(zhuǎn)移至民用領(lǐng)域，進(jìn)一步提升農(nóng)業(yè)效率，降低環(huán)境污染等等，具有廣闊的發(fā)展前景。

同時也需看到，當(dāng)前的BLSS從物種數(shù)量、能量流動情況、復(fù)雜度等方面而言，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與以地球生物圈為基礎(chǔ)的自然生態(tài)系統(tǒng)相比。從前哨基地到真正具有規(guī)模的永久基地乃至星球城鎮(zhèn)，需要經(jīng)過幾代人甚至十幾代人的努力。但我們依舊相信在未來，BLSS終將實(shí)現(xiàn)規(guī)模從小型化到大型化，物種之間的關(guān)系從簡單到復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)組成從陸生到陸生/水生結(jié)合等發(fā)展[76-77]。

4 結(jié)束語

“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里”。BLSS作為人類未來走向浩瀚宇宙的重要技術(shù)，涵蓋了多學(xué)科的成果，具有很強(qiáng)的交叉性，是當(dāng)前世界主要航天大國競相開展的重要研究方向。

作為一個以人為核心的密閉生命保障系統(tǒng)，“有人長期密閉實(shí)驗(yàn)”能否開展是驗(yàn)證BLSS理論與技術(shù)是否正確的關(guān)鍵，系統(tǒng)閉合度高低、系統(tǒng)內(nèi)生物鏈環(huán)的多少是BLSS理論與技術(shù)是否先進(jìn)的體現(xiàn)。目前最先進(jìn)的BLSS已實(shí)現(xiàn)4人370 d的生存，閉合度達(dá)到98%，已經(jīng)基本可以滿足月球駐留需求。而要想真正實(shí)現(xiàn)月球、火星基地的建設(shè)，還需要從更多方面考慮，因地制宜發(fā)揮其作用，最大限度保障乘員能夠在其中實(shí)現(xiàn)長期正常工作生活。同時，BLSS相關(guān)技術(shù)還可以推廣，服務(wù)于地球上人們的生活。

現(xiàn)今的BLSS研究僅僅是個開端，還存在相當(dāng)可觀的發(fā)展空間，相信未來也會有更加深入而廣泛的研究得到開展。只要人類探索太空的步伐不止，BLSS的發(fā)展也將永遠(yuǎn)不息。