光照强度与光周期互作调控太空蔬菜水菜的营养成分及光能利用效率研究

为解决宇航员长期太空任务中的营养补充问题，研究人员开展光照强度(200-800 μmol·m-2·s-1)与光周期(16/24 h)对水菜(Brassica rapa ssp. nipposinica)营养成分影响的研究。发现800 μmol·m-2·s-1结合16小时光照可优化维生素K1、维生素C等关键营养素含量，而200 μmol·m-2·s-1处理的光能利用效率更高。该研究为太空农业系统设计提供了重要数据支撑。

　　

在长期太空任务中，宇航员的营养保障面临严峻挑战。预包装太空食品存在维生素C、K₁等关键营养素易降解的问题，而新鲜蔬菜的太空种植又受限于舱内狭小空间和能源供给。美国田纳西大学(University of Tennessee)与NASA肯尼迪航天中心的研究人员选择富含营养的水菜"Red Hybrid"为研究对象，在模拟国际空间站环境(CO₂浓度2770±180 μmol·mol^-1)下，系统分析了不同光照组合对植物形态和12种营养素的影响，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究采用水培系统，通过LED光源精确控制4种光照强度(200-800 μmol·m^-2·s^-1)和2种光周期(16/24 h)，使用HPLC检测花青素、类胡萝卜素等次生代谢物，ICP-OES分析矿物质含量，建立包含14项指标的加权评价体系（含植物体积等负向指标）。

主要结果

1. 形态学特征：24小时光周期下400 μmol·m^-2·s^-1处理的生物量最高（与600 μmol·m^-2·s^-1/16 h等DLI处理相比增加15%），但800 μmol·m^-2·s^-1/16 h处理的植株最紧凑（体积减少22%）。

1. 营养素响应：

• 花青素浓度随光照增强呈线性下降（11.9→7.2 mg·g^-1），可能与高CO₂下的"稀释效应"有关
• 800 μmol·m^-2·s^-1/16 h处理的维生素K₁含量达每日推荐量100%（75 g鲜重）
• 矿物质中仅镁随光照增强增加26%，钾、铁在24 h光周期下显著降低

1. 能源效率：200 μmol·m^-2·s^-1处理的单位能量产出比800 μmol·m^-2·s^-1高58%，但后者营养密度更优。

该研究首次量化了太空环境下光照参数对水菜营养品质的调控规律，揭示出"高光强短周期"与"低光强长周期"的互补价值：前者适合空间站短期任务的高营养需求，后者更适合深空探测等能源受限场景。研究提出的加权评分模型（含骨健康相关指标钙、铁等权重）为后续太空作物栽培系统优化提供了方法论基础。值得注意的是，超常CO₂环境可能导致植物矿质吸收机制异常，这为未来研究指明了新方向。