走向可持續(xù)的太空探索:利用微生物力量的路線圖

　　摘要

　　尋找可持續(xù)的方法以實現(xiàn)對陸地資源的獨立，對未來的空間探索至關(guān)重要。這不僅關(guān)系到在低地球軌道以外建立可行的空間探索，而且關(guān)系到與產(chǎn)生空間廢物和保護(hù)地外環(huán)境有關(guān)的倫理考慮。在這里，我們提出并強(qiáng)調(diào)了一系列獨特的微生物生物技術(shù)，適用于建立現(xiàn)場資源利用和閉環(huán)的可持續(xù)過程。促進(jìn)空間可持續(xù)性的微生物生物技術(shù)研究和開發(fā)將可轉(zhuǎn)化為地球應(yīng)用，解決陸地環(huán)境問題，從而支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

　　簡介

　　人類可能會傾向于將宇宙視為一個擁有無限資源的豐富寶庫。然而，太空探索的實際情況卻截然不同。隨著公共部門和私營部門都強(qiáng)烈希望將人類活動擴(kuò)大到地球軌道以外，對空間探索和空間開發(fā)的可持續(xù)性的需要正變得更加明顯。在應(yīng)用于太空時，可持續(xù)性的概念通常被理解為“確保所有人類能夠繼續(xù)為和平目的和現(xiàn)在和長期的社會經(jīng)濟(jì)利益利用外層空間”1。到目前為止，主要是指需要控制、調(diào)節(jié)和清除近地軌道(LEO)2、3的空間碎片和行星保護(hù)(促進(jìn)負(fù)責(zé)任的太陽系探索的實施和發(fā)展，以保護(hù)空間環(huán)境和地球)3。隨著人類渴望探索外太空，這一概念的定義發(fā)生了變化和擴(kuò)展，任務(wù)操作的自我可持續(xù)性成為一個關(guān)鍵方面。環(huán)閉合，這意味著資源的回收和再利用，以建立循環(huán)經(jīng)濟(jì)，可以極大地提高空間探索的可持續(xù)性，它不僅是*小化從地球上再供應(yīng)資源的成本，而且是與空間廢物產(chǎn)生和保護(hù)地外環(huán)境相關(guān)的倫理考慮的關(guān)鍵4,5,6,7,8,9,10。聯(lián)合國決定，考慮到《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，外層空間活動應(yīng)盡量減少對空間環(huán)境和地球的影響11、12。

　　在這一前沿領(lǐng)域取得進(jìn)展的*大障礙是缺乏可部署的技術(shù)，使前哨站、擴(kuò)展任務(wù)以及未來的定居點能夠通過就地資源利用(ISRU)和*大限度地回收資源來維持自身5。除了機(jī)械/物理/化學(xué)方法外，廣泛的生物技術(shù)和微生物將有助于實現(xiàn)長期生命維持和棲息地系統(tǒng)的性能(閉環(huán))，以及ISRU、制造和能源收集/儲存6,7,13,14,15,16,17。微生物方法由于其彈性，可以在偶爾的監(jiān)測和維護(hù)下自我維持，并且總體上比物理化學(xué)方法所需的能量更少16。

　　在這里，我們重點討論了微生物在可持續(xù)人類深空探索技術(shù)發(fā)展中可以發(fā)揮的關(guān)鍵作用，考慮了兩個主要方面:(i)需要成熟的生物技術(shù)和生物過程，以允許任務(wù)功能的近閉環(huán)操作，如生命支持，以增加自主性和可持續(xù)性;以及(ii)需要減少人類在太空擴(kuò)大存在對供應(yīng)鏈的依賴。本文提出的方法是基于目前在地球上以不同技術(shù)準(zhǔn)備水平(TRL)實施的過程和技術(shù)，必須進(jìn)行調(diào)整以滿足空間環(huán)境的具體要求和挑戰(zhàn)。為任何特定的太空應(yīng)用選擇*合適的生物工藝和*適用的微生物并非易事，因為地面技術(shù)很少能輕易適應(yīng)太空的惡劣條件18。因此，必須進(jìn)行廣泛的研究和開發(fā)，以提高TRL，使這些技術(shù)能夠在太空中成功實施。*后，旨在提高空間探索可持續(xù)性的微生物生物技術(shù)可能可轉(zhuǎn)化為地球應(yīng)用，以推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，進(jìn)一步支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)11,12。

　　棲息地空氣生物修復(fù)

　　航天器的環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)(ECLSS)管理適合人類操作和有利于舒適生活的水供應(yīng)、大氣壓力和成分(O2、CO2和惰性氣體水平)、溫度和相對濕度。二氧化碳在人類廢物處理及回收

　　人類糞便管理對人類太空探索提出了挑戰(zhàn)，提出的解決方案通常集中在如何壓縮、消毒和處理人類糞便，而不是回收利用它26。目前，在國際空間站上，人類排泄物被穩(wěn)定、干燥并噴射出空間站，在地球大氣中燃燒。這種方法對于遠(yuǎn)距離任務(wù)顯然是不可持續(xù)的，因為它占用了大量潛在有用的資源。固體人類糞便可被用作生產(chǎn)食品和食用補(bǔ)充劑的原料，以及微生物或植物性生命維持系統(tǒng)(LSS)組件的營養(yǎng)素/肥料(圖1)。許多物理化學(xué)方法用于固體廢物管理，如熱解或焚燒，正在被提出26。然而，微生物支持的過程可以通過加強(qiáng)循環(huán)閉合來加強(qiáng)人類廢物的回收。歐洲航天局(ESA)支持的MELiSSA項目(微生態(tài)生命支持系統(tǒng)替代方案)包括一系列用于LSS的互連生物反應(yīng)器;這是一個很好的例子，說明了各種類型的廢物流，包括人類代謝*終產(chǎn)物，可以如何利用微生物進(jìn)行升級循環(huán)5。雖然厭氧廢物處理通常被認(rèn)為比好氧方法時間效率低，但它可以實現(xiàn)與物理化學(xué)過程相當(dāng)?shù)慕到饴?。已?jīng)開發(fā)出一種雙組分系統(tǒng)，它可以厭氧地將液體和固體人類糞便轉(zhuǎn)化為富含蛋白質(zhì)和脂肪的微生物生物量，用于食品生產(chǎn)28。

　　糧食生產(chǎn)

　　在太空中生產(chǎn)糧食的能力對于在長期太空任務(wù)中實現(xiàn)可持續(xù)性和自給自足至關(guān)重要，微生物生物技術(shù)可大大提高這一能力。例如，植物微生物組將在太空作物生產(chǎn)的成功中發(fā)揮關(guān)鍵作用。與人類微生物組一樣，植物相關(guān)的微生物群落為宿主提供了許多好處，例如促進(jìn)植物生長，刺激植物激素的產(chǎn)生，控制病原體，調(diào)節(jié)免疫功能，緩解非生物和生物應(yīng)激29。共生細(xì)菌在溶解環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)并將其轉(zhuǎn)化為生物可利用形式和改善土壤肥力方面也是必不可少的29,30。例如，食品生產(chǎn)中的氮回收可以通過微生物介導(dǎo)的大氣固氮，或通過合成微生物群落介導(dǎo)的尿液硝化來完成(見“人類廢物處理和回收”一節(jié))31。

　　對于長時間的太空旅行，應(yīng)考慮使用農(nóng)業(yè)益生菌，以幫助在太空中生長健壯、穩(wěn)定和健康的作物。在地球上，農(nóng)業(yè)益生菌已被用作植物生物刺激素、生物肥料和改善土壤質(zhì)量的生物修復(fù)。更好地了解植物微生物組的組成和功能在太空飛行中的變化，有助于為太空農(nóng)業(yè)定制益生菌補(bǔ)充劑。例如，根瘤菌接種劑的概念已經(jīng)在實踐中:用選定的細(xì)菌和真菌菌株接種種子，可以提高作物產(chǎn)量和環(huán)境可持續(xù)性35。面向航天飛行的接種物的其他屬性也可能包括有助于*大化資源效率的細(xì)菌/真菌，從而需要更少的投入來實現(xiàn)*佳生長。如前所述，藻類和藍(lán)藻不僅可用于空氣再生，還可作為食物來源和支持植物生長9,20。

　　為了在月球或火星上成功建立人類前哨基地，宇航員必須利用當(dāng)?shù)?原地)資源，如風(fēng)化層(見“土壤修復(fù)”一節(jié))，自己生產(chǎn)食物。農(nóng)業(yè)方法包括土壤農(nóng)業(yè)、水培法、細(xì)胞農(nóng)業(yè)等。以國際空間站的高級植物棲息地為例，建立一個類似溫室的基礎(chǔ)設(shè)施，以及充足的光線、水供應(yīng)、土壤養(yǎng)分和作物生長的其他必要參數(shù)，可能會加強(qiáng)循環(huán)的閉合。這些和其他資源可以從其他(生物支持的)LSS和ISRU隔間中獲得(圖1)。

　　與藥物生物合成越來越相關(guān)的微生物來源是人類腸道微生物群。人類微生物組項目*近的一項宏基因組分析表明，人類相關(guān)細(xì)菌編碼生物合成機(jī)制，以合成大量的次級代謝產(chǎn)物，如小生物活性分子(如抗生素)。許多研究在航天飛行和模擬研究中調(diào)查了腸道微生物組的組成和功能的變化47。可以考慮使用精心策劃的微生物群落(例如由非致病菌株組成的微生物群落)來降低傳染病的風(fēng)險48。

　　Biomining

　　在低軌道軌道之外，基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)成本急劇增加。因此，需要具有成本效益的資源供應(yīng)。一種選擇是通過生物采礦利用目的地現(xiàn)有的就地資源44,49,50,51。生物采礦，即利用微生物從粗礦物(例如，風(fēng)化層)和礦山廢料中提取有價值的金屬，已經(jīng)為適應(yīng)空間應(yīng)用做出了廣泛的努力50,51,53,54,55,56?？臻g生物采礦主要受到經(jīng)濟(jì)因素的限制:生物介導(dǎo)的過程往往比濕法冶金過程更便宜，對環(huán)境的危害更小，但很少能提供同樣高的分離率。然而，考慮到與地球上采礦活動有關(guān)的環(huán)境和健康成本，生物采礦對于各種資源來說已經(jīng)具有成本效益(銅、金、鎳和鈷的開采都在商業(yè)規(guī)模上進(jìn)行)57。

　　化化巖石自養(yǎng)生物(例如，鐵和/或硫氧化微生物)可能適用于硫化物礦物的生物開采，出現(xiàn)在火星或小行星物質(zhì)的各種環(huán)境中58。具有其他營養(yǎng)偏好的微生物(如有機(jī)營養(yǎng)體)、菌群或生物工程技術(shù)可用于其他地方:月球表面主要由硅飽和巖石組成，硫含量一般較低50,54。有機(jī)營養(yǎng)微生物對有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的需求受到空間環(huán)境中碳的可用性的限制，在閉環(huán)系統(tǒng)中至少可以部分滿足(圖1)。

　　微生物從玄武巖54、55、58中提取稀土元素和釩，從l -球粒隕石材料中提取鉑族元素，已在ISS55、56、59上進(jìn)行了驗證。然而，還需要進(jìn)一步的研究來證明這些系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，提高性能，并使該技術(shù)適用于其他感興趣的元素(例如，硅，鐵，鋁)。水、氧、氫以及其他關(guān)鍵分子和元素也可以通過biomining50獲得。這些化合物不僅從生物技術(shù)的角度，而且對任何人類活動都是必不可少的。關(guān)于在月球和火星條件下進(jìn)行生物采礦的能力的知識很少，也缺乏理論特征50,51，而努力提高在太空條件下從地外風(fēng)化層中生物浸出能力，以及發(fā)展生物工程和合成生物學(xué)方法，對成熟技術(shù)至關(guān)重要。

　　雖然從長遠(yuǎn)來看，探礦本質(zhì)上是不可持續(xù)的，因為不可避免地會消耗資源(例如采礦時的礦石)，但生物采礦一般被認(rèn)為比傳統(tǒng)采礦更環(huán)保，因為它避免使用有毒的無機(jī)試劑。這對地外應(yīng)用也很重要，因為它可以減少對輔助資源的需求。有人提出，生物礦化反應(yīng)器可以添加到生物再生LSS50中，從而有助于閉環(huán)和ISRU(圖1)。

　　結(jié)構(gòu)生物制造:生物混凝土，真菌建筑

　　考慮到稀缺的資源可用性，在地球之外建造和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施是一項必要而艱巨的任務(wù)。傳統(tǒng)的施工方法使用大量的原材料，需要穩(wěn)定的維護(hù)。為了使建筑和基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)更具可持續(xù)性，將修復(fù)置于更換之上是至關(guān)重要的，并且可以通過生物自修復(fù)材料來促進(jìn)。

　　混凝土和水泥是地球上必不可少的建筑和粘合材料。由于質(zhì)量的限制，表面結(jié)構(gòu)可能在一定程度上需要礦物的結(jié)合來建造，但在空間中可能沒有同樣程度的使用。例如，微生物誘導(dǎo)方解石沉淀(MICP)是一種生物地球化學(xué)過程，微生物沉淀碳酸鈣(CaCO3)60，可用作粘結(jié)劑61。此外，MICP還可以幫助有毒化合物的生物修復(fù)和二氧化碳的封存62,63。微生物電解碳捕獲可用于封存二氧化碳，據(jù)估計，在美國，每年可通過該過程捕獲6800萬噸二氧化碳64。

　　隨著時間的推移，撞擊事件會粉碎行星表面的風(fēng)化層，形成極細(xì)的灰塵，可以阻礙設(shè)備的功能并對人類造成傷害65。具有MICP能力的細(xì)菌可用于結(jié)合和硬化風(fēng)化層，鞏固灰塵66。同樣，藍(lán)藻生物膜可用于控制和結(jié)合細(xì)風(fēng)化層67。以尿素降解為基礎(chǔ)的MICP的副產(chǎn)物，如銨和硝酸鹽，可以進(jìn)一步升級到一個閉環(huán)系統(tǒng)(圖1)。然而，當(dāng)必須避免有毒副產(chǎn)物的釋放時68，可以使用替代碳酸鈣沉淀的微生物(例如，甲烷氧化細(xì)菌甲基囊菌)69。

　　基于真菌的生物技術(shù)可能為空間應(yīng)用提供另一種生產(chǎn)堅固和耐腐蝕結(jié)構(gòu)的機(jī)會。真菌建筑指的是用真菌生產(chǎn)剛性結(jié)構(gòu)部件和表面。真菌菌絲可以形成密集的網(wǎng)絡(luò)，與其他材料結(jié)合，如風(fēng)化層，形成菌絲基復(fù)合材料。這些在地球上的各個行業(yè)中普遍使用。美國國家航空航天局(NASA)已經(jīng)為太空探索探索了這種解決方案，利用菌絲體作為一種手段，為火星和月球表面建造堅固的家具和棲息地外殼。雖然對空間應(yīng)用的研究尚處于起步階段，但真菌非凡的抗輻射能力甚至已成為輻射防護(hù)研究的一個課題。這可能為現(xiàn)場制造堅固和自我再生的結(jié)構(gòu)和工程生命材料提供了可能，從而避免了過度再供應(yīng)的需要，并通過減輕來自地球的供應(yīng)鏈來提高太空探索的可持續(xù)性。

　　生物能量的收集和儲存

　　能源收集和儲存(例如燃料)在任何偏遠(yuǎn)環(huán)境中都是一個重大挑戰(zhàn)，尤其依賴于供應(yīng)鏈的一致性。某些厭氧菌(所謂的“致電菌”，如脫硫單胞菌、地桿菌等)可以減少有機(jī)廢物產(chǎn)生電流。具體來說，微生物燃料電池(MFC)利用微生物將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能73。利用有機(jī)廢物的還原力來發(fā)電，MFC可以與原位流動廢物修復(fù)系統(tǒng)相結(jié)合44。這樣的微生物系統(tǒng)可以分為暗發(fā)酵和光生物過程，并且它們可以使用來自例如廢物流的濕生物質(zhì)77,75。以類似的方式，與MFC類似，微生物電合成(MES)可用于將電(回)轉(zhuǎn)化為化合物，例如，能量存儲，以彌合間歇性可用性和需求76。一些證據(jù)也表明，通過從月球風(fēng)化層中產(chǎn)生納米顆粒產(chǎn)生氫的可能性77,78。氫、甲烷和其他生物燃料也可以從其他原地資源中生產(chǎn)，如水和無機(jī)碳，光自養(yǎng)或巖石自養(yǎng)(例如，用藍(lán)藻和各種藻類)，以產(chǎn)生穩(wěn)定的能量載體6,78。這些可以是高能量密度的液體化合物，如丁二醇，作為能量存儲的手段，以補(bǔ)充或補(bǔ)充化學(xué)衍生的雙推進(jìn)劑(氫/甲烷和氧)76,78。在許多情況下，利用致電微生物、產(chǎn)氫微生物、產(chǎn)甲烷微生物和生產(chǎn)生物燃料的微生物，廢物和就地資源可以進(jìn)行升級循環(huán)，用于能量的轉(zhuǎn)換、收集和儲存，與傳統(tǒng)的機(jī)械化學(xué)方法相比，產(chǎn)量更高，能量輸入更低。

　　回收電子產(chǎn)品、塑料和其他廢物

　　目前，開發(fā)高效閉環(huán)系統(tǒng)的大部分努力都集中在生物廢物(如食物、黑/灰/黃水)的回收和升級循環(huán)79，而合成廢物(如電子廢物、塑料、消耗品)的解決方案在很大程度上尚未探索，目前的管理在長期任務(wù)中是不可可行的26。

　　有價值的金屬(Fe, Cu，稀土元素，Al, Si, Zn)，包括貴金屬(Au, Pt和鉑族元素)，以及某些非金屬(Cl, P, N，甚至O)可以從金屬結(jié)構(gòu)和電子器件中回收80。從電子廢物(例如，計算機(jī)組件、配電板、太陽能電池板)中回收金屬可以減少對再供應(yīng)的需求和/或通過例如生物采礦(見“生物采礦”部分)更費(fèi)力地從原位資源中獲得資源50,54。物理化學(xué)過程是可用的;然而，就成本和能源需求而言，生物浸出技術(shù)被認(rèn)為更環(huán)保和可持續(xù)81。這些過程中涉及的生化反應(yīng)類似于生物采礦(見“生物采礦”一節(jié))，因此類似的微生物和生物技術(shù)可用于回收電子廢物82。

　　塑料在地球上的日常生活中已經(jīng)成為不可缺少的，例如，在建筑、包裝和制造業(yè)中使用。除了常見的地球模擬應(yīng)用之外，塑料，特別是高強(qiáng)度和耐久性的塑料，作為航天器和宇航服的部件，在支持人類在太空中的活動方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。大多數(shù)塑料是由從不可再生的化石燃料中提取的有機(jī)聚合物組成83。在像太空這樣的環(huán)境中，化石燃料是不可用的，塑料的回收和升級循環(huán)將是重要的(i)獲得制造原料，以生產(chǎn)新的消耗品，(ii)重新使用和回收資源，從而關(guān)閉碳基給料的循環(huán)，以及(iii)減少廢物處理。微生物已被證明可以將微塑料分解為支持生長的可代謝化合物。這一過程被稱為生物降解，為循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)提供了令人興奮的途徑83，英國天體生物學(xué)中心(英國愛丁堡大學(xué))的研究人員正在探索這些微生物過程是否也可以用于太空中的廢物回收?，F(xiàn)代合成生物學(xué)方法可用于為地外環(huán)境量身定制微生物途徑/功能43,48，并使用塑料作為升級循環(huán)和生產(chǎn)有用分子的原料84,85。與微生物塑料生物降解相補(bǔ)充的是塑料的微生物生產(chǎn)(例如，生物塑料)。某些微生物可以使用各種原料，包括CO2、CH4或廢棄生物質(zhì)，來生產(chǎn)聚羥基烷酸鹽等生物塑料。由于生物塑料比基于化石燃料的聚合物更容易生物降解，這些過程將通過閉環(huán)的方式提高可持續(xù)性。

　　雖然不是生命維持的直接功能(如食物、氧氣、水的生產(chǎn))，但所有先前的微生物過程都可以支持LSS，反之亦然，使長時間的太空飛行更具可持續(xù)性。例如，來自電子垃圾的金屬可以供養(yǎng)含有植物或微生物的LSS隔間，這反過來又可以增強(qiáng)與LSS直接相關(guān)的過程(圖1)50。

　　土壤修復(fù)

　　重金屬和有毒化合物，如高氯酸鹽，可以從月球和火星的風(fēng)化層中去除，使其能夠用于土壤形成，用于糧食生產(chǎn)86。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，清除有毒化合物是必要的，因為它們在植物組織中積聚會給宇航員帶來潛在風(fēng)險。如上所述(見“生物采礦”一節(jié))，微生物可以結(jié)合和動員來自月球和火星風(fēng)化層的特定元素53,88。這與去除有毒元素和化合物(生物修復(fù))一起，可以改善風(fēng)化層作為植物生長基質(zhì)的質(zhì)量89，大大減少植物基LSS持續(xù)運(yùn)行所需的資源。*終，這種循環(huán)方法結(jié)合了迄今為止所述過程的關(guān)鍵要素，同時能夠生產(chǎn)維持地球外人類所需的食物，并*大限度地減少需要從地球運(yùn)輸?shù)馁Y源。

　　生物修復(fù)可由變形菌門(如鞘單胞菌)和真菌(如青霉菌屬90,91)支持。對這些生物或其他物種進(jìn)行基因工程可以去除高氯酸鹽(例如，將高氯酸鹽轉(zhuǎn)化為分子氯和氧87)，以及重金屬、放射性物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化92、酸、鹽和來自地外風(fēng)化層的有機(jī)污染物。

　　由于微生物催化非常特定的反應(yīng)，它們的使用可以導(dǎo)致資源的高效利用，同時不改變無毒化合物。此外，生物修復(fù)所需的能量通常低于物理化學(xué)替代方法，如熱處理以分解高氯酸鹽。*后一點可能會被所需的營養(yǎng)物質(zhì)所抵消，而這些營養(yǎng)物質(zhì)并不能保證就地就能得到。然而，這些可以從其他生物L(fēng)SS隔間衍生出來，包括上面描述的那些。目前關(guān)于這些過程在空間中的適用性的知識有限，因此需要更好地了解生物修復(fù)機(jī)制、空間環(huán)境中的微生物行為及其對土壤形成的潛力。

　　技術(shù)需求和未來研究

　　迄今為止討論的大多數(shù)應(yīng)用的一個共同技術(shù)分母是需要為微生物及其支持或啟用的功能提供受控的環(huán)境。微生物過程取決于溫度、壓力、氧氣可用性(或有無)、pH值、重力和輻射條件以及其他因素93,94。這些方面推動了(i)生物反應(yīng)器的技術(shù)需求，以為特定過程提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)境，以及(ii)了解空間環(huán)境對這些過程的影響所需的研究，以確定在*小化資源、工程和操作要求的同時*大化產(chǎn)量的條件。

　　從技術(shù)角度來看，開發(fā)適合太空使用的生物反應(yīng)器至關(guān)重要。這些可能需要針對它們所支持的應(yīng)用程序進(jìn)行特殊化，盡管它們之間的共性是預(yù)期的，其中包括:(i)提供和維持受控環(huán)境(溫度、壓力、液體/氣體組成)，(ii)工程系統(tǒng)的生存能力和其中的微生物的數(shù)據(jù)收集能力，以及其性能(包括散裝介質(zhì)和氣體的化學(xué)和物理狀態(tài)，如適用)，(iii)提供前體、接收產(chǎn)品和連接下游處理設(shè)備的接口的存在，(iv)按需采樣的能力，(v)至少部分自主經(jīng)營的能力;以及(vi)符合行星保護(hù)準(zhǔn)則的適當(dāng)遏制水平，這與未來的火星定居點特別相關(guān)(值得注意的是，從這個角度來看，閉環(huán)系統(tǒng)已被確定為潛在的解決方案)95。

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，會有差異，例如，表面積體積比(SAVR)，例如，微生物支持的光自養(yǎng)生物直接空氣捕獲CO2需要高SAVR，以*大化CO2與微生物的摩爾比和細(xì)胞暴露于光96。相反，一些藥物合成過程可以在厭氧條件下進(jìn)行，因此可能不依賴于SAVR39。培養(yǎng)體積的另一個方面可能會有所不同:要求高savr的應(yīng)用可能會產(chǎn)生蛇形培養(yǎng)體積的設(shè)計驅(qū)動，特別是對于光養(yǎng)生物(類似于高性能熱交換器)，而低savr的應(yīng)用可能會使用更簡單的圓柱形罐。反過來，這可能會驅(qū)動系統(tǒng)對流體流動和混合的需求。還有許多其他方面需要考慮，這些方面也會影響工藝效率，這尤其適用于無攪拌的生物反應(yīng)器。即在生物反應(yīng)器設(shè)計時必須考慮的相內(nèi)和相間(液-固、氣-液、氣-固)的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象，這些質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象取決于濃度梯度、溫度等。

　　兩項與應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)需求是數(shù)據(jù)采集和樣本收集，在某些情況下，這將需要氣/液/固分離。在月球和火星表面，由于(部分)重力的存在，這種情況可能會自然發(fā)生。然而，在微重力環(huán)境下進(jìn)行的操作(例如，空間站和火星探測器)提出了一個更具挑戰(zhàn)性的工程問題。從生物學(xué)的角度來看，特別令人感興趣的是開發(fā)自動化和實時監(jiān)測系統(tǒng)(生長和產(chǎn)量、滴度和產(chǎn)量、pH值、pO2以及輸入和輸出)，以便對系統(tǒng)性能進(jìn)行表征。

　　任何以微生物為基礎(chǔ)的生物技術(shù)都需要液態(tài)水97，液態(tài)水是任何長期太空活動*關(guān)鍵的商品之一。在國際空間站上，水目前是由水回收系統(tǒng)獲取的，該系統(tǒng)是ECLSS18的一部分:尿液、濕氣凝結(jié)物和人類排泄物被回收，通過蒸餾、過濾、高溫催化和化學(xué)消毒等多個過程來生成飲用水98。這對于長期特派團(tuán)和*終的定居點可能是不夠的。因此，必須通過更完整的循環(huán)封閉來提高水的回收率(圖1)。此外，可以通過機(jī)械/物理過程和/或生物采礦(見“生物采礦”一節(jié))從月球和火星上的不同位置或小行星上獲得額外的水。

　　其他技術(shù)需求還包括對需要一定程度的隔離和隔離的應(yīng)用程序進(jìn)行劃分。一些應(yīng)用，如MICP、土壤生物修復(fù)和真菌結(jié)構(gòu)，可能需要專門的專用隔間，以保護(hù)表面基礎(chǔ)的其余部分不受其他不需要的微生物群落和風(fēng)化層的影響，這可能對船員的健康和設(shè)備產(chǎn)生不利影響，而其他應(yīng)用可能在相同的棲息地區(qū)域進(jìn)行(圖1)?？臻g條件，特別是高水平輻射，顯示可誘發(fā)突變。以影響表型的方式改變微生物系統(tǒng)的基因型93這些可能會影響空間微生物過程的可靠性和穩(wěn)健性。因此，技術(shù)應(yīng)包括適當(dāng)?shù)妮椛淦帘?，對表型和基因型進(jìn)行嚴(yán)格和頻繁的控制，以及冗余(例如，將主要接種物作為備份進(jìn)行保護(hù)儲存)。

　　“棲息地空氣生物修復(fù)”一節(jié)中描述的每個類別都需要進(jìn)行研究，以將其TRL增加到9，如圖2所示。反過來，這項研究將需要專門的平臺來進(jìn)行研究，例如，獲取微重力和部分重力，以及空間輻射。研究需要，除了在前一節(jié)中所描述的，包括生物膜控制策略。從禮炮6號到國際空間站，生物膜的形成一直是每個空間站的一個問題，并可能導(dǎo)致ECLSS設(shè)備的運(yùn)行中斷。這個問題已經(jīng)通過來自地球的補(bǔ)給解決了，但在LEO100以外的長期任務(wù)中，這是不可能的。用于微生物培養(yǎng)的工程系統(tǒng)自然會暴露在不必要的微生物生物膜形成(即污染)的風(fēng)險中。

　　這一討論激發(fā)了以下一系列開放的研究問題:(i)微生物生物技術(shù)如何在保護(hù)地外環(huán)境的同時，增強(qiáng)長期深空探索任務(wù)和定居點、廢物回收的可持續(xù)性?如何在遵守行星保護(hù)準(zhǔn)則的同時進(jìn)行這些進(jìn)程?需要什么技術(shù)來監(jiān)測過程效率?對于每種應(yīng)用:(iv)在相關(guān)的重力和輻射環(huán)境中，哪些微生物(包括轉(zhuǎn)基因微生物)和培養(yǎng)條件能優(yōu)化該過程?(v)適用于實施該工藝的生物反應(yīng)器、操作和基礎(chǔ)設(shè)施要求是什么?(vi)我們?nèi)绾问占⑻崛『吞釤拸墓に囍蝎@得的等分物和*終產(chǎn)品?

　　對地球的好處

　　空間探索一直是發(fā)展在地球上應(yīng)用的新技術(shù)的催化劑和試驗臺(例如，附帶技術(shù))101。空間科學(xué)對解決地球環(huán)境問題的影響也并不新鮮。事實上，太空活動被聯(lián)合國公認(rèn)為“實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要工具”11,12。此外，天基技術(shù)對于監(jiān)測天氣和植被模式(自然和人為)、森林砍伐、水資源、塑料污染、碳排放和氣候變化必不可少。更具體地說，這項工作中列出的空間生物技術(shù)可以提供強(qiáng)大的工具來支持一些具體的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，包括“零饑餓”(目標(biāo)2)、“良好健康和福祉”(目標(biāo)3)、“清潔水和衛(wèi)生設(shè)施”(目標(biāo)6)、“負(fù)擔(dān)得起的清潔能源”(目標(biāo)7)、“工業(yè)、創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施”(目標(biāo)9)、“可持續(xù)城市和社區(qū)”(目標(biāo)11)、“負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)”(目標(biāo)12)以及“氣候行動”(目標(biāo)13)11,2。將來，陸地環(huán)境問題可以通過使用專門為增強(qiáng)可持續(xù)性而設(shè)計的空間生物技術(shù)來解決:允許小規(guī)模資源緊密閉環(huán)和近乎理想的循環(huán)運(yùn)作的系統(tǒng)是在全球范圍內(nèi)應(yīng)用的典范。這種切實的公共利益不僅是向資助機(jī)構(gòu)和政府證明太空探索合理性的關(guān)鍵，而且是在多重重疊的危機(jī)威脅著我們文明及其生態(tài)支持系統(tǒng)的穩(wěn)定之際，激勵科學(xué)家投入時間和精力進(jìn)行太空探索的關(guān)鍵。

　　各空間機(jī)構(gòu)和組織都認(rèn)識到這一概念的巨大潛力。越來越多的提案被提出，目的是制定戰(zhàn)略，利用空間資源解決地球上的環(huán)境問題。2021年，歐空局(即“歐空局循環(huán)經(jīng)濟(jì)啟動競賽”)102和NASA(即“軌道煉金術(shù)挑戰(zhàn)”)103發(fā)起了相關(guān)競賽。2022年，太空科學(xué)促進(jìn)中心(CASIS)宣布了“超越塑料”可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)(即“CASIS超越塑料”)104，其座右銘是“如果下一個改善我們星球的偉大發(fā)現(xiàn)來自地球外的研究呢?”值得注意的是，包括獲勝者在內(nèi)的三個入圍項目中有兩個涉及微生物的使用。

　　這里介紹的許多基于微生物的空間技術(shù)和戰(zhàn)略都有可能被轉(zhuǎn)移，并為地面應(yīng)用帶來好處。為應(yīng)用于其他陸地體而開發(fā)的土壤修復(fù)技術(shù)可用于幫助對地球上的土壤污染作出反應(yīng)，識別或設(shè)計適合清理和降解特定污染物的生物，以及使用抗干燥的生物來防治荒漠化。同樣，植物/微生物基因工程技術(shù)可以用于使作物在有限資源的更小空間內(nèi)生長，并提供相當(dāng)或更高的產(chǎn)量。

　　太空飛行中細(xì)菌毒性的增加有可能有助于確定對抗耐藥性的新靶點37。按需在太空制造藥物可能會比在地球上更簡單(例如，步驟更少)但更靈活的藥物生產(chǎn)和純化。這可能會改變目前使用的復(fù)雜且難以持續(xù)的生產(chǎn)工藝，用生物制造取代它們，并降低藥物成本，從而使資源稀缺的偏遠(yuǎn)地區(qū)能夠獲得關(guān)鍵藥物。碳捕獲和封存技術(shù)將有可能直接轉(zhuǎn)移到地球上，以應(yīng)對氣候變化。

　　在能源轉(zhuǎn)型中，氫被認(rèn)為是季節(jié)性儲存、工業(yè)過程和一般電網(wǎng)平衡的基石。在空間技術(shù)的背景下，利用生物生產(chǎn)氫，可以促進(jìn)發(fā)現(xiàn)地球上綠色氫的生產(chǎn)途徑75。生物混凝土合成和真菌結(jié)構(gòu)的研究將增強(qiáng)微生物在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)中的應(yīng)用方式。和太空一樣，地球也有各種極端條件。工程微生物用于基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)可以解決偏遠(yuǎn)和艱苦地區(qū)的問題。用于太空應(yīng)用的改進(jìn)和高效的廢物回收，包括但不限于有機(jī)/生物、塑料/消耗品和電子廢物，可以轉(zhuǎn)化為地球應(yīng)用，以解決陸地廢物管理問題、垃圾填埋場溢出和環(huán)境污染。

　　結(jié)論

　　通過這項工作，我們的目標(biāo)是倡導(dǎo)人類太空探索可持續(xù)方法的緊迫性，以及微生物生物技術(shù)在這方面可以發(fā)揮的重要作用。已經(jīng)討論了微生物生物技術(shù)如何支持幾個過程，這些過程反過來可以幫助減少供應(yīng)鏈對(來自地球的)長期深空探索任務(wù)的依賴，*終使人類能夠在整個太陽系立足和定居。與此同時，這些微生物支持的過程中的一些也可能有助于關(guān)閉LSS和其他系統(tǒng)的循環(huán)，這些系統(tǒng)可以保護(hù)資源和地外環(huán)境。這兩個方面，獨立地和共同地，使空間探索能夠以可持續(xù)的方式進(jìn)行。

　　為了為已命名生物技術(shù)的成熟提供適當(dāng)?shù)臈l件，并向更廣泛的社區(qū)開放該領(lǐng)域，需要進(jìn)行研究和創(chuàng)新。初步研究應(yīng)在地球上的實驗室、模擬平臺和近地軌道上進(jìn)行，并在順月空間和月球表面進(jìn)行全面調(diào)查。還應(yīng)考慮在樣品重復(fù)和實驗條件方面增加現(xiàn)有天基設(shè)施以增加空間實驗?zāi)芰?，以改善初步研究的影響。資助應(yīng)該考慮到基因工程和合成生物學(xué)的高成本(和時間)，這些技術(shù)可能嚴(yán)重依賴于它們。

　　*后，討論了這些技術(shù)對地球效益的潛力，具體參考了聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。如果在地球外維持人類生活和經(jīng)濟(jì)活動的超高效方法能夠用于有意意義地解決我們地球上的問題，那么太空探索將為公共投資帶來豐厚回報，從而不僅在技術(shù)上，而且在政治上變得更加可持續(xù)。關(guān)于太空旅行和探索對公眾有益的辯論是健康和必要的，但在可持續(xù)性領(lǐng)域，太空倡導(dǎo)者現(xiàn)在可能有機(jī)會贏得這場辯論，為一代人。