在月球上种菜

我国科学家发明的月壤改良技术，可以将月壤改造为优良的栽培基质，保障未来月球基地的食物需求。

文/廖博阳，北京航空航天大学生物与医学工程学院硕士研究生。

冯佳界，北京航空航天大学生物与医学工程学院副教授。

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月球基地的食物

谈到“未来月球基地中航天员吃什么”这个话题时，一些人可能会想：太空、月球、航天这些“高大上”的字眼预示着航天员肯定吃高科技食品呀！例如，我国科学家已经人工合成了淀粉，届时月球基地可以使用太阳能电池板收集太阳能，用高超的生化手段合成航天员所需的食品。怎么也不可能把地球上平平无奇甚至听上去有些“土”的传统农业弄到月球上去吧。

但是，我们不要低估大自然的智慧，也不要低估依托大自然的传统农业。大自然中的生物经过亿万年的演化，其精巧优异的程度往往能够匹敌甚至超越人类的智慧。例如，植物的叶片就是天然的“太阳能电池板”。就效率而言，虽然它们的效率远低于“真的”太阳能电池板，但这种比较并没有把后者制造过程中的能量成本计算在内。而且，植物是可以“生物再生”的资源，在没有任何工业基础的月球上，它的再生和维护几乎不需要任何成本；太阳能电池板就没有这么省事了，它必须耗费火箭燃料从地球运送而来，一旦发生故障，往往只能送回地球维护或更新。

此外，作物的栽培劳作对航天员来说是不可或缺的心理体验，能促进人体多巴胺、血清素等神经递质的释放，降低人体胶质糖皮质激素的分泌，从而维护航天员的心理健康。在月球上，航天员在栽培劳作中可以感受与植物的相互依存，让思乡之情升华为劳动和生命之美，这正是我们探索宇宙的初衷之一。

载人月球基地已列入了我国月球探测的发展规划。我国“探月三期”工程已实现“六战六捷”，取得了包括“嫦娥五号”采样返回等重大成就。未来，我国将开展“探月四期”工程，联合多国建立“国际月球科研站”。在不远的将来，人类必将实现在月球的长期自治生存。但是，如果月球基地所需的生存物资全部从地球运输过来，由于距离遥远，成本将十分高昂。例如，美国最近研制的“太空发射系统”单次可运输37吨物资进入地月转移轨道，但其单次发射成本高达5亿美元，到更远的火星载人基地的运输则更加困难。因此，必须减少载人基地对地面物资输送的需求。

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月壤栽培实验

作物栽培是生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System, BLSS）的核心功能单元，负责产生新鲜的氧气、食物和水。月壤是月面最为丰富的原位资源，有潜力作为BLSS的作物水培基质被大量应用，从而大幅减少对地面物资输送的需求。与月壤栽培相比，无固体基质的浅水水培稳健性差，如发生机电故障或空调系统问题，容易导致栽培系统崩溃，危及航天员生命安全；无固体基质的深水水培则大量占用月面稀缺的水资源，如保障4人生存需长期占用多达12吨水。

优良的栽培基质应具备固定作物植株、保水透气、营造适宜的根际环境等重要功能，而月壤孔隙度低、容重过大、保水透气性差、颗粒粗糙尖锐，作为水培基质尚需较大幅度的改良。对真实月壤化学组成的分析表明，月壤中稀土元素和重金属元素很少，理论上不具备生物毒性。但是，若用作植物栽培基质，真实月壤中植物所需的营养物质（如钾元素）较少，需要额外补充养分，而且植物在低重力条件下对钾的吸收量可能增加，导致对钾的需求更大。月壤不含有机物，虽然含有机物并非栽培基质的必备特征（如蛭石为优良的基质却不含有机物），但月壤颗粒未经历过生物风化作用，导致其粗糙尖锐，可能会损伤植物根系。

美国佛罗里达大学的研究人员利用阿波罗11号、12号和17号任务收集的月壤样品，进行了栽培拟南芥的实验，这是迄今仅有的真实月壤栽培实验。真实月壤中的拟南芥确实发芽了，但它需要更长时间展叶，根部的生长停滞现象也更多，推测可能是宇宙射线和太阳风破坏了月壤，而且月壤中微小的铁颗粒也对植物发育有损害。实验表明，拟南芥虽然可以在真实月壤中生长，但发育缓慢且出现了胁迫表型，一些与离子胁迫、金属胁迫、活性氧胁迫相关的基因显著上调。

栽培拟南芥实验

左侧是模拟月壤栽培的拟南芥，右侧是真实月壤栽培的拟南芥。

（图片来源：modernfarmer.com）

利用模拟月壤进行的栽培实验结果与此类似，纯模拟月壤中的小麦苗长仅为蛭石（作为较为理想的栽培基质，即阳性对照）中的24.7%，难以满足生命保障需求。

月壤改良实验

改良模拟月壤（左）与纯模拟月壤（中）、蛭石（右，视作理想栽培基质）所栽培的小麦株高（第15 天）对比，模拟月壤改良的优异效果已在地面得到验证。

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改良月壤

北京航空航天大学“月宫一号”团队成功地利用地球土壤所经历的微生物风化作用，采用“月宫365”BLSS实验的日常产物——有机固体废物与模拟月壤开展共发酵改良，将模拟月壤所栽培的小麦苗长提升了161%，达到了蛭石栽培的64%，证明了月壤生物可利用性改良的潜力。

基于月壤的“沃土”是BLSS中物质循环和能量流动的“十字路口”，它耦合了作物栽培、成土作用、有机质降解、灰分营养再利用等关键能流和物循过程。这种“沃土”是BLSS以高能量通量模式运行的核心关键部件，研究团队的下一步工作是揭示“沃土”的生产和维护机理。

该技术在进一步改进之后，将有望满足月面生命保障需求，从而不需要挪用月面基地内珍贵的、原本可用于实验、观测、维护、建设等工作的人员工时和能源物资，来贴补作物栽培和生命保障系统。

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《科学画报》2024年第5期