大规模的月球和火星的作物生产:目前的差距和未来的观点
露西特
1,
肯尼斯·恩格尔
2,
泰勒孵化3,莎拉Stahl-Rommel4,
Yo-Ann维Justiniano
5,
莎拉Castro-Wallace
6,
杰斯Bunchek
7,
奥斯卡Monje
8,
玛丽Hummerick
8,
克里斯蒂娜·l·m·Khodadad
8,
LaShelle e·斯宾塞
8,乔西Pechous9,
克里斯蒂娜·m·约翰逊
1,
拉尔夫Fritsche
10,
Gioia d·马萨
10,
马修·w·Romeyn
10,
Aubrie e . O’rourke
10*和
雷蒙德•惠勒(george w . bush)
10
- 1NASA的博士后项目,大学空间研究协会,梅里特岛,佛罗里达州肯尼迪航天中心,美国
- 2应用化学实验室,NASA肯尼迪航天中心,佛罗里达州梅里特岛的美国
- 3低重力勘探技术分支,美国宇航局格伦研究中心,克利夫兰,哦,美国
- 4JES科技,休斯顿,德克萨斯州,美国
- 5马歇尔太空飞行中心,重航空器工业有限责任公司亨茨维尔,美国
- 6生物医学研究和环境科学部门,美国宇航局约翰逊航天中心,休斯顿,美国TX
- 7东南大学研究协会,梅里特岛,佛罗里达州肯尼迪航天中心,美国
- 8柔荑花序,肯尼迪航天中心,佛罗里达州梅里特岛美国
- 9生物化学、细胞和分子生物学,艺术与科学学院,得梅因,IA、美国
- 10探索研究和技术,NASA肯尼迪航天中心,佛罗里达州梅里特岛的美国
在这个角度,我们确定了太空作物生产的主要挑战:改变对流在微重力环境中,调度和物流、船员时间和需要先进的自动化、机器人、建模和机器学习。我们概述现有的太空作物生产缺口被肯尼迪航天中心(KSC)作物生产团队和讨论工作在当前发展空间在NASA项目解决这些差异。我们注意到这个列表可能不是详尽的但旨在提供基线需求空间作物生产实现和当前解决方案的一个子集大科学界为了进一步促进创造力。
1介绍
人类冒险进入太阳系,定居在其他行星,从地球独立运动生产消耗品,如食品,水和氧气,将至关重要。现场粮食生产将取决于生物组织,如植物和在较小程度上,单细胞生物。大型作物生长系统中包括bioregenerative生命支持系统(bls)将允许从地球的资源回收和减少新建。几个项目旨在确定月球和火星温室的要求,通过评估其可行性,和发展的概念,理论设计,或原型在不同尺度和成熟度级别(惠勒和Martin-Brennan 2000;Stutte et al ., 2009;Boscheri et al ., 2016;Furfaro et al ., 2016;Zeidler et al ., 2017)。肯尼迪在受控环境作物研究有着悠久的历史。这始于生物质生产室(BPC),延伸到在轨平台如蔬菜和高级植物生境(APH)和将继续Ohalo III(正在研发一个作物生产室),每个平台故意选择和设计导致未来作物生产单位前往月球或火星(图1)。大规模的平台将工程带来新的挑战和需求。一系列的后勤和物理障碍已被确定为依据的经验教训在肯尼迪太空作物生产的努力在国际空间站(ISS)使用小规模的平台。
图1。肯尼迪的例子之前,当前和未来的太空作物生产平台选择和设计导致作物生产单位前往月球或火星。
2空间作物生产缺口和需求
空间利用农作物生产努力教训地上种植植物和在轨道上。这方面的知识,结合专业知识在NASA中心,学术界和工业服务提供一个框架,用于作物生产系统的深太空旅行(Johnson et al ., 2021)。之前工作在植物室进行航天飞机和空间站上帮助识别知识缺口和太空作物生产技术需求(补充表S1)。在这方面论文的剩余部分,我们提出一个在NASA中心采样当前正在研究的技术来解决特定的差距,和我们讨论相关的限制和挑战。
2.1水和养分输送:挑战、需求和当前的研究
工厂测试航天飞机和空间站透露挑战与水和养分交付。缺乏(或减少)的浮力对流和表面张力的统治力量减少重力导致边界层厚厚的水(空气)分别形成在植物根部(分别离开)(Kitaya et al ., 2003;琼斯等人。,2012年)。没有适当的水和养分输送系统,根遭受缺氧。尽管substrate-based灌溉系统使用毛细管力作用下导水根没有掐死他们,目前国际空间站上使用(例如蔬菜和先进的植物栖息地(APH)) (查贝尔et al ., 2016),substrate-free或reduced-substrate水和养分输送系统被认为是未来的任务,以减少开始规模化和废物(明天et al ., 2017)。我们最近的研究调查航天测试水耕法系统和地面模拟演示的空气。
2.1.1 Substrate-Less生长系统
太空作物生产日期的努力都集中在substrate-based方法主要使用arcillite植物生长、作物生长的概念验证演示(马萨et al ., 2018)。这种方法类似于地球的方法,然而,正如上面所讨论的,浇水微重力证明了一个挑战。substrate-based增长方法在水解决方案是一个被动的灌溉系统命名为被动轨道营养输送系统(池塘),工厂将从一个独立的水库的水(莱文et al ., 2021)。最近,美国国家航空航天局在轨测试substrate-less水培法的方法称为植物水管理(PWM)。PWM使用毛细管几何包含不润湿水解决方案(例如,含糖或营养丰富的水),并提供足够的通风和水化low-g水培法(Mungin et al ., 2019)。初始low-g数据分析显示,这可能是一个可行的方法,并进一步测试将包括太空作物的使用而不是目前的模拟植物。
此外,肯尼迪正在进行的合作与德国航空航天中心(DLR)研究所的空间系统模拟极端环境设置的伊甸园ISS Neumayer温室设施第三站站点在南极洲,提供了优先使用空气的方法(查贝尔et al ., 2017)。气雾栽培法营养交付和修改后的衰退/流技术对植物生长系统在微重力也将评估使用暴露根在轨测试系统(XROOTS) (明天et al ., 2017)。此外,多孔管营养输送系统(PTNDS),利用吸持有植物播种到多孔陶瓷管供水,在当前开发额外的喷水装置的方法正在开发由大学和行业研究员(Monje et al ., 2019)。
2.1.2肥料/营养供应:等离子体活化的水
在营养领域,最近在等离子体和有趣的发展农业(使用等离子体,第四个物质状态,生成活性物种相互作用化学)是等离子体活化的水(爪子)。爪子,等离子体水的引入能够改变其属性(促进et al ., 2018)。等离子体的研究正在向肯尼迪探索低温等离子体对水的使用,作为微生物卫生处理硬件的方法,并探讨等离子体引入氮氧化物fertilizer-like应用程序组和pH值的变化。尚未有一个完整的理解等离子体水化学,与之前和正在进行的研究在加州大学伯利克分校(2012年的坟墓)和最近的建模工作在密歇根大学(2019年·克鲁兹尔尼奇介绍,造成这种)。
2.2作物种植:挑战、需求和当前研究向肯尼迪
在空间体积是有限的资源,未来作物生产系统需要有效地使用可用的增长空间。在微重力、植物可以生长在所有维度,从而使整个空间的使用。种植单一作物和multicrop之间权衡的研究将有助于确定增长单位将受益于一个或多个作物物种(Boscheri et al ., 2016;Zeidler et al ., 2017)。有效地使用体积、作物调度也很关键。根据个别物种的生长周期,作物种植可以交错满足船员的饮食需求(Zeidler et al ., 2017)。
在一起,美国国家航空航天局和美国农业部(USDA)正在调查使用在,小植物,营养丰富,并与船员时间快速增长。即食植物如在易于维护和丰富的营养和植物化学的成分在可以帮助减轻spaceflight-induced健康风险(安德森et al ., 2017;库珀et al ., 2017)。在有大容量优化的潜力,和有效地使用光,肥料,和水,都是重要的选择标准的植物生长在空间(Romeyn et al ., 2019)。这些种植作物收获后1到3周后,当子叶完全展开,第一真叶出现(肖et al ., 2012;肖et al ., 2016)。在生长周期短的作物系统增加了灵活性,特别是如果中断发生。Microgreen生产需要比全尺寸作物生产种子,但种子小而轻,和种子的质量在很大程度上抵消了减少肥料的质量和体积小的要求。即将到来的项目将努力向肯尼迪量化这一交易。
2.3环境监测平台:压力检测和食品安全技术
研究植物生长模拟和实际空间飞行环境,将使植物生长的机械的发展和知识模型。这样的模型可以占合并后的物理、生化,和形态现象;必要的工具来准确的控制和预测植物生长在生命支持系统(Hezard et al ., 2010;波利特et al ., 2020)。此外,我们的目标是实现一个先进水平的自治通过实施一个完整的机器学习方法来监控和协调空间的作物生产系统,包括植物间大气条件下,植物和微生物基因组和代谢组的趋势,水系统微生物和化学,生物质能回收。船员时间作物种植在未来的任务将是有限的,作为宇航员的主要活动是完成使命任务(罗素et al ., 2006)。未来的太空作物系统将需要更少的人员耗时比现有系统(波利特et al ., 2021;Zeidler et al ., 2021),利用自动化(例如,浇水或健康监测)。小空间作物生产商会在空间站,如蔬菜和APH,可以用来验证和通知自动化工作,如疾病成像的检测。
2.3.1高光谱成像
监测植物生长和健康的整个生命周期过程中作物需要确保食品安全的作物被宇航员cis-lunar期间,月球和火星任务(安德森et al ., 2017;Monje et al ., 2019)。高光谱成像技术可以收集相关的光谱数据开发合适的植被指数,提供非破坏性和自治估计植物健康的人员很少,时间(高恩et al ., 2007;Araus和凯恩斯2014;黄et al ., 2018;Zeidler et al ., 2019)。植物应对营养不良的早期识别,干旱、洪水、或微生物/真菌感染,将为船员提供足够的时间来减轻这些问题(金正日et al ., 2001;高恩et al ., 2007)。为此,一个原型植物健康监测系统(榜单)是由美国农业部环境微生物和食品安全实验室(EMFSL,贝茨维尔,MD)和在操作向肯尼迪(Monje et al ., 2021)。榜单被用于开发数据库的图像从植物暴露于非生物(如干旱)或生物(如真菌感染)压力。这个数据库将用于为自主开发合适的植被指数早期压力检测和培训未来的人工智能算法对植物健康监控,确保食品安全。在未来,微型成像系统将部署远程监控工厂卫生和微生物组成的宇宙飞船空间站等网关,深太空交通工具。
2.3.2微生物测序
分子方法已经基本理解相伴的植物微生物(Bulgarelli et al ., 2012;查et al ., 2014;Knief书2014)和植物病原体(Pecman et al ., 2017;Diaz-Cruz et al ., 2019;Piombo et al ., 2021)。监测微生物出现在航天环境中重要,因为阿波罗,但任务持续时间较短,不实际执行在飞行。国际空间站,要求确保微生物污染生成定期评估在国际空间站的空气,水,和表面(卡斯特罗et al ., 2004;山口et al ., 2014)。从一开始空间站的植物生长,植物和植物生长的硬件已经定期抽样了解植物病原体微生物交互和控制补充食品生产(Hummerick et al ., 2010,Hummerick et al ., 2011,Hummerick et al ., 2012;马萨et al ., 2017 b;Khodadad et al ., 2020)。蔬菜植物样品已经被培养的分离和鉴定评估,以及使用下一代测序的微生物分析Illumina公司MiSeq平台(返回地球Khodadad et al ., 2020)。这类评估作物微生物食品安全的轨道上导致的发展危害分析关键控制点(HACCP)计划太空作物种植(Hummerick et al ., 2011;2012年)。航天微生物学的目标是超越需要文化潜在的有害微生物,为此,使用牛津纳米孔的奴才文化无关,swab-to-sequencer过程正在进行上国际空间站(Stahl-Rommel et al ., 2021)。
未来路径空间作物生产环境中的评估plant-microbe交互可以受益于系统级别的开发方法,通过成像自动感应的力量,组学(基因组学、转录组)和光谱法(代谢组学、营养、挥发物)实现。这个监测,结合相关和机器学习技术,将允许压力的检测指标,植物和人类的病原体,减少养分含量,分别或件挥发物的形成。
2.4微生物Ecosystem-Related需求
2.4.1微生物控制灌溉系统的解决方案
微生物生物膜已引起关注在ISS生物退化,,因此,代表风险安全长期人类太空探索(兰德里et al ., 2020)。太空飞行对微生物的影响的研究公布了毒性和生物膜的形成的变化在微重力条件下(金正日et al ., 2013),进一步凸显了需要开发健壮的生物膜管理解决方案(兰德里et al ., 2020)。NASA继续探索治疗方法如杀虫剂、抗菌表面,营养过滤器,应用冲击波,热量和紫外线治疗(Velez-Justiniano et al ., 2020)。生物膜管理研究探索其他生物制剂的使用(如噬菌体和质粒)平衡国际空间站水处理器汇编(WPA)生态系统(Sillankorva Azeredo 2014),甚至考虑plasma-based方法。识别微生物控制的最佳解决方案可以根据相关的平台,是这个空间作物生产室,或用于下游灌溉的水处理系统。
2.4.2等离子体种子卫生处理
为了避免植物或人类病原体的污染在太空作物生产平台,种子表面飞行前都进行卫生处理。种子在地面卫生处理的传统方法包括酒精浸泡和化学气体熏蒸(Khamsen et al ., 2016;马萨et al ., 2017 a),但这些方法都不是有效的种子。等离子体处理种子、表面或容器接种真菌或细菌展示了重要的日志减少曝光后(Filatova et al ., 2009;Takemura et al ., 2014;Puligundla et al ., 2017 a,Puligundla et al ., 2017 b;Zahoranova et al ., 2018)。种子或表面卫生可能差别很大的有效性基于等离子体源和等离子体气体介质被雇佣。初步工作正在进行测试向肯尼迪太空作物生产种子使用不同的等离子体源和卫生处理对种子相关微生物的影响。
3讨论
3.1高光谱成像目前的挑战和前景
尽管高光谱成像能够精确植物健康监测和早期发现疾病,目前受到多种因素的限制。数据收集和分析依赖于测量的条件下进行,如叶取向,照明,甚至叶结构(Mahlein 2016;Zeidler et al ., 2019)。目前,光谱植被指数(SVI)与特定的波长和获得与特定的环境条件和植物物种,这意味着数据定义SVI需要收集在一个高保真的环境。很难SVIs适用于不同的条件和植物类型也不用担心数据的误解(劳et al ., 2017;托马斯et al ., 2018)。产生的数据量非常大,因此需要开发高效的数据处理和分析方法(Mahlein 2016;托马斯et al ., 2018)。对于空间的应用程序,这引发了遥测局限性的问题,转化为需要原位处理。然而,深入学习算法似乎是一种很有前途的解决方案用于高光谱数据分析和解释(托马斯et al ., 2018;Nagasubramanian et al ., 2019),他们可以在一个足够大的数据集训练(Zeidler et al ., 2019)。
3.2 Substrate-Free与Substrate-Based
2.3.1节与substrate-less系统提出,substrate-based系统使用月球或火星地表被调查(Wamelink et al ., 2019;艾格林和Guinan 2020;为et al ., 2021;Fackrell et al ., 2021)。植物生长实验已经进行返回月球物质(2010年Ferl和保罗),Wamelink et al。(2019)成功培育出九种不同物种JSC-1A风化层模拟的混合有机材料和进一步的项目,如火星花园,相比这个风化层模拟的水培方法增长方法(艾格林和Guinan 2020)。担忧当培养植物中风化层是它不能使用;有害化合物(例如,高氯酸盐)需要从火星风化层和有机材料需要添加(为et al ., 2021)。此外,geomicrobiological方法有可能修改风化层,使植物生长的利用率。在这种情况下,微生物用于创建从月球和火星表层土壤(Verseux et al ., 2016)。之前的研究在风化层植物生长模拟的可能忽略了一些重要的化学成分方面。然而,最近发展的农业相关的火星地表将使更精确的研究(Fackrell et al ., 2021)。近期,水培系统可能是一个更好的选择,更适合一个劳工统计局的基础设施。水培系统提供高效营养的吸收根是直接接触的营养解决方案(艾格林和Guinan 2020)和容易监测后续根区微生物的控制。
3.3等离子体技术的发展,降低成本
等离子体应用于农业主要集中在1)等离子体活化水,2)种子发芽,成长,发展,和3)种子卫生处理生物膜的卫生设施。Uunderstanding化学和使用的等离子体活化水远未完成,但也有潜在的好处在陆地和远离地球的可控环境农业(Besten 2019;拉涅利et al ., 2020)。补给是昂贵的,基于等离子体的应用程序和技术价值提供一个大道的调查研究来减少依赖传统的卫生方法。等离子体源和天然气需求可以小,甚至可能使用可呼吸的空气。在地球上,利用等离子体活化水不是普遍由于工业使用扩展的问题。等离子体可以是昂贵的外部实验室的设置和常规方法更便宜、在监管要求。随着电子产品的发展正在迅速降低成本,和法规越来越严格,对颗粒污染物,等离子体变成一个更有利的选择。此外,新的研究提供了洞察等离子体与水相互作用和plasma-water化学,允许系统优化的任务。虽然等离子体在各种水系统中的应用仍处于起步阶段,但它应该被视为一个援助一些当前或潜在的替代方法。
4结束语
作为美国国家航空航天局及其商业伙伴接近网关和机器人和载人月球表面任务,必须计划大规模的作物生产系统将部署在月球和火星。这些面临众多挑战,重要的技术开发和知识空白成功实现之前需要解决。我们有了选择的考虑在NASA中心目前正在接受调查,可以集成到大型作物生产系统设计来解决这些漏洞。虽然不详尽,这些先进的技术包括太空作物生产新方法、环境监测、水处理和微生物控制方法。未来的作物生产系统必须有弹性,还可发展的,因此可以作为创新实现新发展。它需要来自许多不同的学科未来的探索。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
LP,客、TH SS-R、Y-AV SC-W, JB, OM, MH, CK, JS,先生,和通用汽车提供的写作。所有作者编辑和修改。AO协调一致的努力。通用汽车和RW监督协调。
资金
提供部分资金由美国宇航局生物和物理科学的程序。
的利益冲突
作者SS-R受雇于JES科技;作者Y-AVJ受雇于重航空器产业有限责任公司;作者、OM MH、CK和LS,受雇于柔荑花序。
其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
我们要感谢所有研究人员和工程师的辛勤工作和奉献精神使太空作物生产工作可能在NASA中心。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2021.733944/full补充材料
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关键词:自动化、在等离子体农业、微生物、营养输送系统,减少了重力,水培,空气
引用:波利特L,恩格尔K, T,孵化Stahl-Rommel年代,维Justiniano一,Castro-Wallace年代,Bunchek J, Monje O, Hummerick M, Khodadad CLM,斯宾塞勒,Pechous J,约翰逊厘米,Fritsche R,马萨GD, Romeyn MW, O’rourke AE和惠勒RW(2022)大规模月球和火星的作物生产:目前的差距和未来的观点。前面。阿斯特朗。空间科学。8:733944。doi: 10.3389 / fspas.2021.733944
收到:2021年6月30日;接受:2021年11月23日;
发表:2022年2月04。
编辑:
Isik Kanik,美国宇航局喷气推进实验室(JPL),美国版权©2022,波利特,恩格尔,舱口,Stahl-Rommel维Justiniano, Castro-Wallace, Bunchek, Monje, Hummerick, Khodadad,斯宾塞,Pechous,约翰逊,Fritsche,马萨,Romeyn, O’rourke和惠勒。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:Aubrie e . O’rourkeaubrie.e.orourke@nasa.gov