新鲜果蔬在长期载人航天中的应用及挑战

董海胜 ，张 平 ，曹 平 ，臧 鹏 ,*，孙京超 ，赵新林 ，赵 伟

（1.中国航天员科研训练中心，航天营养与食品工程重点试验室，北京 100094；2.国家农产品保鲜工程技术研究中心（天津），农业农村部农产品贮藏保鲜重点实验室，天津市农产品采后生理与贮藏保鲜重点实验室，天津 300384）

国外载人航天实践证实，航天员在轨飞行食谱中的航天食品大部分是在地面加工好的预包装食品，长期航天飞行任务进食这种形式的航天食品，会使航天员产生食谱疲劳甚至抵触情绪，食欲降低导致进食量下降甚至产生营养不良风险[1]。在2016版《中国居民膳食指南》[2]膳食宝塔中指出：蔬菜和水果居第二层，每天建议摄入量分别为300~500 g和200~400 g，足见果蔬在健康膳食中的重要作用。新鲜果蔬是天然维生素和矿物质来源，对于长期处于密闭隔离的航天器中的乘组航天员来说，食谱中配置新鲜果蔬对乘组航天员的心理健康具有积极影响，是一种很好的心理调节剂，其特有的质地和丰富的膳食纤维可以增进航天员的食欲、预防便秘，是最受航天员青睐的航天食品类型之一[3]。

新鲜果蔬在载人航天中的应用主要有两种形式。一种是地面携带，通过飞行器将地面的新鲜果蔬运输到太空环境食用；一种是太空在轨种植新鲜果蔬，自给自足。对于长期载人航天飞行任务，受飞行器载荷质量及体积限制，通过地面携带的方式供应水果将不现实，地外空间种植新鲜果蔬必然是未来长期载人航天营养食品供给的重要途径。同时，新鲜果蔬种植是地外空间生物再生生命保障系统研究中的主要组成部分，发挥的重要作用包括生产食物、净化CO2、制造O2、废物循环利用和水净化循环等。本文通过分析和综合比较新鲜果蔬在载人航天中的应用实践案例，旨在阐述受控生物再生生命保障系统中的果蔬栽培的现状及面临的技术挑战，从而为开展新鲜果蔬航天应用研究提供参考。

1 新鲜果蔬地外空间种植的研究进展

自从尤里·阿列克谢耶维奇·加加林于1961年首次进入太空以来，载人航天实践已经走过了50余年的历程，航天食品由最初的压缩式及牙膏管式逐步发展到接近地面化，国外很早就在载人航天飞行任务食谱中配置了新鲜果蔬。新鲜果蔬通过地面携带或者太空种植方式供给，其流程和需要考虑的因素各不相同，如图1所示。到目前为止，通过地面携带的方式应用于航天任务的新鲜果蔬包括苹果、青椒、甜橙、香蕉、胡萝卜及芹菜等，这些果蔬均是通过载人航天器或货运飞船上行，是航天员飞行食谱中很小的组成部分，数量和品种远不能满足需求，属于飞行食谱中的奢侈品种[4-6]。近年来，航天科技工作者均已把目光投向月球、火星及深空载人探测等地外空间飞行或驻留任务，任务时长达将以年计，在地外空间种植营养可口的作物食材供乘员在航天飞行中食用将变得愈加重要[7-8]。一直以来，航天生物和食品科技工作者致力于在轨栽培高等植物和评估航天飞行环境对植物影响的研究，包括在失重飞机试验、短期载人飞行任务和中长期地外空间驻留任务如礼炮号空间站、和平号空间站以及国际空间站上实施的多项科学研究项目[9]。

表1 主要航天果蔬栽培实践概览Table 1 Overview of main cultivation practices of fruit and vegetables in space

自从人类的第一个礼炮号空间站诞生以来，植物栽培试验一直是每个空间站计划中的重要部分。自1971年“绿洲”1号植物栽培系统随载人飞船开始太空飞行，目前人类已进行了许多不同的植物栽培试验。表1是部分载人航天植物栽培实践概览。在过去的40年里，科研人员共进行了50多个不同的植物试验，利用20多个植物栽培系统在太空共栽培了40多种不同种类的植物，包括红薯、小麦、大豆、菠菜、生菜、萝卜、胡萝卜、花椰菜、花生、稻谷、微型芽苗菜、羽衣甘蓝、甜菜、西红柿、洋葱、芜菁、青椒、加拿大油菜、牛皮菜、草莓、菊、鹰嘴豆、小扁豆、黄瓜及辣椒等[9-12]。植物栽培飞行试验通常采用小舱，用来研究植物在重力减少的封闭环境中的活动与发育，其在生命保障系统中并不发挥主要作用。早期的在轨栽培系统非常具有探索性，主要是基础性观察，关注点是航天飞行环境对植物生长的影响或与提供适宜在轨受控环境有关的技术研发[13]。通过对植物栽培装置的子系统实施持续改进以及对植物在太空环境中的反应进行不断了解，目前最新的功能最全的植物生长系统是蔬菜生产系统（VegetableProductionSystem，简称为 Veggie）[14]。我国相继开展了石刁柏空间搭载试验、番茄开花结果研究等，主要针对基础生物学研究，栽培尚不具备可持续性，还不适宜较大规模、较长时间的连续空间植物栽培[15-18]。2016年，在神舟十一号载人飞船和天宫二号组合体任务中首次实施了在轨植物栽培试验，种植的蔬菜品种为生菜，其长势良好；同年开展了“绿航星际”4人180 d受控生态生保系统集成试验，在舱内栽培了20多种植物，其中包括小麦、马铃薯、甘薯等粮食作物，大豆、花生等油料作物，生菜、苋菜、小白菜等蔬菜，草莓和樱桃番茄等水果[19]。

2 新鲜果蔬地外空间种植面临的技术挑战

2.1 植物分子生物学特性的变化

航天飞行环境下观察到植物的主要次生代谢变化是贮藏营养物质的组织变化，在轨获取的种子的营养组成与地面不同。太空生长植物在淀粉含量、次生代谢物合成方面的变化可能会影响其萌发活力和营养物质含量，也可能对植物作为食材的风味和营养价值有影响。在地面重力条件下，细胞生长与增殖是结合在一起的，而在微重力环境下则是独立的。低重力的环境下，细胞生长与增殖的变化，会直接影响植物生长与发育，并由此影响到食材的生产。在微重力环境中细胞增殖增强，细胞生长减慢，可能是重力抗性机制的作用结果[9]。微重力下植物基因表达的变化有以下几方面：①热休克相关基因出现了过度表达；②根毛正常发育所必需的重要基因的表达下调；③与应激反应、防御、代谢等相关的蛋白表达明显增加，而与植物激素代谢和运输有关的蛋白表达明显减少[26]。因此，掌握相关基因在微重力环境下的表达机制，将有助于选择能很好适应重力变化应激的植物，从而选育出适应航天微重力环境下或行星低重力环境下食材制备所需的植物。

2.2 微重力的影响

在微重力条件下，水在表面张力的作用下会围绕植物根系形成一个边界层，阻碍根的呼吸过程，从而导致根部缺氧。在早期的在轨植物栽培试验中，经常会观察到植物出现类似缺氧的组织形态变化，因此非常有必要研发微重力环境下适用的灌溉系统，以便根部呼吸和有效提供水和养分[14]。

微重力环境下几乎不存在自发性的空气对流，这种情况对植物生长极为不利。当通风不畅时，在植物组织表面就会形成隔离层，增加了组织代谢产生的气体扩散传递的阻力，造成在植物叶面、根系表面的气体交换受阻，持续的植物生命活动如呼吸作用、光合作用又使局部区域的气体组成（如O2、CO2）发生变化，导致气体和挥发性有机物的累积，有时会导致乙烯浓度很高，由于乙烯具有植物毒性，能够阻断或诱导多种代谢通路，因此高乙烯浓度会抑制根和胚轴的生长，最终导致植物生命活动受到抑制[20-21]。缺乏空气对流，也会导致植物光合作用速度下降及叶面的蒸腾作用减弱，引起叶面温度升高[9]。为了使植物能够在微重力下正常生长，确保重要生命活动如发芽、植物繁殖的正常，必须给予充足的通风，采用精确的大气控制系统，将植物代谢产生的乙烯清除。研究植物周围气体环境包括植物生长模拟试验中的气体环境，对于大规模太空果蔬食材的生产至关重要。

在微重力环境下，一个高效而可靠的灌溉及养分供给系统不仅要具备提供水、养分和充足通风的功能，还要考虑航天器操作和安全性方面的约束条件[14,22]。小颗粒土壤能使根区具有良好的水分分布，但会阻止土壤形成良好的透气性；而大颗粒土壤虽然能使土壤具有良好的透气性，但颗粒之间的空隙趋于由空气填充，而非只有水，这就导致了根部水分缺乏。微重力环境下缺乏浮力驱动的对流，导致根的有效养分供给和透气受到阻碍。由于毛细作用力的原因，微重力环境下的水趋于在供水管周围聚集，阻止了水分均一地到达根部，造成了养分供给困难。行星及月球表面的灌溉系统可以利用低重力的优势，其灌溉系统与地面养分供给系统类似。许多飞行试验证实，植物在微重力下发育正常，也就是说只要通风充足，植物的整体结构不会因缺乏重力而发生改变。不过根部的生长比地面对照组更随意，尤其是侧根趋于发达[20,25]。

2.3 光照的影响

在地球轨道进行植物栽培的早期，光照由荧光灯提供，后改为发光二极管（LED），包括红光、蓝光及绿光。LED是一种质量轻、体积小、发光寿命长、发光热效应低的固态光源，这些特性是作为太空植物光照的理想候选光源所必需的。植物生长速度与光照度有直接的相关性，植被面的减少意味着需要大量的能量。利用LED光替代传统的高压钠灯或荧光灯，可以使单位生长面积的能耗减少一个数量级，联合使用有针对性的冠层光照和LED频谱优化可以显著减少太空和地面植物光照能耗，而且之前的研究已经证明植物对红色和蓝色波长光的吸收最好，这样就可以减少对高强度光照的需求[14,27]。靠电力照明所产生的能源负担仍然是大规模植物生产的一个限制性因素。利用到达行星或月球表面的太阳光也可以实现节省能耗的目的。除了LED灯，还可以利用阳光收集系统收集太阳光，然后通过波导光纤将光传输进温室舱[20]。

关于失重条件下植物根的研究揭示出了更多的向地性代谢旁路和植物如何根据重力向量方向生长，以及关于重力抗性的机理，重力抗性对重力向量的量级很敏感。植物根的在轨生长对定向光源表现出很强的消极向光性，而且会向根冠的相反方向生长。了解植物不同的向性生长机制及其如何影响植物的生长发育，将有助于我们更有效地利用植物为未来长期飞行任务进行食物生产[4]。

2.4 航天器内受限空间

受航天器质量及体积的限制，挑选产量高且植株矮小的植物品种至关重要。矮化植物品种包括矮化小麦、矮化樱桃西红柿、矮化稻谷、矮化青椒、矮化大豆及矮化豌豆等，这些已在轨以及在地外空间模拟居住舱内栽培成功。采用遗传工程专门培养适应受限空间和航天飞行环境的植物品种是一种可行的方式[11]。

2.5 在轨种植果蔬的采后保鲜

在轨种植的新鲜果蔬采摘后，为了进一步延长其保鲜期，需要采取适宜的保鲜措施，可能用到的保鲜技术主要包括物理、化学和生物方法等，如低温、减压、气调、天然精油抑菌、可食膜保鲜、辐照保鲜、生物酶保鲜等技术[28-33]。同时需要兼顾在轨废弃物处理、航天器空间、在轨能耗等航天特殊环境的要求和限制，综合确定最佳的在轨保鲜技术手段。

3 结论

新鲜果蔬应用于载人航天，其供给方式主要有两种模式，即地面发射携带及地外空间种植。新鲜果蔬的地外空间种植目前还处于试验阶段，而且现有的植物栽培飞行试验通常采用小舱，用来研究植物在重力减少的封闭环境中的活动与发育，其在生命保障系统中并不发挥主要作用。地面空间微重力、光照等特殊环境对植物生长有很大的影响。在微重力条件下，流体行为发生根本变化，植物周围形成隔离层，导致植物与周围物质交换变得困难，保证栽培基质的通气和植物表面气体对流具有挑战性。空间微重力下进行植物光合、蒸腾和呼吸作用效率的测定与评价也具有较大难度，需要采取相应的技术手段予以解决；同时，航天器内有限的空间使得将小型、收获指数高的作物作为优选种类。综上，地外空间栽培收获新鲜果蔬任重而道远，未来的发展趋势和技术攻关方向需要重点解决航天特殊环境下果蔬种植园艺学特性和栽培技术，新鲜果蔬食材清洗消毒等预处理技术。