受控环境因素光和高CO2下植物抗氧化系统的研究进展

在空间生命保障系统中种植一些富含抗氧化剂的新鲜水果和蔬菜能够平衡航天员的饮食营养以减少空间辐射对他们的危害,也有益于他们的身心健康。一般受控生命保障系统中光强较低,CO2浓度较高,而光与CO2会不同程度的影响植物的次级代谢,植物的次生代谢产物因潜在的抗氧化活性对人类的健康起着重要的作用。因此,了解有关光与高CO2对植物次级代谢的影响及其机理具有重要意义,这些理论不仅可以服务于受控生保系统,还可以应用于生产实践,以期增加植物中具有营养或药用价值的抗氧化剂含量。本文针对国内外目前在光及光和高CO2复合处理对植物抗氧化系统影响及其机理方面所做的研究进行综述。     

低压低氧条件下莴苣细胞超微结构及基因特性研究

目的 研究低大气压力下莴苣变种四季油麦菜植株在细胞、亚细胞和分子水平上的结构、组成和数量变化特性.方法 在4种不同总压(101,10,20和30 kPa)条件下培养油麦菜植株,生长40 d后进行根尖细胞骨架免疫荧光定位观察,叶片电镜切片超微结构观察和rbcL基因序列分析.结果 随着总压和氧分压降低,细胞数目减少、体积增...     

密闭系统中四种共培养植物光合作用效率研究

目的 探讨大型密闭系统中几种共培养植物的光合效率等特性,为开展人与植物的物质交换实验提供基础数据.方法 利用受控生态生保系统集成实验平台植物舱开展常压下生菜等4种共培养色拉型蔬菜的光合效率研究.植物共培养面积为36.0 m2;采用Hoagland营养液培养;光源为90％红+10％蓝LED组合光源,光照强度为450μmol·m-2·s-1PPF,光照周期为24 h;根据植物不同生长阶段调节CO2浓度,控制范围为0.2％ ～0.8％.结果 系统运行平稳,环境参数控制状态良好,植物生长状态基本正常;共培养植物产O2量和CO2吸收量平均分别为0.915 kg·d-1和1.204 kg·d-1,植物平均每天能产生约1.1人呼吸所需的O2,同时吸收其排出的CO2.结论 通过该实验,基本掌握植物共培养技术及系统放O2和吸收CO2的能力,可为开展多人多天的受控生态生保系统集成试验研究提供技术支持.     

受控生态生保系统中叶用蔬菜植物品种的筛选

目的为受控生态生保系统筛选合适的叶用蔬菜植物种类及品种。方法在环境参数一致的条件下,对4种散叶生菜品种,1种油麦菜,2种菠菜品种,1种曲麻菜和1种油菜进行栽培,以可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率4个生理特性作为评价指标,对候选植物品种进行筛选。同时在不同CO2浓度(500、1000、1500和2000μmol/mol)和光照强度条件[100、300、500和700μmol/(m2·s)]下对各品种的光合效率和蒸腾效率进行了测量。结果筛选出了“嫩绿奶油”生菜、“大速生”生菜、曲麻菜和四季油麦菜4个植物品种,以及与之相关的适宜CO2浓度为2000μmol/mol,光照强度为700μmol/(m2·s)。结论筛选出的4种植物品种在受控生态生保系统适宜条件下具有较高的可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率等特性,可以作为受控生态生保系统中的生物部件。     

受控生态生保集成试验中植物部件设计与验证

目的设计并验证满足受控生态生保系统集成试验中大气、水以及食物循环需求的植物部件,探索多种高等植物高效生产模式,评估植物连续生产能力。方法以人的营养需求为基础,设计植物栽培面积及种类;通过2人30天CELSS试验平台筛选出适应密闭环境的植物种类,在"绿航星际"-4人180天CELSS集成试验中对植物的生长及生产能力进行验证。结果筛选出25种适应CELSS的植物并优化了栽培条件,评估和比较了不同类植物的生产能力及收获指数,部分粮食及油料作物产量未达预期。结论设计并验证了植物部件在CELSS中的长期运行能力,证明平衡阶段195.36m2可以满足该系统中乘员55%的食物需求,其中28.5m2的种植面积可以完全满足4人对新鲜蔬果的需求。     

不同比例红蓝LED光照对油麦菜生长发育的影响

目的研究红蓝单色光对植物生长的影响,探索其作为植物生长光源的可行性。方法采用白、红和蓝发光二极管的光照条件培养油麦菜,分析和比较油麦菜植株在不同光质下的生长状态、生理特性和养分含量的差异。结果红光促进油麦菜茎叶径向生长,蓝光利于其茎叶横向生长和光合色素合成;油麦菜在全红光下不能正常生长,5%~20%蓝光比例能提高其光合和蒸腾速率、光合色素含量、生物量和大量元素含量,改善其荧光特性。25%~50%蓝光比例使光合色素含量进一步增加,但地上生物量明显下降,根冠比显著增加;红蓝单色光增加了单位面积或功率的生物产量。结论红蓝发光二极管可用于培养油麦菜,且蓝光比例为10%的光照条件最有利于油麦菜生长。     

空间蔬菜栽培装置地面实验样机研制

目的研制成空间蔬菜栽培装置地面实验样机,以便解决空间环境条件下栽培蔬菜的若干关键技术,为下一步研制空间蔬菜栽培装置样机和上天产品,并最终为在我国空间站实现空间蔬菜生产的实验与应用奠定基础。方法在详细技术方案论证与设计的基础上,进行了部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试、试运行和验证实验等。结果该样机栽培室内的温度、相对湿度、风速、总压、O2分压、CO2分压和栽培基质水分含量均实行自动而有效的控制;光源为高效电子荧光灯;平均蔬菜生产量可以 达到60g鲜重·d-1。结论该样机运行平稳,实际性能基本达到了预定的技术指标,部分组件的工作原理能够适应空间微重力环境,从而为今后研制空间蔬菜栽培装置打下了良好基础。     

低压高氧环境中4种莴苣的生长特性研究

目的探索低压和高氧对不同品种莴苣生长特性的影响。方法预培养4种莴苣植株15d,在3种总压(101、54和30kPa)和2种氧分压(21和28kPa)下生长30d。观察植株生长、光合色素、营养组分变化。结果常压(101kPa)和高氧(28kPa)对4种莴苣生长抑制较小,但低压(54kPa和30kPa)和高氧则严重抑制了4种莴苣生长,生物量、叶面积、光合色素和营养组分均显著下降,其中54kPa和30kPa下,4种莴苣植株均出现不同程度死亡;常氧(21kPa)和不同总压(101、54和30kPa)对4种莴苣生长的影响不显著。结论低压(54或30kPa)和高氧(28kPa)抑制4种莴苣生长。莴苣品种③和①生物量累积显著高于品种②和④。     

低大气压力条件下小麦的生长发育研究

目的 研究低压条件下小麦的培养技术,为建立低压受控生态生保系统奠定基础.方法 利用低压植物栽培装置开展小麦培养试验,通过测量和比较常压(101 kPa)和低压(50 kPa)下小麦的光合速率、蒸腾速率、生长状况、产量和籽粒养分含量等生长指标,研究小麦在低压下的生长发育特点.结果 与常压相比,低压下小麦生长基本正常,但生长初期叶片有卷曲发黄现象;平均光合速率和蒸腾速率分别增加9.23%和11.54%(低压处理15 d);小麦株高降低,分蘖增加,根系所占比重增加,生育期长5 d左右;生物量和产量分别增加5.46%和4.39%;小麦籽粒蛋白质和总糖含量有所增加,但其他营养成份含量没有显著差异.结论 50 kPa大气压力条件在一定程度上促进了小麦的生长发育.     

空间微藻光生物反应器地面试验样机研制

目的 针对空间环境条件特点,研制空间微藻光生物反应器地面试验样机,为未来长期空间飞行、深空探测等飞行任务的乘员提供藻蛋白和O2,并清除密闭环境中的CO2等废气.方法 根据未来空间条件下使用要求,进行系统设计、加工,研制成空间微藻光生物反应器,然后进行微藻培养验证实验.结果 该装置共包括生物反应器主体、光源、CO2供应组件、溶氧脱除组件等9个部分.在该装置中,采用了一种新型的光生物反应器主体为微藻的生长提供场所;研制成供气膜功能组件,为微藻提供生长所需的CO2气体,提高了CO2的吸收利用率;采用膜技术,研制成脱气膜功能组件,及时脱除了藻液中的溶解氧,不仅为乘员提供了呼吸用氧,提高了藻体的生长速率,而且大大地降低了空间微重力条件下的气/液分离负荷.验证试验结果表明:该装置系统运行良好,其能耗、体积、藻蛋白生产能力等均满足设计要求.经7 d培养后,培养液的藻体密度从0.174 g(DW)/L增加到4.064 g(DW)/L,平均每天的藻蛋白生产能力高达11.1 g(DW).结论 研制的微藻光生物反应器试验样机运行稳定,藻体生长良好,O2的脱除和CO2的供应原理适合空间微重力环境下使用要求.