上海市生物工程学会：2023年用于可持续太空探索的微生物生物制造研究报告（15页）.pdf

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1、 用于太空探索的微生物生物制造 中国科学院上海营养与健康研究所 上海生命科学信息中心 上海市生物工程学会 2023 年 7 月 用于太空探索的微生物生物制造 合成生物学信息参考 2023 年 7 月（总期 137 期）2 用于可持续太空探索的微生物生物制造 编者按编者按：寻找可持续的方法以实现地球资源的独立对未来的空间探索至关重要。这不仅与建立可行的空间探索方案有关，而且与空间废物产生和地外环境保护相关。随着人们对太空探索的兴趣不断增强，任务设计和规划的连贯性和现代化的战略变得越来越重要。生物技术凭借其有效利用原位资源和从废物流中回收资源的能力，已经成为提高恢复力、灵活性和效率的一种很有前途的

2、方法。美国和英国的研究人员 2023 年 3-4 月发表的系列综述文章，提出了利用微生物进行可持续空间探索的路线图，梳理了月球和火星上的 4 个主要任务级别，它们推动了阶段性的生物制造战略。这些技术的进步可能会对地球上建立弹性的循环生物经济产生深远影响。生物技术作为支持人类太空探索的关键是利用当地现有资源的效率（原位资源利用）（In-situ Resource Utilization，ISRU）和利用其他任务产生的废物流和回收其自身产品的能力（闭环，LC）。随着任务的扩大，原位（生物）制造（ISM/bio-ISM）的逐步推进和更广泛实施将带来更大的独立性，使更复杂的任务设计具有扩展的可能，并最

3、终使人类可能实现在整个太阳系中的自给自足。生物制造适合这一目的，因为高容量资源，如固定碳和氮（以及低容量但关键的资源，如矿物），可以在类似于地球生物、地球化学循环的自主系统中进行生产和回收。生物化学还提供了大量的有机化合物，通常具有无与伦比的纯度和选择性，其中许多是无法通过其他方式获得的。因此，研究人员基于地球上目前实施不同技术储备水平（TRL）的过程和技术，提出利用微生物生物制造进行可持续空间探索的路线图。同时，微生物生物制造有望为偏远或艰苦地区的提供综合解决方案，尤其是在消耗品和耐用品供应链无法可靠运输的地区。太空生物制造对应任何可部署的系统，该系统利用生物学作为主要驱动因素，生成复杂的关

4、键任务清单项目，例如，食品、药品和材料配方成分的从头合成。当这些项目有效集成到任务架构中时，生物基流程就可以通过提高自主性、可持续性和弹性来显著降低载人操作的风险，从而释放有效载荷能力。用于太空探索的微生物生物制造 合成生物学信息参考 2023 年 7 月（总期 137 期）3 1.可持续太空探索的微生物生物技术 1.1 栖息地空气栖息地空气的的生物修复生物修复 航天器的环境控制和生命支持系统（ECLSS）可以用于管理供水、大气压力和大气成分（O2、CO2和惰性气体）、温度和相对湿度等，便于人类操作并提供较为舒适的生活环境。国际空间站（ISS）上的 CO2目前是从机舱空气中清除，通过萨巴捷反应

5、转化并回收氧气，同时产生副产品（甲烷）排放到太空中。这种方式有两个缺点：需要氢作为底物，且需要大量能量；氢和碳会流失，需不断补给。如果将 CO2或甲烷回收到有机物中就可改善闭环并保护资源。微生物生物修复可以支持从栖息地大气中去除 CO2，同时还可以补充氧气。捕获的碳可以再次循环利用并重新整合到资源循环中，例如，用于食品/补充剂的生物制造或被隔离用于最终用途（图 1），例如，用于生物混凝土的生产或微生物电解碳捕获，直接从空气捕获中 CO2可以减少对能源密集型辅助过程的需求并缩短回收循环过程。1.2 人类废物处理和回收人类废物处理和回收 人类废物的管理是太空探索面临的重要挑战。解决方案通常集中在如

6、何处理人类废物，例如压实、消毒和处置，而不是回收利用。在国际空间站上，人类排泄物被稳定干燥后排出，在地球大气层中燃烧，但这种处理方法并不适用于长时间的太空任务。实际上，人类固体废物可以用于生产食品和膳食补充剂，或作为微生物或植物生命支持系统（LSS）组件的营养素和肥料（图 1）。为解决这一问题，研究人员提出了许多物理化学方法，例如热解或焚烧，但微生物或可成为更好的解决方案。例如，欧洲航天局（ESA）支持的 MELiSSA 项目（微生态生命支持系统替代方案），包含一系列互连的用于 LSS 的生物反应器，可以利用微生物对各种类型的废物流进行升级再循环，其中包括人类代谢终产物。1.3 食品生产食品生