我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的月壤改良技術(shù)，可以將月壤改造為優(yōu)良的栽培基質(zhì)，保障未來(lái)月球基地的食物需求。

文/廖博陽(yáng)，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。

馮佳界，北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授。

01

月球基地的食物

談到“未來(lái)月球基地中航天員吃什么”這個(gè)話題時(shí)，一些人可能會(huì)想：太空、月球、航天這些“高大上”的字眼預(yù)示著航天員肯定吃高科技食品呀！例如，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)人工合成了淀粉，屆時(shí)月球基地可以使用太陽(yáng)能電池板收集太陽(yáng)能，用高超的生化手段合成航天員所需的食品。怎么也不可能把地球上平平無(wú)奇甚至聽上去有些“土”的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)弄到月球上去吧。

但是，我們不要低估大自然的智慧，也不要低估依托大自然的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。大自然中的生物經(jīng)過億萬(wàn)年的演化，其精巧優(yōu)異的程度往往能夠匹敵甚至超越人類的智慧。例如，植物的葉片就是天然的“太陽(yáng)能電池板”。就效率而言，雖然它們的效率遠(yuǎn)低于“真的”太陽(yáng)能電池板，但這種比較并沒有把后者制造過程中的能量成本計(jì)算在內(nèi)。而且，植物是可以“生物再生”的資源，在沒有任何工業(yè)基礎(chǔ)的月球上，它的再生和維護(hù)幾乎不需要任何成本；太陽(yáng)能電池板就沒有這么省事了，它必須耗費(fèi)火箭燃料從地球運(yùn)送而來(lái)，一旦發(fā)生故障，往往只能送回地球維護(hù)或更新。

此外，作物的栽培勞作對(duì)航天員來(lái)說(shuō)是不可或缺的心理體驗(yàn)，能促進(jìn)人體多巴胺、血清素等神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，降低人體膠質(zhì)糖皮質(zhì)激素的分泌，從而維護(hù)航天員的心理健康。在月球上，航天員在栽培勞作中可以感受與植物的相互依存，讓思鄉(xiāng)之情升華為勞動(dòng)和生命之美，這正是我們探索宇宙的初衷之一。

載人月球基地已列入了我國(guó)月球探測(cè)的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)“探月三期”工程已實(shí)現(xiàn)“六戰(zhàn)六捷”，取得了包括“嫦娥五號(hào)”采樣返回等重大成就。未來(lái)，我國(guó)將開展“探月四期”工程，聯(lián)合多國(guó)建立“國(guó)際月球科研站”。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人類必將實(shí)現(xiàn)在月球的長(zhǎng)期自治生存。但是，如果月球基地所需的生存物資全部從地球運(yùn)輸過來(lái)，由于距離遙遠(yuǎn)，成本將十分高昂。例如，美國(guó)最近研制的“太空發(fā)射系統(tǒng)”單次可運(yùn)輸37噸物資進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，但其單次發(fā)射成本高達(dá)5億美元，到更遠(yuǎn)的火星載人基地的運(yùn)輸則更加困難。因此，必須減少載人基地對(duì)地面物資輸送的需求。

02

月壤栽培實(shí)驗(yàn)

作物栽培是生物再生生命保障系統(tǒng)（Bioregenerative Life Support System, BLSS）的核心功能單元，負(fù)責(zé)產(chǎn)生新鮮的氧氣、食物和水。月壤是月面最為豐富的原位資源，有潛力作為BLSS的作物水培基質(zhì)被大量應(yīng)用，從而大幅減少對(duì)地面物資輸送的需求。與月壤栽培相比，無(wú)固體基質(zhì)的淺水水培穩(wěn)健性差，如發(fā)生機(jī)電故障或空調(diào)系統(tǒng)問題，容易導(dǎo)致栽培系統(tǒng)崩潰，危及航天員生命安全；無(wú)固體基質(zhì)的深水水培則大量占用月面稀缺的水資源，如保障4人生存需長(zhǎng)期占用多達(dá)12噸水。

優(yōu)良的栽培基質(zhì)應(yīng)具備固定作物植株、保水透氣、營(yíng)造適宜的根際環(huán)境等重要功能，而月壤孔隙度低、容重過大、保水透氣性差、顆粒粗糙尖銳，作為水培基質(zhì)尚需較大幅度的改良。對(duì)真實(shí)月壤化學(xué)組成的分析表明，月壤中稀土元素和重金屬元素很少，理論上不具備生物毒性。但是，若用作植物栽培基質(zhì)，真實(shí)月壤中植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如鉀元素）較少，需要額外補(bǔ)充養(yǎng)分，而且植物在低重力條件下對(duì)鉀的吸收量可能增加，導(dǎo)致對(duì)鉀的需求更大。月壤不含有機(jī)物，雖然含有機(jī)物并非栽培基質(zhì)的必備特征（如蛭石為優(yōu)良的基質(zhì)卻不含有機(jī)物），但月壤顆粒未經(jīng)歷過生物風(fēng)化作用，導(dǎo)致其粗糙尖銳，可能會(huì)損傷植物根系。

美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的研究人員利用阿波羅11號(hào)、12號(hào)和17號(hào)任務(wù)收集的月壤樣品，進(jìn)行了栽培擬南芥的實(shí)驗(yàn)，這是迄今僅有的真實(shí)月壤栽培實(shí)驗(yàn)。真實(shí)月壤中的擬南芥確實(shí)發(fā)芽了，但它需要更長(zhǎng)時(shí)間展葉，根部的生長(zhǎng)停滯現(xiàn)象也更多，推測(cè)可能是宇宙射線和太陽(yáng)風(fēng)破壞了月壤，而且月壤中微小的鐵顆粒也對(duì)植物發(fā)育有損害。實(shí)驗(yàn)表明，擬南芥雖然可以在真實(shí)月壤中生長(zhǎng)，但發(fā)育緩慢且出現(xiàn)了脅迫表型，一些與離子脅迫、金屬脅迫、活性氧脅迫相關(guān)的基因顯著上調(diào)。

栽培擬南芥實(shí)驗(yàn)

左側(cè)是模擬月壤栽培的擬南芥，右側(cè)是真實(shí)月壤栽培的擬南芥。

（圖片來(lái)源：modernfarmer.com）

利用模擬月壤進(jìn)行的栽培實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此類似，純模擬月壤中的小麥苗長(zhǎng)僅為蛭石（作為較為理想的栽培基質(zhì)，即陽(yáng)性對(duì)照）中的24.7%，難以滿足生命保障需求。

月壤改良實(shí)驗(yàn)

改良模擬月壤（左）與純模擬月壤（中）、蛭石（右，視作理想栽培基質(zhì)）所栽培的小麥株高（第15 天）對(duì)比，模擬月壤改良的優(yōu)異效果已在地面得到驗(yàn)證。

03

改良月壤

北京航空航天大學(xué)“月宮一號(hào)”團(tuán)隊(duì)成功地利用地球土壤所經(jīng)歷的微生物風(fēng)化作用，采用“月宮365”BLSS實(shí)驗(yàn)的日常產(chǎn)物——有機(jī)固體廢物與模擬月壤開展共發(fā)酵改良，將模擬月壤所栽培的小麥苗長(zhǎng)提升了161%，達(dá)到了蛭石栽培的64%，證明了月壤生物可利用性改良的潛力。

基于月壤的“沃土”是BLSS中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的“十字路口”，它耦合了作物栽培、成土作用、有機(jī)質(zhì)降解、灰分營(yíng)養(yǎng)再利用等關(guān)鍵能流和物循過程。這種“沃土”是BLSS以高能量通量模式運(yùn)行的核心關(guān)鍵部件，研究團(tuán)隊(duì)的下一步工作是揭示“沃土”的生產(chǎn)和維護(hù)機(jī)理。

該技術(shù)在進(jìn)一步改進(jìn)之后，將有望滿足月面生命保障需求，從而不需要挪用月面基地內(nèi)珍貴的、原本可用于實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)、維護(hù)、建設(shè)等工作的人員工時(shí)和能源物資，來(lái)貼補(bǔ)作物栽培和生命保障系統(tǒng)。

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《科學(xué)畫報(bào)》2024年第5期