受控生态生命保障系统(俗称太空农场)是未来开展月球和火星永久驻留与开发所必需的生命保障系统，其主要通过粮食、蔬菜等高等植物的光合作用和微生物的分解作用并辅以空间站相关技术，快速、高效、持续地为航天员提供食物、氧气和水等生存必需品，是未来航天技术发展的重要瓶颈技术。本书重点介绍了该技术的基本概念、作用意义、发展历史与现状，与月球和火星表面环境紧密相关的植物栽培、食品加工、废物循环和物质流动态平衡调控等重大关键技术突破的情况，植物栽培关键技术空间在轨验证以及该学科的未来发展方向等。
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序前言
第一篇绪论
第1章概念、构成、原理与应用3
1.1背景分析3
1.2基本概念4
1.3基本理论和原则要求6
1.3.1生态学和生态系统理论6
1.3.2CELSS特点7
1.3.3CELSS基本研究方法10
1.3.4CELSS基本设计原则11
1.4基本结构构成与运行模式12
1.4.1基本结构构成12
1.4.2基本运行模式14
1.5主要研究任务16
1.5.1总体技术方案16
1.5.2环境控制技术16
1.5.3物质生产技术16
1.5.4食品收获与加工技术16
1.5.5废物再生技术16
1.5.6系统集成技术17
1.5.7极地和空间验证技术17
1.5.8原位资源利用技术17
1.6重要作用与意义18
1.6.1降低补给需求和改善乘员心理状态18
1.6.2在地面上具有重要潜在应用价值20
1.7小结23
参考文献23
第2章国内外研究历史与现状26
2.1国外研究历史与现状26
2.1.1总体概况26
2.1.220世纪50～60年代27
2.1.320世纪70年代29
2.1.420世纪80年代32
2.1.520世纪90年代35
2.1.621世纪初40
2.2国内研究历史与现状45
2.3小结47
参考文献49
第3章总体约束条件及发展思路54
3.1长期生命保障物质供给需求分析54
3.2CELSS所面对的星球表面外部环境条件分析55
3.3CELSS构建影响因素分析57
3.3.1重力58
3.3.2地形58
3.3.3大气压力58
3.3.4大气CO2浓度58
3.3.5光照58
3.3.6温度59
3.3.7高能辐射60
3.3.8水60
3.3.9植物栽培基质60
3.4CELSS基本特性和运行要求61
3.4.1系统基本特性要求61
3.4.2系统基本运行要求61
3.5发展CELSS的总体边界约束条件分析62
3.6CELSS技术发展的基本思路分析64
3.6.1总体研究路线图64
3.6.2主要研究领域65
3.6.3技术实施时间表和路线图规划66
3.7未来主要研究任务分析68
3.7.1近期研究任务68
3.7.2中期研究任务70
3.7.3远期研究任务72
3.6小结74
参考文献74
第二篇物质生产技术
第4章植物筛选与栽培技术79
4.1筛选标准与优先原则79
4.1.1基本筛选标准79
4.1.2优先选择原则80
4.2筛选基本方法81
4.2.1基本筛选思路81
4.2.2基本筛选方法82
4.2.3基本打分示例分析82
4.2.4综合计算分析方法83
4.3筛选主要结果84
4.3.1国外基本情况84
4.3.2国内基本情况90
4.4植物基本栽培要求92
4.4.1作物生长条件设置及原则92
4.4.2作物生长条件基本调控方法94
4.4.3植物基本栽培措施95
4.5小结103
参考文献104
第5章植物光照条件优化调控技术106
5.1光照对植物的作用与意义106
5.2植物光合作用的基本概念109
5.3植物光照条件优化措施113
5.3.1光能利用率基本概念113
5.3.2光源种类选择114
5.3.3光质调控116
5.3.4光强调控117
5.3.5光周期调控119
5.3.6光照方式调控119
5.4植物光照优化研究进展120
5.4.1光源优化120
5.4.2光强优化121
5.4.3光质优化124
5.4.4光周期优化126
5.4.5光照方式优化129
5.5植物光照未来发展方向分析132
5.6小结134
参考文献134
第6章植物大气条件调控技术139
6.1大气温度对植物生长发育的影响139
6.1.1不同植物对大气温度的一般要求139
6.1.2大气温度对植物生长和光合作用效率的影响140
6.1.3大气高温对植物生长的影响及对策141
6.1.4大气温度对植株开花的影响143
6.1.5大气温度对植物产量和品质的影响144
6.2大气通风条件对植物生长的影响148
6.2.1气流速度对叶片边界层阻力的影响149
6.2.2气流速度对植物光合与蒸腾作用效率的影响150
6.2.3气流速度对植物释放乙烯的影响151
6.3大气CO2浓度对植物生长的影响154
6.3.1CO2浓度对植物形态学和病虫害抑制的影响154
6.3.2高CO2浓度对植物光合与蒸腾作用效率及水利用率的影响155
6.3.3高CO2浓度对植物其他生理代谢活动的影响160
6.3.4高CO2浓度对作物产量和营养品质的影响162
6.4小结168
参考文献168
第7章大气乙烯对植物生长的影响及其净化技术172
7.1植物生长过程中乙烯产生规律及机理172
7.1.1植物生长过程中乙烯产生规律172
7.1.2植物生长过程中乙烯产生机理177
7.2封闭环境中乙烯对植物生长与发育的影响及机理180
7.2.1乙烯抑制植物生长和加速器官老化180
7.2.2乙烯引起植物叶片偏上和叶片纵向卷曲生长182
7.2.3乙烯对植物光合作用效率的影响183
7.2.4乙烯对植物开花与繁殖的抑制作用184
7.3乙烯对植物向重性反应的影响186
7.4密闭环境中乙烯浓度控制技术187
7.4.1高锰酸钾氧化技术188
7.4.2光催化氧化技术188
7.4.3微生物空气过滤技术191
7.5小结193
参考文献194
第8章弱磁场构建技术及其植物生物学效应197
8.1弱磁场的基本概念197
8.2弱磁场环境构建技术198
8.2.1国外进展情况198
8.2.2国内进展情况201
8.2.3零磁场屏蔽技术存在问题与发展方向202
8.3弱磁场对植物发芽、向重性及生长与发育的影响203
8.3.1弱磁场对植物发芽的影响203
8.3.2弱磁场对植物向重性的影响204
8.3.3弱磁场对植物胚轴生长的影响206
8.3.4弱磁场对植株生长与发育的影响207
8.4弱磁场对植物细胞繁殖和分化的影响209
8.4.1弱磁场对植物细胞结构组成和分裂的影响209
8.4.2弱磁场对细胞和亚细胞超微结构的影响210
8.5弱磁场对植物生理学和生物化学的影响212
8.5.1弱磁场对植物生理学的影响212
8.5.2弱磁场对植物生物化学的影响213
8.6弱磁场对植物繁殖和遗传变异的影响213
8.6.1弱磁场对植物开花的影响213
8.6.2弱磁场对植物遗传变异的影响214
8.7弱磁场对植物隐花色素信号传导及基因表达的影响214
8.8弱磁场生物学效应的可能作用机理217
8.9小结218
参考文献218
第9章微藻培养技术224
9.1微藻在CELSS中的作用和地位224
9.1.1作为膳食营养补充224
9.1.2清除CO2及释放O2225
9.1.3生物固氮与废水处理226
9.2藻种选择226
9.3空间微藻光生物反应器研制技术228
9.3.1反应器设计根据228
9.3.2反应器基本组成229
9.3.3反应器主体与藻液循环技术230
9.3.4光照技术231
9.3.5藻液CO2供给与pH调控技术237
9.3.6藻液溶解氧脱除技术239
9.3.7藻液养分调控技术240
9.3.8藻液环境温度控制技术241
9.4微藻培养技术研究进展241
9.4.1空间环境对微藻形态结构和生理生化活动的影响242
9.4.2空间微藻光生物反应器关键技术验证244
9.4.3微藻在CELSS中的集成验证技术246
9.5小结248
参考文献248
第10章动物和食用菌培养技术253
10.1CELSS中引入动物和食用菌的意义253
10.2动物和食用菌选用的一般原则及种类255
10.2.1动物和食用菌选用一般原则255
10.2.2拟选用的动物和食用菌一般种类255
10.3水生动物养殖技术256
10.3.1C.E.B.A.S.构建技术257
10.3.2饵料对鱼类生长、产量和营养品质的影响261
10.4陆生动物养殖技术268
10.4.1桑蚕培养技术及作用268
10.4.2黄粉虫培养技术及作用270
10.5食用菌培养技术271
10.5.1食用菌培养基质基本制备方法271
10.5.2动物粪便对食用菌培养的影响272
10.5.3细菌对食用菌生长的促进作用273
10.6小结274
参考文献275
第三篇资源回收与原位资源利用技术
第11章固废处理技术281
11.1废物基本种类及典型成分分析281
11.1.1废物基本种类分析281
11.1.2固废典型成分分析282
11.2固废处理基本原则要求与方法种类282
11.2.1固废处理基本原则要求282
11.2.2固废处理基本方法283
11.3固废生物处理法284
11.3.1固废好氧微生物反应器降解技术284
11.3.2固废厌氧微生物反应器降解技术293
11.3.3类土壤基质制备技术298
11.4生物与物化相结合的固废降解技术300
11.4.1生物+物化降解处理法300
11.4.2物理萃取+微生物降解处理法302
11.5物理及化学固废处理技术303
11.5.1焚烧法303
11.5.2交变电场+过氧化氢氧化法304
11.6小结306
参考文献306
第12章废水处理技术310
12.1废水种类及其处理基本要求、方法和流程310
12.1.1废水种类310
12.1.2废水处理基本要求311
12.1.3废水处理基本方法311
12.1.4废水流处理基本流程313
12.2微生物反应器处理技术314
12.2.1好氧生物反应器废水处理技术314
12.2.2厌氧生物反应器废水处理技术327
12.2.3厌氧+好氧生物反应器废水处理技术329
12.2.4生物+物化废水处理技术330
12.3植物废水处理与利用技术331
12.3.1作物直接利用尿液技术331
12.3.2作物直接利用生活污水技术333
12.3.3耐盐植物吸收与分离钠盐技术334
12.3.4植物利用废水后处理液的可行性评价335
12.4藻类废水处理技术336
12.4.1微藻处理尿液技术336
12.4.2大藻处理尿液技术337
12.5小结337
参考文献338
第13章废气处理技术341
13.1微量有害气体的基本种类、浓度及控制要求341
13.2空气净化途径总体概况343
13.3物理净化法345
13.3.1颗粒过滤法345
13.3.2物理吸附法345
13.4化学净化法348
13.4.1化学吸附法348
13.4.2化学氧化法349
13.5物化净化法361
13.6生物净化法362
13.6.1微生物空气净化法362
13.6.2植物空气净化法363
13.7不同废气处理技术比较364
13.8小结365
参考文献366
第四篇系统集成技术
第14章系统集成硬件条件保障技术371
14.1舱体结构系统371
14.1.1形状、材质、结构构成与布局371
14.1.2舱门、递物窗和观察窗373
14.1.3舱内外接口界面374
14.2大气管理系统375
14.2.1温湿度与通风控制子系统375
14.2.2压力控制子系统375
14.2.3大气再生子系统376
14.2.4污染物和微生物控制子系统385
14.2.5烟火监测与火灾控制子系统386
14.3水管理系统386
14.4植物栽培系统388
14.4.1舱体结构子系统389
14.4.2大气环境控制子系统389
14.4.3植物光照子系统389
14.4.4栽培结构子系统390
14.5微藻/动物/食用菌培养系统395
14.6食物管理系统396
14.7废物管理系统396
14.8乘员生活和医学保障系统397
14.9数据、视频、音频、远程专家支持系统398
14.10其他配套系统399
14.10.1试验、样品采集与测试分析设施399
14.10.2储备及应急保障设施399
14.10.3舱外支持设施399
14.11当前国内外CELSS建设概况400
14.12小结401
参考文献401
第15章系统集成综合调控技术405
15.1物质流调控方案设计405
15.1.1物质流调控方法设计405
15.1.2物质闭合度设计411
15.2植物部件批次栽培方法412
15.3乘员作息制度安排414
15.3.1美国Bio-Plex集成试验乘员工作负荷及作息安排414
15.3.2日本CEEF集成试验乘员工作负荷及作息安排420
15.3.3我国2人30d集成试验乘员工作负荷及作息安排421
15.4食品管理制度制定及补充食品准备422
15.4.1食品安全标准制定422
15.4.2食谱设计423
15.5进舱人员选拔与训练及伦理审查428
15.5.1进舱人员选拔与培训基本条件要求与程序428
15.5.2进舱人员伦理审查429
15.6进舱人员医监医保及心理学支持方案及条件准备430
15.6.1试验前医监医保实施及正式试验条件准备430
15.6.2试验期间医监医保工作430
15.6.3出舱后医监医保工作431
15.6.4进人试验中止医学指标431
15.6.5进舱人员心理支持432
15.7环境医学要求与评价方法432
15.7.1系统环境医学条件要求432
15.7.2系统环境医学评价方法433
15.8小结434
参考文献435
第16章系统宜居性、安全性与可靠性保障措施437
16.1系统宜居性设计437
16.1.1宜居性基本概念437
16.1.2宜居性基本设计考虑437
16.2系统安全性设计438
16.2.1安全性基本概念438
16.2.2安全性基本设计考虑438
16.3系统可靠性设计440
16.3.1可靠性基本概念440
16.3.2可靠性基本设计方法441
16.4小结459
参考文献459
第17章系统集成技术研究重要进展461
17.1俄罗斯BIOS-3集成试验461
17.1.1植物培养总体情况461
17.1.2生保物质生产与废物循环基本情况462
17.1.3其他相关试验研究及经验教训464
17.2美国LMLSITF集成试验465
17.2.1食物生产与加工466
17.2.2大气再生与净化468
17.2.3水管理471
17.2.4固废处理与养分回收476
17.2.5经验与教训477
17.3日本CEEF集成试验479
17.3.12人7d集成试验481
17.3.22人14d/2人28d集成试验486
17.3.3特点、不足与进一步发展方向487
17.4我国“绿航星际”4人180dCELSS集成试验487
17.4.1总体情况概述487
17.4.2主要研究结果489
17.5小结492
参考文献492
第五篇地面极地和空间环境中技术验证及育种
第18章地面极端环境中关键技术验证497
18.1CELSS极地模拟地点的选择标准497
18.2南北极作为CELSS模拟基地所具备的优势条件498
18.3美国南极CELSS模拟计划498
18.3.1总体概况498
18.3.2CAAP试验平台500
18.3.3南极食物生产舱509
18.4ESA南极康科迪亚基地技术验证512
18.5德国南极EDENISS温室模拟器技术验证513
18.5.1EDENISS温室总体情况介绍513
18.5.2EDENISS温室运行及植物栽培情况514
18.6美国与加拿大北极高纬度地区关键技术验证517
18.6.1闪线火星北极研究站水利用试验517
18.6.2阿瑟？克拉克火星温室519
18.7技术转化与应用520
18.8小结521
参考文献522
第19章空间微重力环境中关键技术验证524
19.1在轨植物栽培关键技术总体验证技术与方法524
19.1.1设备总体结构设计可行性评价524
19.1.2在轨种子播种524
19.1.3栽培基质管理525
19.1.4大气环境条件管理525
19.1.5植物光照条件管理526
19.1.6植株生长照料与监视管理527
19.1.7植株光合作用效率测定与生殖辅助管理527
19.1.8采样、采收、成分分析与食品安全性评价527
19.2国内外总体研究情况527
19.3苏联“礼炮号”系列空间站时代植物栽培技术研究528
19.3.1“绿洲”系列529
19.3.2“花盆”与“孔雀石”530
19.3.3“生物重力效应装置”、“生物磁力效应装置”及“光组件”530
19.3.4“植物”系列531
19.4苏联/俄罗斯“和平号”空间站以及美国卫星及航天飞机时代植物栽培技术研究532
19.4.1“光”空间温室及光-气体交换测量系统532
19.4.2美国卫星植物栽培系统535
19.4.3植物栽培单元和植物栽培装置536
19.4.4宇宙栽培装置和植物通用生物处理装置536
19.5国际空间站时代植物栽培技术研究538
19.5.1高级宇宙栽培装置538
19.5.2生物量生产系统539
19.5.3Lada空间温室540
19.5.4欧洲模块化栽培系统及植物试验单元541
19.5.5高级生物学研究系统543
19.5.6蔬菜生产系统544
19.5.7高级植物栽培装置545
19.6我国空间植物装置研究情况546
19.6.1空间高等植物培养装置546
19.6.2空间蔬菜栽培装置547
19.7空间植物栽培关键技术分析548
19.7.1大气环境条件控制548
19.7.2栽培基质水分供给550
19.7.3栽培基质养分供给551
19.7.4植物光照552
19.7.5植物良种选育553
19.7.6环境与生理参数测量554
19.8小结555
参考文献555
第20章航天育种技术进展与展望560
20.1基本概念、作用意义及总体概况560
20.2研究目标和内容561
20.2.1科学目标561
20.2.2应用目标562
20.2.3研究内容563
20.3主要技术途径565
20.3.1航天搭载材料选择565
20.3.2航天搭载技术565
20.3.3航天搭载植物种子材料突变体分离和地面选育技术566
20.3.4航天搭载植物组培苗材料突变体分离选择和地面选育技术567
20.4近期地面重要研究与应用进展568
20.4.1我国航天育种发展现状568
20.4.2农业领域应用成果572
20.5未来发展考虑574
20.5.1总体思路574
20.5.2航天育种促进相关技术发展575
20.6小结577
参考文献578
京公网安备 11010102004214号