长期太空飞行中宇航员营养用微生物生物量潜在厌氧培养

《Agronomy》：The Potential Anaerobic Cultivation of Microbial Biomass for Astronaut Nutrition During Long-Term Space Flight

　　

长期载人航天任务将对补给的重量和体积产生显著限制。所需的食物以及产生的废物管理构成挑战，要求能够有效回收营养物质的技术。利用微生物过程可能是应对这一挑战的途径。在此，研究人员提出，厌氧废水消化的副产物（有机酸、H₂和CO₂）可与大气再生的废CO结合，用于生产微生物生物量，特别是伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii）和胶质红假单胞菌（Rubrivivax gelatinosus），作为食物来源。首先，研究人员证明了关键反应的热力学是有利的。接下来，进行了营养分析，以评估A. woodii和R. gelatinosus作为潜在食品补充剂的适宜性。A. woodii生物量按干重计含21%蛋白质和11%脂质；R. gelatinosus生物量按干重计含54%蛋白质和21%脂质。最后，研究人员在不同（铵）乙酸盐浓度下对R. gelatinosus进行了生长实验。在观察到中等含量的乙酸盐产生最多生物量之后，第二个生长实验表明，高浓度的乙酸盐（而非铵）是观察到的抑制因素。这一展望有望激发新的研究，以建立长期太空飞行中通过微生物生长回收废物的系统。

长期太空飞行任务对载荷重量和体积有严格限制，食物供给与废物管理成为深空探测必须解决的核心问题。国际空间站（ISS）虽已实现约98%的水回收，但固体废物中的营养盐并未被循环利用，而深空任务无法定期补给，也不可能将废物回运或再入销毁。受控生态生命支持系统（CELSS）利用生物过程循环废物并再生资源，其中厌氧消化可处理复杂有机废物并产生有机酸、H₂和CO₂，而固体氧化物电解制备O₂时副产的CO也是可利用的废气流。基于此，研究人员提出将上述废物流耦合，用于培养两种非致病厌氧微生物——伍氏醋酸杆菌（Acetobacterium woodii）和胶质红假单胞菌（Rubrivivax gelatinosus），作为宇航员营养补充剂。该研究发表于《Agronomy》，其意义在于为长期太空飞行中废物流的原位资源化利用与单细胞蛋白（SCP）生产提供理论依据和实验基础。

为开展研究，研究人员采用了以下主要技术方法：（1）基于标准吉布斯自由能生成数据，利用Python脚本并考虑亨利定律，计算各关键反应在不同温度、压力和浓度下的吉布斯自由能变化（ΔG）及生化标准吉布斯自由能（ΔG^°′）；（2）对购自德国DSMZ菌种保藏中心的A. woodii（DSM 1030）和R. gelatinosus（DSM 1709）进行营养组成分析，采用氯仿/甲醇/无脂水（1:2:0.8）提取脂质，A. woodii蛋白质用Lowry试剂盒测定，R. gelatinosus因色素干扰使用Direct Detect红外光谱仪测定；（3）在光照厌氧条件下进行R. gelatinosus生长实验，通过600 nm光密度（OD₆₀₀）和显微镜细胞计数监测生长，并用离子色谱测定乙酸盐浓度。

### 3.1 反应方案与热力学计算

研究人员提出了四步反应方案：CO₂通过固体氧化物电解生成CO和O₂；葡萄糖模拟非产甲烷厌氧消化生成乙酸盐、HCO₃^?和H₂；A. woodii可由CO或H₂/CO₂产乙酸并形成生物量；R. gelatinosus光合异养消耗乙酸产生H₂和生物量。热力学计算表明，在pH 7、30 °C条件下，CO转化为乙酸的反应在CO分压高于约1 Pa时即可自发进行；H₂/CO₂产乙酸反应需H₂分压约1.5×10⁴ Pa、CO₂分压约2500 Pa以上；乙酸产氢反应在H₂分压低于约10⁴ Pa时热力学可行。将产乙酸和耗乙酸反应耦联后，整体反应在较宽的分压范围内均可自发进行。

### 3.2 营养分析

A. woodii生物量按干重计含21%蛋白质和11%脂质；R. gelatinosus生物量按干重计含54%蛋白质和21%脂质。这表明两种微生物均具有作为单细胞蛋白来源的潜力，其中R. gelatinosus的蛋白质和脂质含量更高，更适合作为营养补充剂。

### 3.3 不同底物水平的初步生长实验

在含不同浓度乙酸铵的培养基中，R. gelatinosus在光照下均可利用乙酸盐进行光合异养生长，而黑暗对照和无菌对照均无生长。中等乙酸铵浓度（18.7 mM总乙酸、14.0 mM总铵）条件下生长最好，高浓度（37.4 mM总乙酸、20.5 mM总铵）条件下生长反而较差。乙酸盐消耗量在高、中浓度之间无显著差异，说明抑制并非由于底物消耗不足，而可能与高浓度乙酸盐本身有关。

### 3.4 第二项生长实验——区分乙酸与铵的影响

通过独立改变乙酸和铵浓度，发现“低乙酸”条件（18.7 mM总乙酸）下R. gelatinosus的生长显著优于“高乙酸”条件（37.4 mM总乙酸），而铵浓度（14.0 vs 20.5 mM）对生长无一致影响。由此确认，高浓度乙酸盐是抑制生长的因素，而非铵离子。

在讨论部分，研究人员指出，热力学计算支持所提出的代谢网络在生物反应器相关条件下能量可行。A. woodii利用CO生长时可能需要甲酸盐等共底物，而甲酸盐可从废水消化中获得；H₂分压要求也提示需要收集并浓缩反应产生的H₂。R. gelatinosus可耐受并氧化CO，因此理论上可与A. woodii共培养。营养分析结果与已有的微生物蛋白研究一致，但若将微生物生物量直接作为食品，需考虑核酸及嘌呤含量等安全因素，或将其用于水产养殖或农业土壤改良。乙酸对R. gelatinosus的抑制效应与单细胞蛋白系统中常见的底物抑制现象一致，可能涉及碳源过剩、渗透压或代谢调控。

研究结论部分可翻译为：为应对长期太空任务的重量和空间限制，需要能够利用现有废物流原位生产的新技术。研究人员在展望中提出，一种与固体氧化物电解互补的营养回收模型是合理的。初步营养分析表明，所研究的A. woodii和R. gelatinosus是可行的食物来源，其中R. gelatinosus因蛋白质含量高达54%而尤其值得关注。实验表明，在无其他有机物时，R. gelatinosus的光合生长依赖于乙酸盐；而高浓度乙酸盐对生长的抑制作用凸显了微生物反应器生产宇航食品的挑战，需进一步研究。该研究应鼓励进一步探索以废物副产物为底物的光养共培养作为直接膳食补充剂或太空农业/水产养殖改良剂的潜力。