生物再生生命保障系统构型研究

生物再生生命保障系统构型研究

20世纪60年代初，美国和前苏联的生物保护工程师和生物专家开始研究生物再生生命支持系统（bls）。他们清楚地认识到,载人航天的目标不只是近地轨道上的短期飞行,还有月球基地、火星基地和更加遥远的深空,要实现这些目标,必须依靠BLSS技术。BLSS是利用绿色植物和微生物等生物组分来生产食物、处理废物,同时再生空气和水,为航天员生命活动提供物质保障的独立、完整、复杂的系统。它是在物理化学的非再生式和再生式环控生保系统的基础上,引入了生物技术和生态平衡的概念,力图创造工程控制技术和生物技术相结合的人工小型生态环境;实现在一定的密闭空间内,人和其他生物之间O2、水分和有机物的循环再生,从而大大减少长期空间活动的地面补给,降低运行成本,并为航天员创造一个更为舒适和安全的生活环境。发达国家研究BLSS采用的都是“先地面后空间,先局部后整体”的思路,即先在地面建立模拟系统,再向空间应用发展;先实现物质循环的部分闭合,再向高度封闭发展。到目前为止,BLSS技术尚未达到空间应用的标准,但是在地面上已经建立了多座模拟系统,例如俄罗斯(前苏联)的BIOS、美国的Bio-Plex、日本的CEEF和欧空局的MELISSA等。在物质循环方面,BLSS已经能够实现O2和水的完全再生,大部分的固体物质也都可以被回收利用。相对于其他航天大国,中国在BLSS研究方面起步较晚,目前只在单元技术领域取得了一些成果。这些技术只有通过合理配置、综合调节,才能最大限度的发挥功效。因此,从系统角度研究BLSS的设计不仅是必要的,更是迫切的。高等植物工艺的blss型BLSS在结构上主要由两部分构成:一部分是以高等植物和微藻为代表的自养单元;另一部分是由人、动物、微生物以及物理化学设备等组成的异养单元。其中前者是BLSS最主要的功能部件,也是BLSS区别于其他类型生保系统的重要标志。微藻是最早用于BLSS研究的自养生物,它具有光合效率高、生长繁殖快等特点,以微藻为核心的BLSS构型如图1所示。该系统在水、氧气再生方面具有较高的处理效率,但是不能为航天员提供营养,因此它只适用于对封闭度要求较低的近地空间站。相比之下,高等植物尽管体积较大、生长周期较长,但是它可以为航天员提供营养丰富的食物,因而逐渐成为高封闭型BLSS的核心。采用高等植物工艺的BLSS构型如图2所示。在BLSS中研究较多的植物种类主要包括小麦、萝卜、生菜、番茄等。这些植物通过合理搭配可以为航天员提供充足的糖类、脂肪、维生素和植物蛋白。因此如果采用这种构型,仍需要定期从地面补充动物性食品,才能维持航天员的营养平衡。除此之外,也可以尝试在系统内饲养动物,使系统实现真正意义上的自给自足(图3)。在空间这种特殊的环境条件下,饲养动物存在诸多困难。一方面其生长过程不易控制,并且容易产生噪音、恶臭等污染;另一方面,将动物引入系统会使物种数目增加,物质交换也会变得更加复杂,从而严重影响系统的可靠性。能否将动物引入系统目前还存在较大争议。采用微生物堆肥或蚯蚓堆制等工艺,将植物不可食生物量加工成类土壤基质(soillikesubstrate,SLS)用于植物栽培,可以有效地进行资源回收。但是必须注意的是,土壤呼吸所引起的气体当量变化是造成“生物圈2号”实验失败的关键因素,因此如果选择SLS工艺,必须考虑其对气体成分的影响。blss的特点根据系统与环境之间的关系可以将系统分为3类。第一类是孤立系统,即系统与周围环境既无物质交换,又无能量流动;第二类是封闭系统,即系统与环境之间没有物质交换,但存在能量流动;第三类系统称为开放系统,系统与环境之间既有物质交换又有能量流动。由于BLSS在结构上的特殊性,它既不能被简单归类于开放系统,同时它又不是严格意义上的封闭系统。其特点是系统与环境之间没有或者只有少量物质交换,但是为了维持生命特征,系统与外界空间必须存在能量流动和信息传递。在BLSS评价方面,封闭度决定了系统的结构和系统所需要携带物质的质量。封闭度的大小通常用封闭系数(coefficientofclosure,C)来表征,如公式(1)所示。C=(1-mΜ)×100%(1)C=(1−mM)×100%(1)式中,m为系统每天需要输入的物质质量(g/d);M为航天员每天消耗的物质总量(g/d)。如图1～3所示,随着物种数目的增多,系统结构越来越复杂,封闭度也逐渐增大。在系统内种植高等植物或是培养藻类,可以使气体循环实现完全闭合;此外引入新物种、改进培养工艺、提高废物处理效率等也可以提高系统的封闭度。系统综合质量的影响然而,并不是所有的空间基地都需要建立高度封闭的BLSS,高封闭度并不是系统设计的最终目标。公式(2)表示系统综合质量随时间的变化情况。所谓综合质量是指系统初始质量与所有补给物质的质量之和。系统构型不同,初始质量M0和单位时间补给物质的质量m的也不相同,系统综合质量Mint和封闭系数C也会随之发生变化。式中,t为设计服役时间(a);Mint为系统综合质量(kg);M0为系统初始质量(kg);m为系统在单位时间内所需补给物质的质量(kg)。Bartsev对3种不同系统构型进行了简单估算,如图4所示。当设计服役时间小于7a时,采用微藻工艺的BLSS综合质量最小,此时补给量较大,系统封闭度较低;当设计服役时间在7～18a时,适宜选择含高等植物的BLSS,此时系统的封闭度稍有提高;当设计服役时间大于18a时,采用焚烧工艺处理植物秸秆,此时系统综合质量更小,封闭度更高(图4)。因此,封闭度的大小取决于设计服役时间和任务需求,只有登月或火星探测等长时间、远距离的空间任务,才有必要选择高封闭度的系统构型。但无论选择何种构型,在系统设计时都必须遵循一条基本原则——物质平衡,只有这样才能保证系统长期稳定运行。系统“输入”与“输出”相结合BLSS技术发展至今,尚未能实现物质循环的完全封闭。一方面,航天员所需的食盐、味精等调味品,以及肥皂、清洁剂等卫生用品都无法实现完全再生,必须定期“输入”。另一方面,航天员在日常生活中产生的尿液、粪便和生活垃圾,高等植物在生长过程中产生的不可食生物量,经适当处理后,一部分可以被还原成生物可利用的形态,参与物质循环;另一部分则只能被储存起来,作为“输出”排出系统。系统的“输入”与“输出”在质量和元素组成上必须完全相同才能在较长时间内维持系统的总体平衡。类似的,各级子系统之间的物质交换也应遵循这一规律。不同饮食结构的研究人在缺少食物的情况下大约可以存活一个月,在缺水状态下大约可以存活3d,而在缺少O2的状态下则只能存活6～8min。因此,在进行系统设计时气体平衡和水平衡必须优先予以考虑。假设系统内有机物的降解是在好氧条件下进行,该过程所消耗的O2全部由光合作用来提供。当耗氧速率与产氧速率相等,即自养生物的同化商(assimilationquotient,AQ)与异养组分的呼吸商(respirationquotient,RQ)相等时,系统内气体循环过程即实现了平衡。AQ与RQ用公式来表示都是V[CO2]/V[O2],但是符号所表示的意义却不相同。AQ是指自养生物在单位时间内吸收CO2与放出O2的体积比。而RQ则是指异养生物在单位时间内产生的CO2与消耗O2的体积比,在这里将其概念进行扩展,不仅包括生物过程,还包括物理化学分解等非生物过程。高等植物的同化过程可近似用公式(3)来表示。当环境条件稳定时,其AQ可保持相对稳定。aCO2+bH2O+cNH3+dHNO3+eH2SO4→fO2+gC1HxOyNzSu(3)而异养组分,尤其是人,其RQ会随着饮食结构的不同而发生较大的变化,如公式(4)所示。a[proteins]+b[fats]+c[carbohydrates]+d[O2]→e[CO2]+f[H2O]+g[urine]+h[feces](4)营养物质无论是在体内还是体外氧化,其消耗的O2量与CO2产生量都取决于物质的化学组成。营养物质种类不同,其C、H、O的含量也不相同,故RQ也不相同。糖类代谢的RQ等于1,如公式(5)所示。(CΗ2Ο)n+nΟ2→nCΟ2+nΗ2ΟRQ=nmolCΟ2nmolΟ2=1.00(5)(CH2O)n+nO2→nCO2+nH2ORQ=nmolCO2nmolO2=1.00(5)脂肪代谢的RQ约为0.70～0.71,以甘油三油酸酯为例,如公式(6)所示。C57Η104Ο2+80Ο2→57CΟ2+52Η2ΟRQ=57molCΟ280molΟ2=0.71(6)C57H104O2+80O2→57CO2+52H2ORQ=57molCO280molO2=0.71(6)蛋白质在体内的代谢过程非常复杂,通过对人体所需的20多种氨基酸进行分析,可以估算蛋白质代谢的RQ约为0.80～0.85。以苯丙氨酸为例,假设氮元素的代谢产物为尿素,如公式(7)所示。2C9Η11ΝΟ2+20Ο2→17CΟ2+9Η2Ο+CΟ(ΝΗ2)2RQ=17molCΟ220molΟ2=0.85(7)2C9H11NO2+20O2→17CO2+9H2O+CO(NH2)2RQ=17molCO220molO2=0.85(7)航天员的膳食由糖类、脂肪和蛋白质混合而成,因此RQ会随着饮食结构的不同在0.7～1.0之间变动。通常,中国人混合膳食的呼吸商约为0.85。在系统运行过程中,可以通过改变食谱来调节空气中O2和CO2的浓度。例如当CO2浓度较高时,可以增加脂肪的摄入量,少吃糖类和蛋白质,从而减少RQ,降低CO2的浓度,反之亦然。系统内水的循环和蒸发BLSS中废水主要包括生理代谢废水(呼出的湿气、汗水、尿液和粪便中的水分等),卫生废水(包括洗脸、洗澡、洗衣等个人卫生废水),食品加工和用餐过程中产生的废水,高等植物和类土壤基质等蒸发到空气中的水分,以及各种物化设备运行过程产生的废水等。传统的环控生保系统主要采用物理/化学方法对废水进行再生,尽管效率很高,但是设备复杂、能耗大。在BLSS中,水的深度净化则主要依靠高等植物的蒸腾作用进行。通常情况下,植物每产生1kg干生物量可蒸发200～1000L水。这些水汽经冷凝收集和紫外杀菌后可作为卫生用水,其中一部分再经离子交换、活性炭吸附、消毒和补充微量元素,便可用作饮用水和食品加工用水。系统内水的循环是依靠生物机制自动调节的。以人体水代谢过程为例,通常人体摄入水量(饮用水和食品中的水分)小于排水量,这是因为食物摄入到人体以后发生氧化代谢,产生一定量的水,如公式(2)所示。摄入水量加上生理代谢产水量,其数值与生理排泄水量相等,从而维持人体的水代谢平衡。对于高等植物来说,该过程正好相反。系统内水的消耗过程并不是连续的,而高等植物的蒸腾作用则无时无刻不再进行。在