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。

基于光寻址电位传感器的单细胞传感器设计

为了测量细胞电生理特性和进行药物分析,提出了一种基于光寻址电位传感器(LAPS)的单细胞传感器.用峰峰值为2 mV、频率为1 kHz的正弦信号模拟细胞动作电位,作为传感器的输入信号来观测系统的灵敏度;采用涂敷法和改变器件表面粗糙度的方法,将细胞固定在器件表面以改善传感器灵敏度;选择1μm/mL、10μg/mL两种质量浓度乙酰胆咸(Ach)作为大脑皮层神经细胞的刺激药物,检测在不同浓度药物作用下神经细胞的动作电位.实验结果表明,涂敷法固定细胞提高了传感器的灵敏度,该细胞传感器能够检测出模拟动作电位,并能够检测出不同浓度的乙酰胆碱.

模拟月壤对蓝细菌生长特性的影响

阐明地球生物在月球环境中的适应性是未来月球探索和基地构建所面临的重要课题,为此以蓝细菌为实验材料,对其在模拟月壤cas-1中的生长状态进行了研究,从生长速率、细胞形态、细胞色素含量等方面表征了月壤对蓝细菌适应性的影响。实验结果表明,四种实验蓝细菌的生长能够适应模拟月壤的影响,其生长速率在模拟月壤处理中保持与常规培养基相似的生长曲线;模拟月壤颗粒上附着生长的菌体形态与对照相比无明显变化;模拟月壤处理后的菌体内色素含量与对照条件下培养的结果无显著差异。该结果对于未来开发月壤资源和构建月球基地受控生态生保系统具有重要意义。

月球土壤的生物改良试验:固氮蓝藻对模拟月壤肥力的影响

目的围绕未来月球基地受控生态生保系统就地开发利用月球土壤,以便有效提高系统自给能力。基于地球土壤生物风化原理,研究改良月壤肥力的生物途径。方法利用固氮蓝藻的固氮特性和溶岩特性,以鱼腥藻7120和水华鱼腥藻作为实验菌株,以低钛玄武质模拟月壤作为研究对象,通过模拟月壤中的氮、磷、钾肥力含量和矿质养分含量动态变化,开展为期50天的月壤肥力生物改良实验研究。结果实验过程中鱼腥藻7120和水华鱼腥藻在模拟月壤上的生物量随培养时间增加升高,2种蓝藻培养50天后,模拟月壤中的可溶性氮、总氮含量和有机碳含量显著增加,可溶性Cu、Mn和Mg矿质元素含量明显提高。结论2种固氮蓝藻能够在模拟月壤上正常生长,并能显著改良模拟月壤的氮肥、碳肥和矿质养分水平,研究结果可为未来月球基地基于月壤资源的植物栽培奠定技术基础。

一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置

研究了一种基于碰撞的压电宽频能量收集装置,从理论上分析了该能量收集装置输出开路电压与悬臂梁尖端位移的关系;利用等效电路,分析了负载输出功率与负载电阻的关系,得出了最大输出功率的负载条件.搭建了一套测量系统,以实现对悬臂梁尖端位移和能量收集装置输出电压的测量,得到了能量收集装置随外界振动频率及振动幅度变化的输出特性曲线,并与单梁结构的能量收集装置结果进行了比较.实验结果表明,相比于单悬臂梁结构,基于碰撞的压电宽频能量收集装置能有效地拓宽工作频率范围,实现了宽频能量的收集.

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。

检测大肠杆菌O157:H7的电化学阻抗谱生物传感器的研究

我们提出了用掺锡的三氧化二铟 (ITO)作为工作电极 ,通过硅烷化固定化技术 ,将抗大肠杆菌O15 7:H7单克隆抗体固定在ITO电极表面 ,利用电化学阻抗谱技术来构建一种新型的免疫传感器。该新型的免疫传感器的检测限为 4× 10 3 CFU/mL ,检测线性范围为 4× 10 3 - 4× 10 6CFU/mL。实验研究表明 ,该传感器具有灵敏度较高 ,检测时间短 ,操作简单等优点 ,在临床医学和环境监测中具有应用价值。

2人30天受控生态生保系统物质流调控技术研究

利用受控生态生保系统集成实验平台,进行了2人30天的"人-植物"受控生态系统的大气和水等物质交换和动态平衡调控技术实验,实验过程中对物质流进行研究。试验结果证明系统内大气、水和食物的闭合度分别达到100.0%、84.5%和9.3%,系统能效比达到59.56g/(kW·m2·d);种植面积为13.5 m2的4种共生植物可以满足1人的呼吸需O2量。初步掌握了密闭生态系统中植物与人之间的物质流特性及其动态平衡调控技术,并认识了系统中人、植物和环境三者之间的交互关系,为推动我国长期载人航天受控生态生保技术的深入发展与应用奠定了重要基础。

“微藻-小白鼠”二元生态系统气体交换规律研究

为探讨"微藻-小白鼠"二元生态系统中氧气和二氧化碳交换规律,进一步评价空间微藻光生物反应器地面试验样机生产螺旋藻的能力,开展了螺旋藻和小白鼠的整合试验研究。将微藻光生物反应器和动物活动室组成气路闭环系统,试验期间连续监测系统中氧气和二氧化碳含量、小白鼠的活动状况、藻液p H变化以及藻体浓度含量等指标。试验结果表明,螺旋藻生长良好,系统闭环后促进了藻体的生长;从小白鼠的体征来看,小白鼠生活正常,但对小白鼠的生理影响还需深入研究。螺旋藻和小白鼠间能实现氧气和二氧化碳的完全交换,螺旋藻具有较强的吸收二氧化碳和放氧能力,可作为未来受控生态生保系统中的重要生物部件。

微生物处理空间模拟废水工艺初探

目的开展模拟空间废水处理试验研究,探讨空间废水处理膜生物反应器处理模拟空间废水的较适环境条件,为今后设计空间膜生物反应器提供技术支持。方法利用前期研制的空间废水处理膜生物反应器和驯化后微生物,进行了模拟空间废水处理试验,检测了处理液进口和出口的化学耗氧量(COD)、生物耗氧量(BOD)、总有机碳和总氮的去除效率。结果空间废水处理膜生物反应器发挥最佳工作效能需要的环境条件分别为:pH6.5～7.5,温度24.0～26.0℃,水力滞留时间20 h,碳氮比0.81;在该条件下模拟空间废水的化学耗氧量和生物好氧量下降率均接近90%。结论研制的膜生物反应器可以有效地进行空间模拟废水的处理,适合的工艺条件能明显提高其废水处理效率。

深空探测低压植物栽培装置研制

目的研制低压植物栽培装置,以便开展模拟深空探测低压条件下高等植物栽培技术研究,为建立低压条件下的受控生态生保系统奠定基础。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及装置试运行,最后开展验证实验来检验其技术性能。结果研制成功2套低压植物栽培装置,均能进行低压或常压植物栽培,该装置运行较为稳定,温度、相对湿度、大气总压、O2分压、CO2分压和基质含水量等技术参数均能进行有效的测量和控制。结论该装置各项实际性能指标基本满足设计和实验要求,可用于开展下一步低压植物栽培试验。

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7d培养后,培养液的藻体密度从0.174g(DW)/L增加到4.064g(DW)/L,平均每天的藻蛋白生产能力高达11.1g(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。

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(101kPa)和低压(50kPa)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15d);小麦株高降低,分蘖增加,根系所占比重增加,生育期长5d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50kPa大气压力条件在一定程度上促进了小麦的生长发育。

受控环境中高CO_2浓度条件下油麦菜生长特性研究

目的研究植物在高大气CO2浓度下的生长特性,为空间受控生态生保系统选择生物部件提供依据。方法在受控环境中不同CO2浓度下培养油麦菜,综合评价不同处理下植株的生长状态、生理特性和养分含量。结果0.1%～1.0%CO2浓度能够促进油麦菜植株的光合和蒸腾速率、提高叶绿素和类胡萝卜素的含量,但更高浓度(1.5%～2.0%)CO2则会导致其下降;在0.1%～2.0%CO2浓度条件下,油麦菜植株能够基本正常生长,株高和叶面积都有所增加,但叶片数量却在下降;随着CO2浓度梯度增加,油麦菜植株中氮、钾和Vc的含量下降,磷的含量上升,而微量元素的含量没有明显差异。结论油麦菜植株在高CO2浓度下能够基本正常生长,没有受到严重抑制现象,具有较强耐高CO2浓度的能力,适宜作为受控生态生保系统中的候选生物部件。

^(60)Co-γ射线对螺旋藻生长影响研究初探

目的探讨电离辐射对螺旋藻生长的影响,为今后螺旋藻在受控生态生保系统中的应用奠定基础。方法利用^(60)Co-γ射线辐射源对螺旋藻藻丝体进行不同剂量的辐照处理,然后对不同处理进行相同条件下的再培养,通过观察不同处理间的藻体生长状况、藻丝体形态变化,以及测定藻液的光密度值变化、藻体的光合放氧效率和其它营养生理等指标,考察螺旋藻抗^(60)Co-γ射线辐射的能力。结果螺旋藻受^(60)Co-γ射线辐照后,其生长速率、光合放氧效率、藻丝体长度以及其它营养生理指标均在一定程度上受到影响,但螺旋藻具有较强的抗辐射和自修复能力,其半致死辐射剂量为2.0kGy。结论螺旋藻具有一定的抗辐射能力,可作为今后受控生态生保系统关键生物部件的优先研究对象。

空间乙烯过滤器地面试验样机研制

目的研制成空间乙烯过滤器地面试验样机,采用微生物技术控制受控生态生保系统中高等植物产生的微量乙烯(C2H4),以保障植物的正常生长发育。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及样机试运行,最后进行验证实验来检验其技术性能。结果样机反应器中基质的温度、含水量、pH值以及气体的流量、温湿度等参数均能实行有效控制,反应器中的微生物经过一段时间驯化后,对乙烯气体的最高降解率可达到9.04mg/(m3.h)。结论样机实际性能基本达到了设计要求,运行稳定,可用于控制受控生态生保系统中乙烯气体的浓度。

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。

空间植物栽培装置地面改进样机研制

目的在空间植物栽培装置地面样机研制的基础上,完成空间植物栽培装置地面改进样机的研制,使其工作原理更能适应空间微重力环境条件。方法借鉴空间植物栽培装置地面样机的先期研制经验,在技术方案详细论证与设计的基础上,进行部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试和试运行等。结果该样机可自动而有效地控制栽培室内的大气环境参数和栽培基质水分含量;温湿度控制、冷凝水收集和植物养分供应等工作原理基本满足空间微重力环境条件下的使用要求。结论本样机设计合理,解决了空间植物栽培的大部分关键技术难题,为下一步研制上天产品和开展空间飞行试验研究奠定了重要基础。

长效专用控释肥在受控生态生保系统中应用的实验研究

目的研究并验证长效专用控释肥料在受控生态生保系统中应用的可行性,为未来受控生态生保系统中高等植物的栽培提供合适的养分资源。方法在特定的光照、温度和大气等环境条件下,通过植物栽培实验,进行施肥、不施肥以及不同专用控释肥料品种的生菜培养,比较不同处理下植株的生长形态、测试并分析植株体内的各种营养组分等。结果在不施肥的条件下,植株不能正常生长,施肥能促进植株的正常生长发育;利用肥料1栽培的生菜植株品质好于肥料2栽培的生菜植株。结论所研制的长效控释专用肥料能在受控生态生保系统中应用,针对不同的植物品种应选用不同的肥料品种作为养分资源。

仿生嗅觉神经芯片的研究进展

嗅觉神经芯片是在电子鼻和细胞传感器研究的基础上,在芯片表面培养嗅觉感受神经元所构成的一种神经芯片。该技术是通过用微电极阵列等芯片技术记录气体分子作用于神经元膜表面嗅觉受体产生的动作电位而达到气体检测的一种更具仿生意义的生物电子鼻技术。在嗅觉生物学研究的基础上对嗅觉芯片的研究进行了综合论述,重点介绍了嗅觉细胞的培养和神经芯片技术等嗅觉芯片相关技术的研究进展。并对该领域的应用前景进行了展望。