关于尿液变化过程以及二氧化锰（DOM）转化机制的见解，以实现太空站中可持续的氮水协同回收

《Journal of Environmental Management》：Insight into the urine progression and DOM transformation mechanism for sustainable nitrogen-water synergistic recovery in space stations

　　

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  研究了尿液变化的机制以及预处理剂的影响。
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  尿素水解是导致尿液变化的原因，预处理剂改变了有机质的转化。
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  确定了有机质的组成和变化，并揭示了H₂SO₄和CrO₃对有机质的影响。
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  H₂SO₄和CrO₃将沉积物从MgNH₄PO₄转化为尿酸和CrPO₄。
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  提出了用于可持续太空探索的尿液预处理和回收标准。

引言

环境控制和生命支持系统（ECLSS）为宇航员在深空探索和地球外生存提供了最基本的保障。其中，高闭合度的水循环对于长期自主太空探索中的生命支持至关重要，尤其是在未来的行星基地阶段（Amalfitano等人，2020年）。因此，建立一个具有高度集成废水处理和再利用功能的自给自足的水系统非常重要，以增强水的闭合度并减少地面补给（Ma等人，2024年）。尿液及其冲洗水、冷凝水和卫生水是空间站的主要废水和水源，尿液约占总体积的一半，因为每位宇航员每天产生约1.6升尿液（Simbeye等人，2023年）。因此，从尿液中提取水是对ECLSS中闭合水循环的关键（Zheng, L. B.等人，2023年）。

尿液占其总体积的95%，这表明它具有显著的再利用潜力，特别是在自治ECLSS中。同时，尿液含有多种无机和有机化合物，如氮、磷、尿素和尿酸。在尿液中，尿素是最主要的有机物质和氮来源，由于尿素酶的存在、微生物的作用或温度和pH值等物理化学性质的变化，尿素容易发生水解。因此，尿液在储存、运输或处理过程中不稳定，这给尿液在水循环中的再利用和资源回收带来了挑战，也使得杂质分离和高质量再用水的净化变得更加困难（Simha等人，2023年）。通常，尿素水解导致的pH值升高会引起不溶性和微溶性盐的沉积，加剧了水处理中的结垢问题。此外，由于微重力环境下钙的流失（Cai等人，2025年），尿液中的钙和镁浓度较高，与地球上的尿液相比，这导致了更高的结垢潜力和更复杂的无机-有机相互作用（Volpin等人，2020年）。此外，氨的释放对大气环境构成严重威胁，同时也会导致封闭系统中的氮损失（Chipako和Randall，2020年；Yan等人，2021年）。然而，由于尿液中含有高浓度的氮，它对于地球和太空应用都具有重要意义，这对于建立封闭的氮循环和未来的可持续氮回收非常重要。因此，在ECLSS中回收尿液是一个挑战，尤其是对闭合水-氮循环的要求更高（Williamson等人，2021年）。

目前，尿液回收的主要目的是有效地补充空间站的水资源，必须考虑稳定尿液以确保回收的稳定性（Patel等人，2020年）。pH值的调节和控制作为一种简单高效的处理方法，可以实现尿液的稳定，例如碱化和酸化（Randall等人，2016年）。另一种方法是完全降解不稳定的物质，这包括使用过硫酸钾（K₂S₂O₈）（Liu等人，2022年）或重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）（Lyu等人，2023年）进行氧化还原技术。为了确保尿液的稳定，空间站中同时使用了酸化剂和氧化剂。国际空间站（ISS）的美国舱和俄罗斯舱都使用了硫酸（H₂SO₄）和三氧化铬（CrO₃（Carter等人，2017年），以及中国空间站（CSS）（Songlin等人，2025年），最近由于美国舱中SO₄^2?含量增加，改用了磷酸（H₃PO₄）。然而，ISS上六名宇航员的工作能力下的尿液回收率约为85%，这低于空间站对水闭合的高要求。因此，迫切需要创新升级尿液处理技术以提高水的回收率。

在ISS和CSS中，预处理后的尿液通过尿液处理组件（UPA）和水处理组件（WPA）进行处理，以满足水资源分配的需求（Ma等人，2024年），这些组件采用低压蒸馏技术生产高质量的水（Williamson等人，2024b）。然而，UPA在轨道上存在较高的故障风险，包括周期性振动、传动带打滑和内部止回阀泄漏（Mi等人，2026年）。这些问题主要是由于管道中发生的无机结垢引起的，可能需要每年进行多次维护（Williamson等人，2024a）。同时，预处理剂对尿液成分动态变化的影响尚未完全了解，特别是对溶解有机质（DOM）的转化和沉淀物。预处理剂与DOM之间的复杂相互作用对于回收水的质量和稳定性以及封闭空间中的元素循环至关重要。另一方面，尿液是空间站中营养元素的汇，包括氮（N）、磷（P）等，未来回收这些营养元素非常重要。如何从尿液中回收氮和磷等营养物质已成为地球循环经济中的一个主要问题，对于可持续的深空探索中的食物生产也至关重要。因此，分析尿液成分在储存过程中的变化，特别是在预处理剂的作用下，对于开发和应用高水和水资源回收率的尿液处理技术非常重要。

本研究调查了预处理剂对尿液变化的影响和机制，重点关注氮（N）、磷（P）和DOM的分布和转化，以支持太空和水资源回收方面的创新，以及地球上的应用。同时，分析了沉淀物成分，以了解尿液成分的差异，进一步解释了预处理剂对尿液的作用机制。此外，还确定了尿液成分转化的潜在途径和关系，从而理解了尿液的变化及其受预处理剂的影响。最后，为太空探索方面提出了尿液预处理剂及其后续处理的重要指导原则和发展趋势。

章节摘录

化学试剂

抗坏血酸（C₆H₈O₆，AR）、钼酸盐（(NH₄)₂MoO₄，AR）、酒石酸钾半水合物（KSbC₄H₄O₇·1/2H₂O，CP）、酒石酸钾钠四水合物（NaKC₄H₄O₆·4H₂O，AR）、氯化铵（NH₄Cl，AR）、尿素（CO(NH₂)₂，AR）和硫酸（H₂SO₄（98%，GR）由Sinopharm集团化学试剂有限公司提供。过硫酸钾（K₂S₂O₈

尿素水解作为主导因素

尿液成分的变化高度符合伪二阶方程（图S1），表明存在统一的主导速率控制机制。显然，由于尿素水解，NH₄⁺-N的含量增加了（Krishnamoorthy等人，2020年），并在储存8小时后迅速增加，在48小时内达到平衡浓度（图S2）。这一水解速率与之前的报告不同，之前的报告称尿素水解持续3到4天。

结论

尿液是封闭太空中的水和营养循环的宝贵资源。本研究阐明了尿液变化的机制以及H₂SO₄和CrO₃的独特作用，通过综合分析水质、有机质和沉积物得出了这一结论。尿液在储存过程中首先发生腐殖化，尿素水解主导了尿液的变化，这一变化在储存8小时后由Firmicutes和Proteobacteria菌群引发。这一过程提高了pH值和NH₄⁺-N的含量，促进了MgNH₄PO₄的沉淀。

CRediT作者贡献声明

吴启阳：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件开发、形式分析。顾青青：可视化、软件开发。乔建业：可视化、软件开发。Bart Van der Bruggen：撰写 – 审稿与编辑。Ho Kyong Shon：撰写 – 审稿与编辑。魏远松：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。郑丽斌：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52270081）、北京Nova计划（20240484679）和国家重点研发计划（2021YFC3201403）的支持。

吴启阳|顾青青|乔建业|Bart Van der Bruggen|Ho Kyong Shon|魏远松|郑丽斌