新鮮果蔬在長(zhǎng)期載人航天中的應(yīng)用及挑戰(zhàn)

董海勝 ，張 平 ，曹 平 ，臧 鵬 ,*，孫京超 ，趙新林 ，趙 偉

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，航天營(yíng)養(yǎng)與食品工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100094；2.國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心（天津），農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市農(nóng)產(chǎn)品采后生理與貯藏保鮮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

國(guó)外載人航天實(shí)踐證實(shí)，航天員在軌飛行食譜中的航天食品大部分是在地面加工好的預(yù)包裝食品，長(zhǎng)期航天飛行任務(wù)進(jìn)食這種形式的航天食品，會(huì)使航天員產(chǎn)生食譜疲勞甚至抵觸情緒，食欲降低導(dǎo)致進(jìn)食量下降甚至產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)不良風(fēng)險(xiǎn)[1]。在2016版《中國(guó)居民膳食指南》[2]膳食寶塔中指出：蔬菜和水果居第二層，每天建議攝入量分別為300~500 g和200~400 g，足見(jiàn)果蔬在健康膳食中的重要作用。新鮮果蔬是天然維生素和礦物質(zhì)來(lái)源，對(duì)于長(zhǎng)期處于密閉隔離的航天器中的乘組航天員來(lái)說(shuō)，食譜中配置新鮮果蔬對(duì)乘組航天員的心理健康具有積極影響，是一種很好的心理調(diào)節(jié)劑，其特有的質(zhì)地和豐富的膳食纖維可以增進(jìn)航天員的食欲、預(yù)防便秘，是最受航天員青睞的航天食品類型之一[3]。

新鮮果蔬在載人航天中的應(yīng)用主要有兩種形式。一種是地面攜帶，通過(guò)飛行器將地面的新鮮果蔬運(yùn)輸?shù)教窄h(huán)境食用；一種是太空在軌種植新鮮果蔬，自給自足。對(duì)于長(zhǎng)期載人航天飛行任務(wù)，受飛行器載荷質(zhì)量及體積限制，通過(guò)地面攜帶的方式供應(yīng)水果將不現(xiàn)實(shí)，地外空間種植新鮮果蔬必然是未來(lái)長(zhǎng)期載人航天營(yíng)養(yǎng)食品供給的重要途徑。同時(shí)，新鮮果蔬種植是地外空間生物再生生命保障系統(tǒng)研究中的主要組成部分，發(fā)揮的重要作用包括生產(chǎn)食物、凈化CO2、制造O2、廢物循環(huán)利用和水凈化循環(huán)等。本文通過(guò)分析和綜合比較新鮮果蔬在載人航天中的應(yīng)用實(shí)踐案例，旨在闡述受控生物再生生命保障系統(tǒng)中的果蔬栽培的現(xiàn)狀及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，從而為開(kāi)展新鮮果蔬航天應(yīng)用研究提供參考。

1 新鮮果蔬地外空間種植的研究進(jìn)展

自從尤里·阿列克謝耶維奇·加加林于1961年首次進(jìn)入太空以來(lái)，載人航天實(shí)踐已經(jīng)走過(guò)了50余年的歷程，航天食品由最初的壓縮式及牙膏管式逐步發(fā)展到接近地面化，國(guó)外很早就在載人航天飛行任務(wù)食譜中配置了新鮮果蔬。新鮮果蔬通過(guò)地面攜帶或者太空種植方式供給，其流程和需要考慮的因素各不相同，如圖1所示。到目前為止，通過(guò)地面攜帶的方式應(yīng)用于航天任務(wù)的新鮮果蔬包括蘋果、青椒、甜橙、香蕉、胡蘿卜及芹菜等，這些果蔬均是通過(guò)載人航天器或貨運(yùn)飛船上行，是航天員飛行食譜中很小的組成部分，數(shù)量和品種遠(yuǎn)不能滿足需求，屬于飛行食譜中的奢侈品種[4-6]。近年來(lái)，航天科技工作者均已把目光投向月球、火星及深空載人探測(cè)等地外空間飛行或駐留任務(wù)，任務(wù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)將以年計(jì)，在地外空間種植營(yíng)養(yǎng)可口的作物食材供乘員在航天飛行中食用將變得愈加重要[7-8]。一直以來(lái)，航天生物和食品科技工作者致力于在軌栽培高等植物和評(píng)估航天飛行環(huán)境對(duì)植物影響的研究，包括在失重飛機(jī)試驗(yàn)、短期載人飛行任務(wù)和中長(zhǎng)期地外空間駐留任務(wù)如禮炮號(hào)空間站、和平號(hào)空間站以及國(guó)際空間站上實(shí)施的多項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目[9]。

表1 主要航天果蔬栽培實(shí)踐概覽Table 1 Overview of main cultivation practices of fruit and vegetables in space

自從人類的第一個(gè)禮炮號(hào)空間站誕生以來(lái)，植物栽培試驗(yàn)一直是每個(gè)空間站計(jì)劃中的重要部分。自1971年“綠洲”1號(hào)植物栽培系統(tǒng)隨載人飛船開(kāi)始太空飛行，目前人類已進(jìn)行了許多不同的植物栽培試驗(yàn)。表1是部分載人航天植物栽培實(shí)踐概覽。在過(guò)去的40年里，科研人員共進(jìn)行了50多個(gè)不同的植物試驗(yàn)，利用20多個(gè)植物栽培系統(tǒng)在太空共栽培了40多種不同種類的植物，包括紅薯、小麥、大豆、菠菜、生菜、蘿卜、胡蘿卜、花椰菜、花生、稻谷、微型芽苗菜、羽衣甘藍(lán)、甜菜、西紅柿、洋蔥、蕪菁、青椒、加拿大油菜、牛皮菜、草莓、菊、鷹嘴豆、小扁豆、黃瓜及辣椒等[9-12]。植物栽培飛行試驗(yàn)通常采用小艙，用來(lái)研究植物在重力減少的封閉環(huán)境中的活動(dòng)與發(fā)育，其在生命保障系統(tǒng)中并不發(fā)揮主要作用。早期的在軌栽培系統(tǒng)非常具有探索性，主要是基礎(chǔ)性觀察，關(guān)注點(diǎn)是航天飛行環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響或與提供適宜在軌受控環(huán)境有關(guān)的技術(shù)研發(fā)[13]。通過(guò)對(duì)植物栽培裝置的子系統(tǒng)實(shí)施持續(xù)改進(jìn)以及對(duì)植物在太空環(huán)境中的反應(yīng)進(jìn)行不斷了解，目前最新的功能最全的植物生長(zhǎng)系統(tǒng)是蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)（VegetableProductionSystem，簡(jiǎn)稱為 Veggie）[14]。我國(guó)相繼開(kāi)展了石刁柏空間搭載試驗(yàn)、番茄開(kāi)花結(jié)果研究等，主要針對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)研究，栽培尚不具備可持續(xù)性，還不適宜較大規(guī)模、較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)空間植物栽培[15-18]。2016年，在神舟十一號(hào)載人飛船和天宮二號(hào)組合體任務(wù)中首次實(shí)施了在軌植物栽培試驗(yàn)，種植的蔬菜品種為生菜，其長(zhǎng)勢(shì)良好；同年開(kāi)展了“綠航星際”4人180 d受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)，在艙內(nèi)栽培了20多種植物，其中包括小麥、馬鈴薯、甘薯等糧食作物，大豆、花生等油料作物，生菜、莧菜、小白菜等蔬菜，草莓和櫻桃番茄等水果[19]。

2 新鮮果蔬地外空間種植面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 植物分子生物學(xué)特性的變化

航天飛行環(huán)境下觀察到植物的主要次生代謝變化是貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的組織變化，在軌獲取的種子的營(yíng)養(yǎng)組成與地面不同。太空生長(zhǎng)植物在淀粉含量、次生代謝物合成方面的變化可能會(huì)影響其萌發(fā)活力和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，也可能對(duì)植物作為食材的風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有影響。在地面重力條件下，細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖是結(jié)合在一起的，而在微重力環(huán)境下則是獨(dú)立的。低重力的環(huán)境下，細(xì)胞生長(zhǎng)與增殖的變化，會(huì)直接影響植物生長(zhǎng)與發(fā)育，并由此影響到食材的生產(chǎn)。在微重力環(huán)境中細(xì)胞增殖增強(qiáng)，細(xì)胞生長(zhǎng)減慢，可能是重力抗性機(jī)制的作用結(jié)果[9]。微重力下植物基因表達(dá)的變化有以下幾方面：①熱休克相關(guān)基因出現(xiàn)了過(guò)度表達(dá)；②根毛正常發(fā)育所必需的重要基因的表達(dá)下調(diào)；③與應(yīng)激反應(yīng)、防御、代謝等相關(guān)的蛋白表達(dá)明顯增加，而與植物激素代謝和運(yùn)輸有關(guān)的蛋白表達(dá)明顯減少[26]。因此，掌握相關(guān)基因在微重力環(huán)境下的表達(dá)機(jī)制，將有助于選擇能很好適應(yīng)重力變化應(yīng)激的植物，從而選育出適應(yīng)航天微重力環(huán)境下或行星低重力環(huán)境下食材制備所需的植物。

2.2 微重力的影響

在微重力條件下，水在表面張力的作用下會(huì)圍繞植物根系形成一個(gè)邊界層，阻礙根的呼吸過(guò)程，從而導(dǎo)致根部缺氧。在早期的在軌植物栽培試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)觀察到植物出現(xiàn)類似缺氧的組織形態(tài)變化，因此非常有必要研發(fā)微重力環(huán)境下適用的灌溉系統(tǒng)，以便根部呼吸和有效提供水和養(yǎng)分[14]。

微重力環(huán)境下幾乎不存在自發(fā)性的空氣對(duì)流，這種情況對(duì)植物生長(zhǎng)極為不利。當(dāng)通風(fēng)不暢時(shí)，在植物組織表面就會(huì)形成隔離層，增加了組織代謝產(chǎn)生的氣體擴(kuò)散傳遞的阻力，造成在植物葉面、根系表面的氣體交換受阻，持續(xù)的植物生命活動(dòng)如呼吸作用、光合作用又使局部區(qū)域的氣體組成（如O2、CO2）發(fā)生變化，導(dǎo)致氣體和揮發(fā)性有機(jī)物的累積，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致乙烯濃度很高，由于乙烯具有植物毒性，能夠阻斷或誘導(dǎo)多種代謝通路，因此高乙烯濃度會(huì)抑制根和胚軸的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致植物生命活動(dòng)受到抑制[20-21]。缺乏空氣對(duì)流，也會(huì)導(dǎo)致植物光合作用速度下降及葉面的蒸騰作用減弱，引起葉面溫度升高[9]。為了使植物能夠在微重力下正常生長(zhǎng)，確保重要生命活動(dòng)如發(fā)芽、植物繁殖的正常，必須給予充足的通風(fēng)，采用精確的大氣控制系統(tǒng)，將植物代謝產(chǎn)生的乙烯清除。研究植物周圍氣體環(huán)境包括植物生長(zhǎng)模擬試驗(yàn)中的氣體環(huán)境，對(duì)于大規(guī)模太空果蔬食材的生產(chǎn)至關(guān)重要。

在微重力環(huán)境下，一個(gè)高效而可靠的灌溉及養(yǎng)分供給系統(tǒng)不僅要具備提供水、養(yǎng)分和充足通風(fēng)的功能，還要考慮航天器操作和安全性方面的約束條件[14,22]。小顆粒土壤能使根區(qū)具有良好的水分分布，但會(huì)阻止土壤形成良好的透氣性；而大顆粒土壤雖然能使土壤具有良好的透氣性，但顆粒之間的空隙趨于由空氣填充，而非只有水，這就導(dǎo)致了根部水分缺乏。微重力環(huán)境下缺乏浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流，導(dǎo)致根的有效養(yǎng)分供給和透氣受到阻礙。由于毛細(xì)作用力的原因，微重力環(huán)境下的水趨于在供水管周圍聚集，阻止了水分均一地到達(dá)根部，造成了養(yǎng)分供給困難。行星及月球表面的灌溉系統(tǒng)可以利用低重力的優(yōu)勢(shì)，其灌溉系統(tǒng)與地面養(yǎng)分供給系統(tǒng)類似。許多飛行試驗(yàn)證實(shí)，植物在微重力下發(fā)育正常，也就是說(shuō)只要通風(fēng)充足，植物的整體結(jié)構(gòu)不會(huì)因缺乏重力而發(fā)生改變。不過(guò)根部的生長(zhǎng)比地面對(duì)照組更隨意，尤其是側(cè)根趨于發(fā)達(dá)[20,25]。

2.3 光照的影響

在地球軌道進(jìn)行植物栽培的早期，光照由熒光燈提供，后改為發(fā)光二極管（LED），包括紅光、藍(lán)光及綠光。LED是一種質(zhì)量輕、體積小、發(fā)光壽命長(zhǎng)、發(fā)光熱效應(yīng)低的固態(tài)光源，這些特性是作為太空植物光照的理想候選光源所必需的。植物生長(zhǎng)速度與光照度有直接的相關(guān)性，植被面的減少意味著需要大量的能量。利用LED光替代傳統(tǒng)的高壓鈉燈或熒光燈，可以使單位生長(zhǎng)面積的能耗減少一個(gè)數(shù)量級(jí)，聯(lián)合使用有針對(duì)性的冠層光照和LED頻譜優(yōu)化可以顯著減少太空和地面植物光照能耗，而且之前的研究已經(jīng)證明植物對(duì)紅色和藍(lán)色波長(zhǎng)光的吸收最好，這樣就可以減少對(duì)高強(qiáng)度光照的需求[14,27]?？侩娏φ彰魉a(chǎn)生的能源負(fù)擔(dān)仍然是大規(guī)模植物生產(chǎn)的一個(gè)限制性因素。利用到達(dá)行星或月球表面的太陽(yáng)光也可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的。除了LED燈，還可以利用陽(yáng)光收集系統(tǒng)收集太陽(yáng)光，然后通過(guò)波導(dǎo)光纖將光傳輸進(jìn)溫室艙[20]。

關(guān)于失重條件下植物根的研究揭示出了更多的向地性代謝旁路和植物如何根據(jù)重力向量方向生長(zhǎng)，以及關(guān)于重力抗性的機(jī)理，重力抗性對(duì)重力向量的量級(jí)很敏感。植物根的在軌生長(zhǎng)對(duì)定向光源表現(xiàn)出很強(qiáng)的消極向光性，而且會(huì)向根冠的相反方向生長(zhǎng)。了解植物不同的向性生長(zhǎng)機(jī)制及其如何影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，將有助于我們更有效地利用植物為未來(lái)長(zhǎng)期飛行任務(wù)進(jìn)行食物生產(chǎn)[4]。

2.4 航天器內(nèi)受限空間

受航天器質(zhì)量及體積的限制，挑選產(chǎn)量高且植株矮小的植物品種至關(guān)重要。矮化植物品種包括矮化小麥、矮化櫻桃西紅柿、矮化稻谷、矮化青椒、矮化大豆及矮化豌豆等，這些已在軌以及在地外空間模擬居住艙內(nèi)栽培成功。采用遺傳工程專門培養(yǎng)適應(yīng)受限空間和航天飛行環(huán)境的植物品種是一種可行的方式[11]。

2.5 在軌種植果蔬的采后保鮮

在軌種植的新鮮果蔬采摘后，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)其保鮮期，需要采取適宜的保鮮措施，可能用到的保鮮技術(shù)主要包括物理、化學(xué)和生物方法等，如低溫、減壓、氣調(diào)、天然精油抑菌、可食膜保鮮、輻照保鮮、生物酶保鮮等技術(shù)[28-33]。同時(shí)需要兼顧在軌廢棄物處理、航天器空間、在軌能耗等航天特殊環(huán)境的要求和限制，綜合確定最佳的在軌保鮮技術(shù)手段。

3 結(jié)論

新鮮果蔬應(yīng)用于載人航天，其供給方式主要有兩種模式，即地面發(fā)射攜帶及地外空間種植。新鮮果蔬的地外空間種植目前還處于試驗(yàn)階段，而且現(xiàn)有的植物栽培飛行試驗(yàn)通常采用小艙，用來(lái)研究植物在重力減少的封閉環(huán)境中的活動(dòng)與發(fā)育，其在生命保障系統(tǒng)中并不發(fā)揮主要作用。地面空間微重力、光照等特殊環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)有很大的影響。在微重力條件下，流體行為發(fā)生根本變化，植物周圍形成隔離層，導(dǎo)致植物與周圍物質(zhì)交換變得困難，保證栽培基質(zhì)的通氣和植物表面氣體對(duì)流具有挑戰(zhàn)性?？臻g微重力下進(jìn)行植物光合、蒸騰和呼吸作用效率的測(cè)定與評(píng)價(jià)也具有較大難度，需要采取相應(yīng)的技術(shù)手段予以解決；同時(shí)，航天器內(nèi)有限的空間使得將小型、收獲指數(shù)高的作物作為優(yōu)選種類。綜上，地外空間栽培收獲新鮮果蔬任重而道遠(yuǎn)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)攻關(guān)方向需要重點(diǎn)解決航天特殊環(huán)境下果蔬種植園藝學(xué)特性和栽培技術(shù)，新鮮果蔬食材清洗消毒等預(yù)處理技術(shù)。