空间受控生态生命保障技术

受控生态生命保障系统(俗称太空农场)是未来开展月球和火星永久驻留与开发所必需的生命保障系统，其主要通过粮食、蔬菜等高等植物的光合作用和微生物的分解作用并辅以空间站相关技术，快速、高效、持续地为航天员提供食物、氧气和水等生存必需品，是未来航天技术发展的重要瓶颈技术。《空间受控生态生命保障技术》重点介绍了该技术的基本概念、作用意义、发展历史与现状，与月球和火星表面环境紧密相关的植物栽培、食品加工、废物循环和物质流动态平衡调控等重大关键技术突破的情况，植物栽培关键技术空间在轨验证以及该学科的未来发展方向等。

目录
序前言
第一篇绪论
第1章概念、构成、原理与应用3
1.1背景分析3
1.2基本概念4
1.3基本理论和原则要求6
1.3.1生态学和生态系统理论6
1.3.2CELSS特点7
1.3.3CELSS基本研究方法10
1.3.4CELSS基本设计原则11
1.4基本结构构成与运行模式12
1.4.1基本结构构成12
1.4.2基本运行模式14
1.5主要研究任务16
1.5.1总体技术方案16
1.5.2环境控制技术16
1.5.3物质生产技术16
1.5.4食品收获与加工技术16
1.5.5废物再生技术16
1.5.6系统集成技术17
1.5.7极地和空间验证技术17
1.5.8原位资源利用技术17
1.6重要作用与意义18
1.6.1降低补给需求和改善乘员心理状态18
1.6.2在地面上具有重要潜在应用价值20
1.7小结23
参考文献23
第2章国内外研究历史与现状26
2.1国外研究历史与现状26
2.1.1总体概况26
2.1.220世纪50～60年代27
2.1.320世纪70年代29
2.1.420世纪80年代32
2.1.520世纪90年代35
2.1.621世纪初40
2.2国内研究历史与现状45
2.3小结47
参考文献49
第3章总体约束条件及发展思路54
3.1长期生命保障物质供给需求分析54
3.2CELSS所面对的星球表面外部环境条件分析55
3.3CELSS构建影响因素分析57
3.3.1重力58
3.3.2地形58
3.3.3大气压力58
3.3.4大气CO2浓度58
3.3.5光照58
3.3.6温度59
3.3.7高能辐射60
3.3.8水60
3.3.9植物栽培基质60
3.4CELSS基本特性和运行要求61
3.4.1系统基本特性要求61
3.4.2系统基本运行要求61
3.5发展CELSS的总体边界约束条件分析62
3.6CELSS技术发展的基本思路分析64
3.6.1总体研究路线图64
3.6.2主要研究领域65
3.6.3技术实施时间表和路线图规划66
3.7未来主要研究任务分析68
3.7.1近期研究任务68
3.7.2中期研究任务70
3.7.3远期研究任务72
3.6小结74
参考文献74
第二篇物质生产技术
第4章植物筛选与栽培技术79
4.1筛选标准与优先原则79
4.1.1基本筛选标准79
4.1.2优先选择原则80
4.2筛选基本方法81
4.2.1基本筛选思路81
4.2.2基本筛选方法82
4.2.3基本打分示例分析82
4.2.4综合计算分析方法83
4.3筛选主要结果84
4.3.1国外基本情况84
4.3.2国内基本情况90
4.4植物基本栽培要求92
4.4.1作物生长条件设置及原则92
4.4.2作物生长条件基本调控方法94
4.4.3植物基本栽培措施95
4.5小结103
参考文献104
第5章植物光照条件优化调控技术106
5.1光照对植物的作用与意义106
5.2植物光合作用的基本概念109
5.3植物光照条件优化措施113
5.3.1光能利用率基本概念113
5.3.2光源种类选择114
5.3.3光质调控116
5.3.4光强调控117
5.3.5光周期调控119
5.3.6光照方式调控119
5.4植物光照优化研究进展120
5.4.1光源优化120
5.4.2光强优化121
5.4.3光质优化124
5.4.4光周期优化126
5.4.5光照方式优化129
5.5植物光照未来发展方向分析132
5.6小结134
参考文献134
第6章植物大气条件调控技术139
6.1大气温度对植物生长发育的影响139
6.1.1不同植物对大气温度的一般要求139
6.1.2大气温度对植物生长和光合作用效率的影响140
6.1.3大气高温对植物生长的影响及对策141
6.1.4大气温度对植株开花的影响143
6.1.5大气温度对植物产量和品质的影响144
6.2大气通风条件对植物生长的影响148
6.2.1气流速度对叶片边界层阻力的影响149
6.2.2气流速度对植物光合与蒸腾作用效率的影响150
6.2.3气流速度对植物释放乙烯的影响151
6.3大气CO2浓度对植物生长的影响154
6.3.1CO2浓度对植物形态学和病虫害抑制的影响154
6.3.2高CO2浓度对植物光合与蒸腾作用效率及水利用率的影响155
6.3.3高CO2浓度对植物其他生理代谢活动的影响160
6.3.4高CO2浓度对作物产量和营养品质的影响162
6.4小结168
参考文献168
第7章大气乙烯对植物生长的影响及其净化技术172
7.1植物生长过程中乙烯产生规律及机理172
7.1.1植物生长过程中乙烯产生规律172
7.1.2植物生长过程中乙烯产生机理177
7.2封闭环境中乙烯对植物生长与发育的影响及机理180
7.2.1乙烯抑制植物生长和加速器官老化180
7.2.2乙烯引起植物叶片偏上和叶片纵向卷曲生长182
7.2.3乙烯对植物光合作用效率的影响183
7.2.4乙烯对植物开花与繁殖的抑制作用184
7.3乙烯对植物向重性反应的影响186
7.4密闭环境中乙烯浓度控制技术187
7.4.1高锰酸钾氧化技术188
7.4.2光催化氧化技术188
7.4.3微生物空气过滤技术191
7.5小结193
参考文献194
第8章弱磁场构建技术及其植物生物学效应197
8.1弱磁场的基本概念197
8.2弱磁场环境构建技术198
8.2.1国外进展情况198
8.2.2国内进展情况201
8.2.3零磁场屏蔽技术存在问题与发展方向202
8.3弱磁场对植物发芽、向重性及生长与发育的影响203
8.3.1弱磁场对植物发芽的影响203
8.3.2弱磁场对植物向重性的影响204
8.3.3弱磁场对植物胚轴生长的影响206
8.3.4弱磁场对植株生长与发育的影响207
8.4弱磁场对植物细胞繁殖和分化的影响209
8.4.1弱磁场对植物细胞结构组成和分裂的影响209
8.4.2弱磁场对细胞和亚细胞超微结构的影响210
8.5弱磁场对植物生理学和生物化学的影响212
8.5.1弱磁场对植物生理学的影响212
8.5.2弱磁场对植物生物化学的影响213
8.6弱磁场对植物繁殖和遗传变异的影响213
8.6.1弱磁场对植物开花的影响213
8.6.2弱磁场对植物遗传变异的影响214
8.7弱磁场对植物隐花色素信号传导及基因表达的影响214
8.8弱磁场生物学效应的可能作用机理217
8.9小结218
参考文献218
第9章微藻培养技术224
9.1微藻在CELSS中的作用和地位224
9.1.1作为膳食营养补充224
9.1.2清除CO2及释放O2225
9.1.3生物固氮与废水处理226
9.2藻种选择226
9.3空间微藻光生物反应器研制技术228
9.3.1反应器设计根据228
9.3.2反应器基本组成229
9.3.3反应器主体与藻液循环技术230
9.3.4光照技术231
9.3.5藻液CO2供给与pH调控技术237
9.3.6藻液溶解氧脱除技术239
9.3.7藻液养分调控技术240
9.3.8藻液环境温度控制技术241
9.4微藻培养技术研究进展241
9.4.1空间环境对微藻形态结构和生理生化活动的影响242
9.4.2空间微藻光生物反应器关键技术验证244
9.4.3微藻在CELSS中的集成验证技术246
9.5小结248
参考文献248
第10章动物和食用菌培养技术253
10.1CELSS中引入动物和食用菌的意义253
10.2动物和食用菌选用的一般原则及种类255
10.2.1动物和食用菌选用一般原则255
10.2.2拟选用的动物和食用菌一般种类255
10.3水生动物养殖技术256
10.3.1C.E.B.A.S.构建技术257
10.3.2饵料对鱼类生长、产量和营养品质的影响261
10.4陆生动物养殖技术268
10.4.1桑蚕培养技术及作用268
10.4.2黄粉虫培养技术及作用270
10.5食用菌培养技术271
10.5.1食用菌培养基质基本制备方法271
10.5.2动物粪便对食用菌培养的影响272
10.5.3细菌对食用菌生长的促进作用273
10.6小结274
参考文献275
第三篇资源回收与原位资源利用技术
第11章固废处理技术281
11.1废物基本种类及典型成分分析281
11.1.1废物基本种类分析281
11.1.2固废典型成分分析282
11.2固废处理基本原则要求与方法种类282
11.2.1固废处理基本原则要求282
11.2.2固废处理基本方法283
11.3固废生物处理法284
11.3.1固废好氧微生物反应器降解技术284
11.3.2固废厌氧微生物反应器降解技术293
11.3.3类土壤基质制备技术298
11.4生物与物化相结合的固废降解技术300
11.4.1生物+物化降解处理法300
11.4.2物理萃取+微生物降解处理法302
11.5物理及化学固废处理技术303
11.5.1焚烧法303
11.5.2交变电场+过氧化氢氧化法304
11.6小结306
参考文献306
第12章废水处理技术310
12.1废水种类及其处理基本要求、方法和流程310
12.1.1废水种类310
12.1.2废水处理基本要求311
12.1.3废水处理基本方法311
12.1.4废水流处理基本流程313
12.2微生物反应器处理技术314
12.2.1好氧生物反应器废水处理技术314
12.2.2厌氧生物反应器废水处理技术327
12.2.3厌氧+好氧生物反应器废水处理技术329
12.2.4生物+物化废水处理技术330
12.3植物废水处理与利用技术331
12.3.1作物直接利用尿液技术331
12.3.2作物直接利用生活污水技术333
12.3.3耐盐植物吸收与分离钠盐技术334
12.3.4植物利用废水后处理液的可行性评价335
12.4藻类废水处理技术336
12.4.1微藻处理尿液技术336
12.4.2大藻处理尿液技术337
12.5小结337
参考文献338
第13章废气处理技术341
13.1微量有害气体的基本种类、浓度及控制要求341
13.2空气净化途径总体概况343