综述：以微生物燃料电池为核心的太空任务中人类废弃物的营养再平衡与循环利用

《Emerging Topics in Life Sciences》：Microbial fuel cell centric nutrient rebalancing and recycling from human waste in space missions

利用微生物燃料电池（MFCs）处理尿液和废物，可同时生成电能和生物肥料，结合水培系统实现蔬菜种植，减少资源消耗并提升太空任务可持续性。MFCs通过抑制病原体和降解有机物，有效转化尿液中氮磷钾元素，并利用产生的电能驱动水培系统。该技术为封闭式循环系统提供解决方案，降低物资运输需求。

　　在未来的长期太空任务中，建立月球和火星表面基地的目标正逐渐成为现实。随着技术的发展和探索计划的推进，预计这些任务将在2030年之前展开。然而，这些任务对现有太空技术提出了更高的要求，尤其是在资源回收和循环利用方面。目前，航天器依赖于从地球定期补给的消耗品，包括食物、水和氧气等。这种模式在任务周期较短时尚可维持，但在长期任务中，显然需要更加高效的资源管理方案。因此，如何在有限的资源条件下维持生命支持系统，成为科学家和工程师面临的关键挑战。

为了应对这一挑战，科学家们开始重新思考废弃物处理的方式，从传统的“废弃物清除”模式转向“资源回收”模式。废弃物处理系统不再仅仅关注如何将废弃物排出航天器，而是如何将其转化为可用于生命维持的资源。这一转变在太空任务中尤为重要，因为废弃物的体积和重量直接影响航天器的载重能力，而资源回收则能够减少对地球补给的依赖，提高任务的自给自足能力。例如，一个五人航天团队在一年内所需的食品和水大约分别为3300–4300千克和3650千克，这些数量不仅占用大量存储空间，还增加了发射成本。因此，建立一种能够实现废弃物资源化利用的闭环系统，成为未来太空探索的重要方向。

在这一背景下，微生物燃料电池（MFCs）作为一种新型的生物技术，展现出巨大的潜力。MFCs通过微生物的代谢活动，将有机废弃物中的化学能转化为电能，同时回收有价值的营养物质。这种技术不仅能够解决能源和营养物质的回收问题，还能有效抑制废弃物中的病原体，为未来的太空任务提供更加安全和可持续的解决方案。MFCs的核心在于其结构设计：由阳极和阴极组成，两者之间通过质子交换膜隔开。在阳极室中，微生物分解有机物质，释放电子，这些电子通过外部电路流向阴极室，从而产生电流。同时，阴极室中的反应可以促进营养物质的回收，使MFCs成为一种多功能的废弃物处理工具。

尿液是太空任务中产生的主要废弃物之一，其处理方式对整个闭环系统的效率至关重要。目前，国际空间站（ISS）采用的是尿液处理器（Urine Processor Assembly）和盐水处理器（Brine Processor Assembly）相结合的系统，以回收尿液中的水分并处理剩余的盐分。然而，这种方法虽然在水分回收方面表现优异，但仍然导致大量营养物质的流失，且需要定期更换膜材料，增加了维护成本和复杂性。相比之下，MFCs的引入为尿液处理提供了新的思路。通过MFCs，尿液不仅可以被有效分解，还能转化为电能和营养物质，从而实现资源的高效利用。

MFCs在尿液处理中的应用已经取得了一些突破性的进展。研究表明，单个MFC单元可以在三天内完全处理25毫升的新鲜尿液，并产生0.25 mA的电流。在国际空间站中，每位宇航员每天的尿液和冲洗液产量约为1.5千克，这意味着如果使用MFCs进行处理，单个MFC单元可以产生20 mA的电流。为了满足更长时间的能源需求，多个MFC单元可以被配置成堆叠结构，以提高电流输出。这种设计不仅提高了能源回收效率，还为植物生长提供了必要的电力支持，例如用于植物培养的LED灯。

除了能源回收，MFCs还能够回收尿液中的营养物质，为植物生长提供液态肥料。尿液中含有大量的氮、磷和钾（NPK）等元素，这些元素是植物生长所必需的。通过MFCs的处理，这些营养物质可以被有效地分离和回收，从而减少对合成肥料的依赖。例如，在欧盟资助的“微生物水培（Mi-Hy）”项目中，研究人员正在探索将MFCs与水培系统结合，以实现电能和营养物质的同步回收。这一系统不仅可以用于太空任务，还可以应用于地球上的水资源管理，为可持续农业提供新的技术支持。

MFCs的另一个重要优势在于其对病原体的抑制作用。在处理尿液的过程中，MFCs能够通过电化学过程减少病原体的数量，从而降低对人类健康的潜在威胁。研究发现，MFCs产生的阴极液富含营养物质，同时具有一定的抗菌特性。这种特性使得MFCs在处理废弃物时，能够有效地抑制病原微生物的生长，为植物生长提供一个更加安全的环境。在实验中，研究人员利用MFCs处理后的阴极液成功种植了罗勒（Ocimum basilicum），并且没有发现微生物污染的问题。这一成果表明，MFCs不仅可以作为能源回收装置，还能够作为病原体控制工具，为未来的太空农业提供保障。

在太空环境中，MFCs的运行还面临一些独特的挑战。例如，在微重力或零重力条件下，生物膜的形成可能会受到影响。研究表明，微重力环境可能促进微生物的附着和生物膜的生长，从而提高MFCs的功率输出。然而，过厚的生物膜可能会导致系统运行效率下降，因此需要在设计上加以优化。此外，MFCs在处理过程中可能会受到剪切力的影响，这可能影响微生物的代谢活性和生物膜的稳定性。然而，一些研究显示，剪切力可以促进微生物形成更加成熟的生物膜，从而提高电流输出和代谢效率。

另一个值得关注的问题是，航天器中使用的消毒剂和抗菌化学品可能对MFCs的运行产生干扰。这些化学品通常被用于清洗厕所和尿液收集系统，以防止微生物污染。然而，某些消毒剂如十二烷基硫酸钠（SDS）可能会对MFCs中的微生物产生毒性，影响其代谢活性。研究表明，MFCs中的阳极生物膜可以有效降解这些消毒剂，将其转化为无害的物质，从而减少对微生物的负面影响。此外，由于这些消毒剂在冲洗水中被稀释，其抗菌效果也会相应减弱，这为MFCs的运行提供了有利条件。

此外，MFCs在长期运行过程中可能会面临微生物适应性的问题。例如，某些微生物可能会在太空环境中发展出极端耐受性或抗生素抗性，从而影响系统的稳定性。然而，目前的研究表明，ISS上的微生物群落并未表现出极端耐受性或抗生素抗性的发展趋势，因此对宇航员健康不会构成直接威胁。更重要的是，MFCs中的高效生物膜能够有效抑制病原体和病毒的传播，为系统提供额外的防护层。

在长期任务中，MFCs的运行还可能受到环境因素的影响，例如温度和压力的变化。然而，MFCs的设计可以适应这些变化，使其能够在不同的环境条件下稳定运行。例如，通过调整电极材料和反应条件，可以优化MFCs在不同温度范围内的性能。此外，MFCs的模块化设计使其能够根据任务需求进行扩展和调整，从而提高系统的灵活性和适应性。

MFCs的应用不仅限于太空任务，还可以为地球上的可持续发展提供借鉴。在地球上，MFCs已被广泛用于废水处理、生物能源生产和土壤修复等领域。例如，一些研究已经证明，MFCs可以有效去除废水中的有机物，同时回收有价值的营养物质。这种技术的推广可以减少对化学肥料和能源的依赖，提高农业生产的可持续性。此外，MFCs还可以用于土壤修复，通过分解污染物并产生电能，实现环境治理与能源回收的双重目标。

在太空任务中，MFCs的集成应用还可以进一步拓展。例如，MFCs可以与水培系统结合，形成一种完整的闭环系统。这种系统不仅能够回收营养物质，还能利用电能支持植物生长，从而实现食物和能源的同步生产。在这一系统中，尿液中的有机碳（C）可以被分解为二氧化碳（CO?）、氢离子（H?）和电子，其中CO?可以被植物吸收用于光合作用，从而提高碳的利用效率。同时，MFCs中的生物膜还可以进一步降低有机碳的生物需氧量（BOD），减少对环境的污染。

总的来说，MFCs作为一种生物技术，为未来的太空任务提供了新的解决方案。通过将MFCs与水培系统相结合，可以实现废弃物资源化利用，提高能源和营养物质的回收效率，同时抑制病原体的传播。这种技术的推广不仅有助于解决长期太空任务中的资源管理问题，还能够为地球上的可持续发展提供借鉴。随着研究的深入和技术的进步，MFCs有望成为未来太空探索中不可或缺的一部分，为人类在太空中的生存和发展提供更加安全和高效的保障。