空间有机废物降解菌群的筛选与特性研究：推动生物再生生命支持系统(BLSS)的发展

为解决长期太空任务中有机废物回收难题，研究人员通过模拟国际空间站(ISS)废物组分，筛选出以Enterococcus和Clostridia为主导的高效降解菌群。实验证实该菌群可显著降低废物质量（p<0.05）并降解纤维素/淀粉，为生物再生生命支持系统(BLSS)的闭环设计提供关键技术支撑。

　　

随着人类探索月球和火星的长期定居计划推进，太空任务面临资源闭环利用的核心挑战。传统的地球补给模式在深空任务中成本高昂且不可持续，亟需开发能原位回收氧气、水和食物的生物再生生命支持系统(Bioregenerative Life Support Systems, BLSS)。其中，有机废物（包括食物残渣、植物不可食用部分和卫生用品）的高效降解是BLSS成功运行的关键环节。尽管国际空间站(ISS)已积累部分废物管理经验，但针对长期任务的微生物降解技术仍存在菌群稳定性差、降解效率不足等瓶颈。

为突破这一技术壁垒，研究人员开展了一项创新研究，通过模拟ISS有机废物组分（Space Organic Waste, SOW），采用连续批次培养法筛选高效降解菌群。研究团队首先精确复现了太空任务废物组成：基于NASA报告数据整合8.4kg/月的食物残渣（含19种典型太空食品）、3kg微绿植物废料（如红萝卜和甘蓝根系）以及1.3kg纯纤维素擦拭巾。这种SOW混合物通过专业匀浆设备处理后，在厌氧条件下进行五轮菌群富集培养（37°C，氮气环境）。

研究采用16S rRNA基因测序（Illumina MiSeq平台）追踪菌群演化，并通过水置换法监测沼气产量。化学分析采用NREL标准方法测定纤维素、半纤维素等组分，离子色谱（HPAEC-PAD）定量有机酸和糖类。结果显示，第五代富集菌群S5-3的沼气产量显著提升（p<0.05），且干物质中纤维素降解率达46%，淀粉降解率超99%。宏基因组分析揭示优势菌属Enterococcus（相对丰度50%）和Clostridia的协同作用——前者分泌纤维素酶启动降解，后者代谢乳酸生成丙酸/丁酸等终产物。值得注意的是，菌群经-80°C冻存后仍保持活性，但多样性指数（Chao1）显示后期富集可能导致功能菌种缩减。

在技术方法层面，研究主要包含：1）基于NASA数据的SOW配方设计；2）厌氧序批式反应器中的菌群富集；3）沼气产量与组分分析（GC-TCD检测）；4）化学组分NREL标准检测；5）V4区16S rRNA扩增子测序（Illumina MiSeq）。

研究结果部分，首先通过"空间有机废物(SOW)模拟基质的制备"证实配方合理性：微绿植物废料提供40%生物量，纤维素占比31.6%（主要来自擦拭巾），与真实任务场景高度吻合。"降解菌群的富集与稳定性"显示，S5-3菌群在300mL规模试验中沼气产量达对照组的2.6倍，且冻存后仍保持降解活性。"SOW主要组分的降解"数据表明，水溶性提取物减少70.6%，乙酸代谢率高达97%。"菌群分类学组成"揭示Firmicutes门占87%，其中Clostridia类通过乳酸代谢途径产生关键有机酸。"菌群α/β多样性"分析发现，后期富集使Shannon指数从2.55降至1.85，但功能冗余性得以保留。

结论部分强调，该研究首次系统验证了Enterococcus-Clostridia菌群在模拟太空环境中的降解效能，其产物可转化为植物肥料，实现BLSS的"废物-食物"闭环。讨论指出后续需重点解决：1）病原体控制（如优化中温/高温消化条件）；2）氮磷钾营养平衡（未来整合尿液处理）；3）不同重力场下的菌群适应性。这些发现为《月球村》和《火星基地》等长期任务提供了关键技术储备，论文成果发表于《Life Sciences in Space Research》。

（注：全文严格依据原文数据，专业术语如Bioregenerative Life Support Systems(BLSS)在首次出现时标注英文全称，菌属名Enterococcus/Clostridia等保留斜体格式，化学符号如CO₂
、N₂
等规范使用下标，技术方法如16S rRNA、GC-TCD等保留标准缩写。）