空间微藻光生物反应器研究进展

王 超， 毛瑞鑫， 唐永康， 张 震， 艾为党， 郭双生*

(1.河北工程大学园林与生态工程学院， 邯郸 056038；2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室， 北京 100094)

1 引言

受控生态生命保障系统(Controlled Ecological Life Support System，CELSS)是在长期密封环境下为载人深空探测或地外星球定居等持续再生食物、O2和水等基本生命保障物资的闭环生态系统[1]。 螺旋藻和小球藻等微藻具有光合效率高、培养面积小、生长繁殖快、营养价值高和富含抗氧化剂等特点，可以作为CELSS 的生物部件，在大气平衡调控和食物稳定性供给等方面起到补充和应急作用。

20 世纪60 年代，美、苏等国就在航天器上搭载了小球藻等微藻，其后，各国均开展了关于CELSS 微藻生物部件的研究[2]。 艾为党等[3]通过建立空间微藻光生物反应器地面样机开展了微藻-小鼠的二元受控生态生保系统研究，表明培养体积为1.6 m3的螺旋藻藻液可以满足一名乘员的O2供给需求。 Yang 等[4]研究发现小球藻的最大产氧能力可以达到15 mmol/(L˙h)，相当于11.52 g/(L˙d)。 然而，受微重力、培养空间和资源紧缺等因素限制，在空间环境下进行微藻的培养面临诸多技术难题，很难实现与地面同等的培养效果。 Poughon 等[5]在空间环境下测定了其研制的反应器中微藻产氧能力最高为0.33 mmol/(L˙h)，估算约2.86 m3的藻液可满足一名乘员的O2需求。 由此可见，空间微藻光生物反应器的运行效率还有较大的提升空间。

本文综述国内外的微藻搭载试验，对空间环境下微藻培养的影响因素和空间微藻光生物反应器的研究现状开展分析，并对当前需要解决的关键技术和问题进行探讨，为后续中国自主研发空间微藻光生物反应器提供参考。

2 空间环境对微藻培养的影响

航天器的微藻培养面临辐射、微重力、真空和极端温度等环境因素的影响。 1960 年，苏联在航天器上搭载了小球藻，发现其可以在空间环境下进行光合作用和生长繁殖等生理生化过程[6]。其后，各国开展了大量的微藻搭载研究，包括绿藻门的小球藻、杜氏盐藻、血球藻和栅藻，蓝藻门的螺旋藻、念珠藻、鱼腥藻和粘球藻，以及多种裸藻等品种，实验结果表明，不同藻类均可以在空间环境下进行生长繁殖。

目前微藻的空间搭载实验已达50 余次[7]，主要的实验结果如表1 所示。 可以看出，虽然针对空间环境对微藻的影响研究已有50 余年，但不同的实验结果不同甚至相反，特别是在次级代谢等方面。 早期的研究认为，空间环境对微藻的影响不显著，如表1 中的发现者号卫星(Dicoverer)和礼炮号空间站(Salyut)上的系列搭载实验[7]。 随着技术进步，研究人员发现，搭载过程中藻细胞会产生性状分离，且在细胞的亚显微结构、生理生化功能和遗传变异等方面会发生显著变化，这可能与空间辐射和微重力等因素的应激响应有关，且不同藻类及同一藻种的不同个体对适应响应都不完全相同[22]。

表1 空间主要微藻搭载实验情况Table 1 Algae experiments flown in space

值得注意的是，随着航天器辐射防护技术的进步，辐射影响变得较小而微重力影响可能占居主导地位。 例如，Cockell 等[17]将小球藻等生物群落在国际空间站外的EXPOSE-E 实验装置中培养了548 d，由于受到紫外线等辐射影响，藻体中类胡萝卜素等光合色素含量显著降低。 同样，在EXPOSE-E 装置中培养的拟甲色球藻和念珠藻，由于直接受到宇宙辐射的影响而发展成了新的种群[17]。 然而，Sytnik 等[10]将小球藻在和平号空间站(Mir)内被培养了30 d，虽然其在亚显微结构和细胞器排布方面发生了显著变化，呈现出淀粉含量降低而脂肪含量增加的趋势，但其在生理生化功能和遗传变异方面差异不显著。 微重力对微藻的影响可能存在一个适应响应的过程。 李根保等[23]研究表明，变重力能诱导生物膜结构重排而引起脂质过氧化，此时抗氧化系统启动导致脂质过氧化下降并趋于稳定，因此这是一种细胞的自适应性调控反应。 王高鸿等[15]也发现，空间环境会对微藻的光合系统产生损伤，但微藻可以通过结构上的改变进行适应性生长。 由此可见，只要在航天器内的培养条件得当，微藻可以适应空间环境进行正常的生理活动，从而发挥其作为CELSS 生物部件的功能。

3 空间微藻光生物反应器

空间光生物反应器(Space Photobioreator， SPBR)是在空间环境下为微藻提供适宜光照、温度、CO2和氮、磷等营养物质并对其培养环境和培养过程进行调节和控制的系统。 不同于地面，该技术不仅需要面临微重力下培养基(液态)、CO2(气态)和藻细胞(固态)三相流管理的难题，还需要克服资源紧张和空间集约的困难[24]，加之航天发射和运维成本高昂，因此目前相关研究较少。

3.1 Arthrospira-B

Arthrospira-B 是欧空局微生态生保系统(MELiSSA)项目中探究空间环境条件对微藻及光生物反应器培养过程影响的实验项目[5]。 2017 年12 月，由法国和比利时联合设计的4 个反应器(图1)在国际空间站哥伦布舱内的生物实验机柜进行了为期5 周的在轨实验，旨在验证其运行效果和光合速率等在线监测系统的可靠性。 反应器由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene， PTFE)膜分隔为液室和气室两部分，其中液室体积为51 mL，气室体积为24 mL。 反应器完全密封，不与外界进行物质交换，螺旋藻光合作用所需的碳源由培养基中的HC3提供。 光合作用产生的O2通过PTFE 膜进入气室后定期排出。 每个反应器集成到一个独立装置(IEC，尺寸110 mm× 140 mm×150 mm，体积2.2 L，质量4.7 kg)内，可以实现藻液循环、补给和收集，并对藻生物量和光合效率进行检测。 藻种为螺旋藻(Limnospira indica PCC8005)，使用改良的Zarrouk 液体培养基，pH 为9.5。

图1 Arthrospira-B 反应器的硬件组成[5]Fig.1 Structure and hardware for one photobioreactor of Arthrospira-B cultivation[5]

在轨实验表明，Arthrospira-B 除一个反应器因硬件原因未正常启动外，其余3 个反应器均进行了4 批次的螺旋藻培养。 这是首个成功完成在轨动态培养的实验，包括多批次的启动、接种、培养、调控和收获等过程，验证了光生物反应器动态培养的可行性，并首次在轨测定了微藻的光合放氧效率，该工况下最高为0.33 mmol/(L˙h)。 然而，虽然反应器已经采取了液路循环和磁力搅拌的混合方式，但仍然存在光合作用产生的O2不能被及时排出液室和管路的问题。 此外，该反应器中没有pH 调节部件，剧烈的基质pH 变化也一定程度上影响了运行效率。

3.2 PBR＠LSR

PBR＠LSR(The Experiment Photobioreactor at the Life Support Rack)同样属于MELiSSA 的研究项目，由德国斯图尔特大学和德国空间中心设计，实验材料为小球藻，有效培养体积约为650 mL，是目前规模最大的空间微藻光生物反应器。 不同于Arthrospira-B 等项目以培养基质中的碳酸盐为碳源，该实验将基于物化再生式环控生保技术的LSR(Life Support Rack)和基于生物再生式环控生保技术的微藻光生物反应器(PBR)结合，PBR利用来自LSR 的CO2进行光合作用，产生的O2供给乘员呼吸，是首个将物化再生和生物再生相结合的验证研究项目[25]。

2019 年5 月，PBR 被送达国际空间站的Destiny 空间实验室，并与EXPRESS Rack Locker 机柜进行集成联试。 PBR 主要包括2 部分:微藻实验舱(Experiment Compartment，EC)和藻液交换部件(Liquid Exchange Device，LED)，如图2、图3 所示。 藻液交换部件为乘员提供2 个注射器以进行在轨操作，一个注射器注入基质补充养分、调节酸碱度，另一个抽取等体积藻液，其中部分用于样品分析。 实验舱的体积大约10 L，包含环境控制系统和微藻悬浮培养回路(A1gae Suspension Loop，ASL)，可以进行O2、CO2、湿度、温度、藻生物量和pH 的检测与控制。 ASL 是小球藻进行光合作用的主要场所，采用2 个跑道式反应器的串联设计，通过FEP 膜进行藻液和大气间的O2和CO2气体交换，如图4 所示。 PBR 的运行原理是:来自LSR的CO2输入到微藻实验舱后，通过FEP 膜进入ASL 的藻液进行光合作用，产生的O2通过FEP膜进入舱室，并被O2吸收组件储存。 当舱内O2浓度达到25%以上时，和实验舱内剩余的气体被一同排出舱外供给乘员呼吸。

图2 微藻实验舱[25]Fig.2 Experiment Compartment of microalgae[25]

图3 藻液交换部件[25]Fig.3 Liquid Exchange Device[25]

图4 ASL 的结构示意图[25]Fig. 4 The schematic setup and components of the ASL[25]

PBR＠ LSR 的设计寿命为180 d，但遗憾的是，在其运行到第15 天时因一些硬件原因导致断电停机而未能完成预定实验任务[21]。 实验正常运行期间，飞行组的生物量在前10 天迅速增长，之后由于基质养分不足而下降，而对照组在前14天基本稳定不变。 此外，实验发现飞行组的藻液光密度显著高于地面对照，可能是因为微重力环境下藻细胞的沉降和粘附效应降低而导致藻细胞在藻液内均匀分布所致。 以上实验结果表明，空间环境下可能更有利于微藻的快速生长。

3.3 水生生物二元生态系统

中国空间微藻培养技术的研究起步较晚，但在研究之初就基于生态系统的概念进行设计。 刘永定等[13]将小球藻/澳洲水泡螺以及异养鞭毛藻和小球藻等组合，封装在8 mL 的样品管中飞行了15 d，是首个基于二元水生生态系统进行研究的实验。 实验中，作为消费者的异养鞭毛藻和水泡螺消耗小球藻产生的O2，并为其提供光合作用的原料CO2。 结果发现，异养鞭毛藻和小球藻的组合能够正常存活，而水泡螺在培养第8 天死亡，可能与培养基质内CO2浓度过高有关，说明在生态系统运行过程中如何管理微藻的光合作用来控制O2和CO2的平衡至关重要。

2011 年，由中科院水生所和德国空间中心设计的实验装置被搭载于神舟八号飞船飞行了17.5 d，如图5 所示[18]。 反应器由Aeroseal 膜分隔为体积为15 mL 的上腔和45 mL 的下腔，下腔接种眼虫作为主要生产者，上腔接种3 只澳洲水泡螺作为消费者以及小球藻作为次要生产者。 实验结果发现，飞行组2 只澳洲水泡螺一只存活、一只死亡，而地面组均存活。 微藻种群方面，裸藻数量显著增加，且受光照吸引从下腔移动到上腔(地面组上腔裸藻数量为下腔的29 倍，飞行组为2.6 倍)；小球藻数量显著减少(地面组下降为初始浓度的24%，飞行组为9%)。 分析氮、磷利用率等发现，空间搭载可能引起了微藻的氧化应激反应而降低了系统的初级生产力，加之反应器规模较小和微重力下气体交换不足等因素，这样小球藻未能保持种群丰度，从而最终导致水泡螺因食物不足而死亡。

图5 神州八号搭载的光生物反应器[18]Fig.5 The PBR flown on SZ-8[18]

4 关键技术分析

通过分析当前的空间搭载实验结果可以看出，微藻可以在空间环境下生存，且其生长、代谢和遗传等方面具有一定的稳定性，因此可以作为生物部件进行开发。 然而，要实现规模化的动态培养、发挥微藻在CELSS 中参与大气平衡调控和食物补给的功能，必须依靠空间光生物反应器。鉴于技术复杂、成本高昂和限制条件多等因素，空间微藻光生物反应器技术的研究还较少，许多搭载项目均出现了意外，影响到实验结果，甚至导致任务失败。 今后空间微藻的应用研究尚有以下关键问题需要解决。

4.1 建立微藻物质流平衡生长模型

中国两次搭载实验中，引起水泡螺死亡的主要原因是生产者与消费者之间的物质流关系不匹配。 为此，必须全面掌握培养环境(温度、光照、pH 和基质盐浓度)对微藻生产能力(O2和有机质等)和消费能力(CO2和矿物元素等)的影响规律，作为操作变量以建立微藻生长模型和智能控制策略。 通过做好培养环境和基质的管理等，以便实现微藻的受控稳定培养[5，26]。

4.2 研制高效空间微藻光生物反应器

空间微重力的存在导致S-PBR 中藻类的CO2供给和O2脱除几乎只能通过膜曝气的方式进行[27]，这就极大限制了反应器的设计选择。 目前规模最大的反应器为PBR＠LSR，其有效培养体积仅为650 mL，能发挥的生保功能非常有限。后续，需要基于膜曝气技术进行S-PBR 的光照、供气、循环(气体交换)和基质管理等方面的优化以提高工作效率，同时通过模块化设计实现多个反应器的串、并联工作，以提高S-PBR 的稳定性和冗余度，进而实现多批次的微藻连续培养。

4.3 开展系统级实验研究

目前，已经在地面上开展了一系列包含微藻的受控生态生保系统研究，如BIOS-I[2]、生物圈2号[28]和绿航星际180 项目[29]等，欧空局的MELiSSA 项目更是针对水生生态的概念开展了大量研究，建立了系列地面样机[30]。 然而，目前在空间开展的系统级实验只有PBR＠ LSR 和中科院水生所的搭载实验。 因此，S-PBR 与其他生保系统集成后的接口匹配等问题还有待进一步研究。

5 小结

本文综述了国内外开展的空间微藻搭载试验和光生物反应器技术研究进展，发现虽然空间环境对微藻的形态、生理生化反应和遗传变异等方面有一定影响，但通过光生物反应器可以实现微藻的在轨培养，并且已经开展了空间验证研究。目前相关研究还处于初步阶段，尚未实现微藻的规模化受控连续稳定培养，距离真正作为受控生态生保系统的生物部件，发挥环控生保功能还有很大差距。 2022 年中国将建成空间站，为进一步探究和验证微藻的空间光生物反应器培养技术提供更多的资源和试验平台。 通过分析得出的亟需解决的关键技术，可为后续在轨驻留、深空探测和月/火驻留等方面的微藻应用研究提供参考。