● 摘要
生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System, BLSS）技术为载人深空探测十大关键技术之一，具有极高的技术难度、极其复杂度和优先级高等特点，是建立月球、火星等基地的必然选择。系统的闭合度和稳定性是评价BLSS技术水平和成功与否的重要指标。包括植物不可食生物量、动物和人体排泄物等在内的固体废物的处理、循环利用则是提高BLSS闭合度和稳定性的关键环节。本论文研究利用好氧微生物转化处理植物不可食生物量、动物和人体排泄物，研究通过调控废物处理单元实现系统内的气体成分精确控制的方法，对于提高BLSS系统的闭合度和稳定性具有重要的应用价值。
本文研究建立了一种微生物好氧发酵技术处理BLSS内的植物不可食生物量、人和黄粉虫的粪便。首先，采用三因素摇瓶正交试验对发酵条件（温度、初始含水率、接种量）进行了优化，结果表明最适宜的反应条件分别是温度45oC，初始含水率65%，接种量5%。基于此优化条件，研制了固废生物转化器，进行了转化器试验，比较了一次性投料和每天投料两种投料方式对固废减重率的影响，结果表明：在相同发酵条件下，生物转化器运行正常时的固废减重率达到了60.5%，高于摇瓶实验水平（44.25%），并且每天投料方式比一次性投料方式更有利于发酵。
在上述研究的基础上，将研制的固废生物转化器应用于“月宫一号”BLSS地基综合实验系统中，构建了高效可控的固体废物处理单元，在“月宫一号”密闭系统中连续运行105天，采用每天投料的方式，及时处理了人和虫产生的粪便以及植物不可食生物量，有效体积为38L的固废生物转化器，105天合计处理了16.08kg的人和虫的粪便，17.47kg的秸秆等植物不可食生物量，固废减重率达到41%；研究了在固废生物转化器中不同发酵阶段的微生物群落的变化，结果表明，在整个发酵过程中微生物群落具有丰富的种群多样性，并且随着发酵时间的延长，微生物群落的种类数呈现上升趋势，后期趋于稳定，同时发现发酵初期和末期微生物群落的相似性比较低，系数仅有27.2%，而发酵第四周和第五周的相似性最高，系数达到了66.2%，但是在整个发酵过程中，不同种类的微生物数量呈现不同的波动趋势，细菌在所有微生物种群中一直占据着优势，有利于保证密闭舱室环境生物安全；还对发酵后的基质的腐熟度和生物毒性进行了评价，pH、容重、C/N指标的显示发酵后的基质是腐熟的，将基质和水分别按照1:10、1:20、1:30以及1:50的比例混合得到其浸提液，进行发芽试验，所得结果显示，各实验组的发芽率均高于60%，尤其是1:30和1:50的实验组发芽率分别是85%、83.9%，与对照组（89.2%）无显著性差异；同时1:10和1:20的发芽指数很低，分别为21.1%、31.2%，说明此时浸提液抑制小麦发芽的物质浓度较高从而抑制了小麦发芽，而1:30和1:50的实验组发芽指数分别达到了67%、87.2%，表明此时的浸提液无毒，有利于发芽和植物生长。
在“月宫一号”连续105天实验过程中，分析了其降解固废产生CO2情况，探讨通过调控发酵温度实现调控废物处理单元CO2浓度进而调节系统大气平衡的可行性。研究发现，当生物转化器在固定发酵条件下稳定连续运行时，其产生的CO2浓度变化趋势基本趋于稳定；当改变发酵温度时，其产生的CO2浓度与固废转化器发酵温度变化的趋势一致，存在明显的正相关性，相关系数达到0.9以上。上述结果表明，通过控制固废转化器温度调节CO2浓度的方式进行BLSS的气体平衡调控具有可行性。
综上所述，本论文建立的微生物好氧发酵技术和固废生物转化器可有效处理植物不可食生物量、黄粉虫及人的粪便等固体废物，同时具有调控密闭环境中的CO2浓度的功能。