【博科園-科學(xué)科普】賓夕法尼亞州立大學(xué)的地球科學(xué)研究人員終于弄明白了有機(jī)農(nóng)民們一直以來所知道的：消化垃圾可以幫助生產(chǎn)食物。但是地球上的農(nóng)民可以讓土壤中的微生物將廢物轉(zhuǎn)化為肥料，而這些肥料可以用來種植糧食作物，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員不得不采取另一種方法正試圖弄清楚如何讓微生物直接轉(zhuǎn)化為食物。
賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員正在開發(fā)一種方法，利用微生物將人類的排泄物轉(zhuǎn)化成食物，用于長(zhǎng)時(shí)間的太空航行。圖片版權(quán)：Yuri Gorby, Rensselaer Polytechnic Institute
長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)有很多困難，或者像火星這樣的其他星球有很長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)。最具挑戰(zhàn)性的難題之一是如何攝取足夠的食物。宇航員在6個(gè)月的火星之旅中所吃的食物，以及返程的足夠重量，重量很大，而且所有的重量都必須由昂貴的火箭送入太空。
太空探索技術(shù)公司的可重復(fù)使用的火箭正在降低太空發(fā)射的成本，但成本仍然過高。任何重量的節(jié)省都有助于任務(wù)的可行性，包括減少長(zhǎng)期太空旅行的食物供應(yīng)。在這張圖片中SpaceX獵鷹9號(hào)回收火箭于2017年10月11日下午6點(diǎn)53分在日落時(shí)分起飛。圖片版權(quán)：Ken Kremer/Kenkremer.com
攜帶足夠的食物在太空進(jìn)行長(zhǎng)途旅行是有問題的。到目前為止提供這種食品的解決方案一直集中在水培室和溫室里。但這也需要大量的空間、水和能量。和時(shí)間，這并不是一個(gè)真正的解決方案。賓夕法尼亞州立大學(xué)地球科學(xué)教授克里斯托弗·豪斯說：這比種西紅柿或土豆快。
賓夕法尼亞州立大學(xué)(Penn State)的研究人員正試圖開發(fā)一種將垃圾直接轉(zhuǎn)化為可食用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方法。他們的目標(biāo)是把中間過程剔除出去在這種情況下，中間過程是植物本身，就像番茄、土豆或其他水果和蔬菜一樣。
科學(xué)家一直假設(shè)在火星上工作的宇航員會(huì)在模擬的地球環(huán)境中種植地球上的農(nóng)作物來養(yǎng)活自己。但這需要大量的能量、空間和材料。也許沒有必要。藝術(shù)展示了火星上的溫室。圖片版權(quán)： SAIC
賓夕法尼亞州立大學(xué)地球科學(xué)教授克里斯多夫·豪斯說：設(shè)想并測(cè)試了同時(shí)將宇航員的排泄物與微生物同時(shí)進(jìn)行處理的概念，同時(shí)生產(chǎn)一種可以直接或間接食用的生物量，這取決于安全問題。這有點(diǎn)奇怪但這個(gè)概念有點(diǎn)像Marmite或Vegemite，你在那里吃了一抹‘微生物黏液’。賓州州立大學(xué)的研究小組建議使用特定的微生物將廢物直接轉(zhuǎn)化為可食用的生物量。
他們工作的核心是微生物反應(yīng)器，微生物反應(yīng)器基本上是用來使微生物的表面面積最大化的容器。這些類型的反應(yīng)堆用于處理地球上的污水，而不是用來生產(chǎn)可食用的生物量。研究人員建造了一個(gè)直徑4英尺，直徑4英尺的圓柱形容器。在里面允許選擇的微生物在受控條件下接觸到人類排泄物。這個(gè)過程是厭氧的，類似于人類消化道內(nèi)發(fā)生的事情。
厭氧消化是我們?cè)诘厍蛏辖?jīng)常使用的處理垃圾的方法。這是一種有效的處理和回收質(zhì)量的方法。新穎之處在于從這條河流中汲取營(yíng)養(yǎng)，并有意將其放入微生物堆中以種植食物。研究小組發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程很容易產(chǎn)生甲烷。甲烷是高度易燃的，在太空任務(wù)中是非常危險(xiǎn)的，但在食品生產(chǎn)中它還有其他可取的特性。事實(shí)證明甲烷可以用來生長(zhǎng)另一種微生物，叫做甲基球菌。囊狀球菌被用作動(dòng)物食品。這一過程可以為宇航員提供一種營(yíng)養(yǎng)豐富的食物，即52%的蛋白質(zhì)和36%的脂肪。
使用了來自商業(yè)水族工業(yè)的材料用于生產(chǎn)甲烷。過程并不簡(jiǎn)單，所涉及的厭氧過程會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體非常危險(xiǎn)的病原體。為了防止這種情況發(fā)生，研究小組研究了在堿性環(huán)境或高溫環(huán)境下培養(yǎng)微生物的方法。在將pH值提高到11后發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)菌的菌株，Halomonas desiderata茁壯成長(zhǎng)。Halomonas desiderata是15%的蛋白質(zhì)和7%的脂肪。他們還將該系統(tǒng)啟動(dòng)到一個(gè)致病原的158華氏度，并發(fā)現(xiàn)可食用的Thermus aquaticus生長(zhǎng)，這是61%的蛋白質(zhì)和16%的脂肪。
在英國(guó)傳統(tǒng)的廢物處理工廠需要幾天的時(shí)間來處理廢物。賓州州立大學(xué)的研究小組對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示垃圾處理的時(shí)間只有1要個(gè)小時(shí)。圖片：Nick Allen, CC BY-SA 4.0
系統(tǒng)是建立在現(xiàn)代水族系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的，那里的微生物生活在過濾膜的表面。微生物從河流中吸收固體廢物，并將其轉(zhuǎn)化為脂肪酸。然后這些脂肪酸被同一表面的其他微生物轉(zhuǎn)化為甲烷。速度是這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)因素，現(xiàn)有的廢物管理處理一般需要幾天時(shí)間。在13個(gè)小時(shí)內(nèi)該小組的系統(tǒng)將固體廢物移除了49%至59%。
這個(gè)系統(tǒng)不會(huì)很快在太空中出現(xiàn)。這些測(cè)試是針對(duì)個(gè)別組件進(jìn)行的，作為可行性論證。一個(gè)完整的系統(tǒng)仍然需要建立。每個(gè)組件都非常堅(jiān)固和快速，快速分解廢物。這就是為什么這可能有未來太空飛行的潛力。這比種西紅柿或土豆要快。該研究小組的論文發(fā)表在《空間研究生命科學(xué)》雜志上。\
知識(shí)：科學(xué)無國(guó)界，博科園-科學(xué)科普
參考：Life Sciences In Space Research
