走向可持續(xù)的太空探索:利用微生物力量的路線圖

　　摘要

　　尋找可持續(xù)的方法以實現(xiàn)對陸地資源的獨立，對未來的空間探索至關重要。這不僅關系到在低地球軌道以外建立可行的空間探索，而且關系到與產生空間廢物和保護地外環(huán)境有關的倫理考慮。在這里，我們提出并強調了一系列獨特的微生物生物技術，適用于建立現(xiàn)場資源利用和閉環(huán)的可持續(xù)過程。促進空間可持續(xù)性的微生物生物技術研究和開發(fā)將可轉化為地球應用，解決陸地環(huán)境問題，從而支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標。

　　簡介

　　人類可能會傾向于將宇宙視為一個擁有無限資源的豐富寶庫。然而，太空探索的實際情況卻截然不同。隨著公共部門和私營部門都強烈希望將人類活動擴大到地球軌道以外，對空間探索和空間開發(fā)的可持續(xù)性的需要正變得更加明顯。在應用于太空時，可持續(xù)性的概念通常被理解為“確保所有人類能夠繼續(xù)為和平目的和現(xiàn)在和長期的社會經濟利益利用外層空間”1。到目前為止，主要是指需要控制、調節(jié)和清除近地軌道(LEO)2、3的空間碎片和行星保護(促進負責任的太陽系探索的實施和發(fā)展，以保護空間環(huán)境和地球)3。隨著人類渴望探索外太空，這一概念的定義發(fā)生了變化和擴展，任務操作的自我可持續(xù)性成為一個關鍵方面。環(huán)閉合，這意味著資源的回收和再利用，以建立循環(huán)經濟，可以極大地提高空間探索的可持續(xù)性，它不僅是*小化從地球上再供應資源的成本，而且是與空間廢物產生和保護地外環(huán)境相關的倫理考慮的關鍵4,5,6,7,8,9,10。聯(lián)合國決定，考慮到《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》，外層空間活動應盡量減少對空間環(huán)境和地球的影響11、12。

　　在這一前沿領域取得進展的*大障礙是缺乏可部署的技術，使前哨站、擴展任務以及未來的定居點能夠通過就地資源利用(ISRU)和*大限度地回收資源來維持自身5。除了機械/物理/化學方法外，廣泛的生物技術和微生物將有助于實現(xiàn)長期生命維持和棲息地系統(tǒng)的性能(閉環(huán))，以及ISRU、制造和能源收集/儲存6,7,13,14,15,16,17。微生物方法由于其彈性，可以在偶爾的監(jiān)測和維護下自我維持，并且總體上比物理化學方法所需的能量更少16。

　　在這里，我們重點討論了微生物在可持續(xù)人類深空探索技術發(fā)展中可以發(fā)揮的關鍵作用，考慮了兩個主要方面:(i)需要成熟的生物技術和生物過程，以允許任務功能的近閉環(huán)操作，如生命支持，以增加自主性和可持續(xù)性;以及(ii)需要減少人類在太空擴大存在對供應鏈的依賴。本文提出的方法是基于目前在地球上以不同技術準備水平(TRL)實施的過程和技術，必須進行調整以滿足空間環(huán)境的具體要求和挑戰(zhàn)。為任何特定的太空應用選擇*合適的生物工藝和*適用的微生物并非易事，因為地面技術很少能輕易適應太空的惡劣條件18。因此，必須進行廣泛的研究和開發(fā)，以提高TRL，使這些技術能夠在太空中成功實施。*后，旨在提高空間探索可持續(xù)性的微生物生物技術可能可轉化為地球應用，以推進循環(huán)經濟，進一步支持聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(SDGs)11,12。

　　棲息地空氣生物修復

　　航天器的環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)(ECLSS)管理適合人類操作和有利于舒適生活的水供應、大氣壓力和成分(O2、CO2和惰性氣體水平)、溫度和相對濕度。二氧化碳在人類廢物處理及回收

　　人類糞便管理對人類太空探索提出了挑戰(zhàn)，提出的解決方案通常集中在如何壓縮、消毒和處理人類糞便，而不是回收利用它26。目前，在國際空間站上，人類排泄物被穩(wěn)定、干燥并噴射出空間站，在地球大氣中燃燒。這種方法對于遠距離任務顯然是不可持續(xù)的，因為它占用了大量潛在有用的資源。固體人類糞便可被用作生產食品和食用補充劑的原料，以及微生物或植物性生命維持系統(tǒng)(LSS)組件的營養(yǎng)素/肥料(圖1)。許多物理化學方法用于固體廢物管理，如熱解或焚燒，正在被提出26。然而，微生物支持的過程可以通過加強循環(huán)閉合來加強人類廢物的回收。歐洲航天局(ESA)支持的MELiSSA項目(微生態(tài)生命支持系統(tǒng)替代方案)包括一系列用于LSS的互連生物反應器;這是一個很好的例子，說明了各種類型的廢物流，包括人類代謝*終產物，可以如何利用微生物進行升級循環(huán)5。雖然厭氧廢物處理通常被認為比好氧方法時間效率低，但它可以實現(xiàn)與物理化學過程相當的降解率。已經開發(fā)出一種雙組分系統(tǒng)，它可以厭氧地將液體和固體人類糞便轉化為富含蛋白質和脂肪的微生物生物量，用于食品生產28。

　　糧食生產

　　在太空中生產糧食的能力對于在長期太空任務中實現(xiàn)可持續(xù)性和自給自足至關重要，微生物生物技術可大大提高這一能力。例如，植物微生物組將在太空作物生產的成功中發(fā)揮關鍵作用。與人類微生物組一樣，植物相關的微生物群落為宿主提供了許多好處，例如促進植物生長，刺激植物激素的產生，控制病原體，調節(jié)免疫功能，緩解非生物和生物應激29。共生細菌在溶解環(huán)境中的營養(yǎng)物質并將其轉化為生物可利用形式和改善土壤肥力方面也是必不可少的29,30。例如，食品生產中的氮回收可以通過微生物介導的大氣固氮，或通過合成微生物群落介導的尿液硝化來完成(見“人類廢物處理和回收”一節(jié))31。

　　對于長時間的太空旅行，應考慮使用農業(yè)益生菌，以幫助在太空中生長健壯、穩(wěn)定和健康的作物。在地球上，農業(yè)益生菌已被用作植物生物刺激素、生物肥料和改善土壤質量的生物修復。更好地了解植物微生物組的組成和功能在太空飛行中的變化，有助于為太空農業(yè)定制益生菌補充劑。例如，根瘤菌接種劑的概念已經在實踐中:用選定的細菌和真菌菌株接種種子，可以提高作物產量和環(huán)境可持續(xù)性35。面向航天飛行的接種物的其他屬性也可能包括有助于*大化資源效率的細菌/真菌，從而需要更少的投入來實現(xiàn)*佳生長。如前所述，藻類和藍藻不僅可用于空氣再生，還可作為食物來源和支持植物生長9,20。

　　為了在月球或火星上成功建立人類前哨基地，宇航員必須利用當地(原地)資源，如風化層(見“土壤修復”一節(jié))，自己生產食物。農業(yè)方法包括土壤農業(yè)、水培法、細胞農業(yè)等。以國際空間站的高級植物棲息地為例，建立一個類似溫室的基礎設施，以及充足的光線、水供應、土壤養(yǎng)分和作物生長的其他必要參數，可能會加強循環(huán)的閉合。這些和其他資源可以從其他(生物支持的)LSS和ISRU隔間中獲得(圖1)。

　　與藥物生物合成越來越相關的微生物來源是人類腸道微生物群。人類微生物組項目*近的一項宏基因組分析表明，人類相關細菌編碼生物合成機制，以合成大量的次級代謝產物，如小生物活性分子(如抗生素)。許多研究在航天飛行和模擬研究中調查了腸道微生物組的組成和功能的變化47?？梢钥紤]使用精心策劃的微生物群落(例如由非致病菌株組成的微生物群落)來降低傳染病的風險48。

　　Biomining

　　在低軌道軌道之外，基礎設施的開發(fā)成本急劇增加。因此，需要具有成本效益的資源供應。一種選擇是通過生物采礦利用目的地現(xiàn)有的就地資源44,49,50,51。生物采礦，即利用微生物從粗礦物(例如，風化層)和礦山廢料中提取有價值的金屬，已經為適應空間應用做出了廣泛的努力50,51,53,54,55,56。空間生物采礦主要受到經濟因素的限制:生物介導的過程往往比濕法冶金過程更便宜，對環(huán)境的危害更小，但很少能提供同樣高的分離率。然而，考慮到與地球上采礦活動有關的環(huán)境和健康成本，生物采礦對于各種資源來說已經具有成本效益(銅、金、鎳和鈷的開采都在商業(yè)規(guī)模上進行)57。

　　化化巖石自養(yǎng)生物(例如，鐵和/或硫氧化微生物)可能適用于硫化物礦物的生物開采，出現(xiàn)在火星或小行星物質的各種環(huán)境中58。具有其他營養(yǎng)偏好的微生物(如有機營養(yǎng)體)、菌群或生物工程技術可用于其他地方:月球表面主要由硅飽和巖石組成，硫含量一般較低50,54。有機營養(yǎng)微生物對有機營養(yǎng)物質的需求受到空間環(huán)境中碳的可用性的限制，在閉環(huán)系統(tǒng)中至少可以部分滿足(圖1)。

　　微生物從玄武巖54、55、58中提取稀土元素和釩，從l -球粒隕石材料中提取鉑族元素，已在ISS55、56、59上進行了驗證。然而，還需要進一步的研究來證明這些系統(tǒng)的可擴展性，提高性能，并使該技術適用于其他感興趣的元素(例如，硅，鐵，鋁)。水、氧、氫以及其他關鍵分子和元素也可以通過biomining50獲得。這些化合物不僅從生物技術的角度，而且對任何人類活動都是必不可少的。關于在月球和火星條件下進行生物采礦的能力的知識很少，也缺乏理論特征50,51，而努力提高在太空條件下從地外風化層中生物浸出能力，以及發(fā)展生物工程和合成生物學方法，對成熟技術至關重要。

　　雖然從長遠來看，探礦本質上是不可持續(xù)的，因為不可避免地會消耗資源(例如采礦時的礦石)，但生物采礦一般被認為比傳統(tǒng)采礦更環(huán)保，因為它避免使用有毒的無機試劑。這對地外應用也很重要，因為它可以減少對輔助資源的需求。有人提出，生物礦化反應器可以添加到生物再生LSS50中，從而有助于閉環(huán)和ISRU(圖1)。

　　結構生物制造:生物混凝土，真菌建筑

　　考慮到稀缺的資源可用性，在地球之外建造和維護基礎設施是一項必要而艱巨的任務。傳統(tǒng)的施工方法使用大量的原材料，需要穩(wěn)定的維護。為了使建筑和基礎設施維護更具可持續(xù)性，將修復置于更換之上是至關重要的，并且可以通過生物自修復材料來促進。

　　混凝土和水泥是地球上必不可少的建筑和粘合材料。由于質量的限制，表面結構可能在一定程度上需要礦物的結合來建造，但在空間中可能沒有同樣程度的使用。例如，微生物誘導方解石沉淀(MICP)是一種生物地球化學過程，微生物沉淀碳酸鈣(CaCO3)60，可用作粘結劑61。此外，MICP還可以幫助有毒化合物的生物修復和二氧化碳的封存62,63。微生物電解碳捕獲可用于封存二氧化碳，據估計，在美國，每年可通過該過程捕獲6800萬噸二氧化碳64。

　　隨著時間的推移，撞擊事件會粉碎行星表面的風化層，形成極細的灰塵，可以阻礙設備的功能并對人類造成傷害65。具有MICP能力的細菌可用于結合和硬化風化層，鞏固灰塵66。同樣，藍藻生物膜可用于控制和結合細風化層67。以尿素降解為基礎的MICP的副產物，如銨和硝酸鹽，可以進一步升級到一個閉環(huán)系統(tǒng)(圖1)。然而，當必須避免有毒副產物的釋放時68，可以使用替代碳酸鈣沉淀的微生物(例如，甲烷氧化細菌甲基囊菌)69。

　　基于真菌的生物技術可能為空間應用提供另一種生產堅固和耐腐蝕結構的機會。真菌建筑指的是用真菌生產剛性結構部件和表面。真菌菌絲可以形成密集的網絡，與其他材料結合，如風化層，形成菌絲基復合材料。這些在地球上的各個行業(yè)中普遍使用。美國國家航空航天局(NASA)已經為太空探索探索了這種解決方案，利用菌絲體作為一種手段，為火星和月球表面建造堅固的家具和棲息地外殼。雖然對空間應用的研究尚處于起步階段，但真菌非凡的抗輻射能力甚至已成為輻射防護研究的一個課題。這可能為現(xiàn)場制造堅固和自我再生的結構和工程生命材料提供了可能，從而避免了過度再供應的需要，并通過減輕來自地球的供應鏈來提高太空探索的可持續(xù)性。

　　生物能量的收集和儲存

　　能源收集和儲存(例如燃料)在任何偏遠環(huán)境中都是一個重大挑戰(zhàn)，尤其依賴于供應鏈的一致性。某些厭氧菌(所謂的“致電菌”，如脫硫單胞菌、地桿菌等)可以減少有機廢物產生電流。具體來說，微生物燃料電池(MFC)利用微生物將化學能轉化為電能73。利用有機廢物的還原力來發(fā)電，MFC可以與原位流動廢物修復系統(tǒng)相結合44。這樣的微生物系統(tǒng)可以分為暗發(fā)酵和光生物過程，并且它們可以使用來自例如廢物流的濕生物質77,75。以類似的方式，與MFC類似，微生物電合成(MES)可用于將電(回)轉化為化合物，例如，能量存儲，以彌合間歇性可用性和需求76。一些證據也表明，通過從月球風化層中產生納米顆粒產生氫的可能性77,78。氫、甲烷和其他生物燃料也可以從其他原地資源中生產，如水和無機碳，光自養(yǎng)或巖石自養(yǎng)(例如，用藍藻和各種藻類)，以產生穩(wěn)定的能量載體6,78。這些可以是高能量密度的液體化合物，如丁二醇，作為能量存儲的手段，以補充或補充化學衍生的雙推進劑(氫/甲烷和氧)76,78。在許多情況下，利用致電微生物、產氫微生物、產甲烷微生物和生產生物燃料的微生物，廢物和就地資源可以進行升級循環(huán)，用于能量的轉換、收集和儲存，與傳統(tǒng)的機械化學方法相比，產量更高，能量輸入更低。

　　回收電子產品、塑料和其他廢物

　　目前，開發(fā)高效閉環(huán)系統(tǒng)的大部分努力都集中在生物廢物(如食物、黑/灰/黃水)的回收和升級循環(huán)79，而合成廢物(如電子廢物、塑料、消耗品)的解決方案在很大程度上尚未探索，目前的管理在長期任務中是不可可行的26。

　　有價值的金屬(Fe, Cu，稀土元素，Al, Si, Zn)，包括貴金屬(Au, Pt和鉑族元素)，以及某些非金屬(Cl, P, N，甚至O)可以從金屬結構和電子器件中回收80。從電子廢物(例如，計算機組件、配電板、太陽能電池板)中回收金屬可以減少對再供應的需求和/或通過例如生物采礦(見“生物采礦”部分)更費力地從原位資源中獲得資源50,54。物理化學過程是可用的;然而，就成本和能源需求而言，生物浸出技術被認為更環(huán)保和可持續(xù)81。這些過程中涉及的生化反應類似于生物采礦(見“生物采礦”一節(jié))，因此類似的微生物和生物技術可用于回收電子廢物82。

　　塑料在地球上的日常生活中已經成為不可缺少的，例如，在建筑、包裝和制造業(yè)中使用。除了常見的地球模擬應用之外，塑料，特別是高強度和耐久性的塑料，作為航天器和宇航服的部件，在支持人類在太空中的活動方面發(fā)揮著關鍵作用。大多數塑料是由從不可再生的化石燃料中提取的有機聚合物組成83。在像太空這樣的環(huán)境中，化石燃料是不可用的，塑料的回收和升級循環(huán)將是重要的(i)獲得制造原料，以生產新的消耗品，(ii)重新使用和回收資源，從而關閉碳基給料的循環(huán)，以及(iii)減少廢物處理。微生物已被證明可以將微塑料分解為支持生長的可代謝化合物。這一過程被稱為生物降解，為循環(huán)生物經濟提供了令人興奮的途徑83，英國天體生物學中心(英國愛丁堡大學)的研究人員正在探索這些微生物過程是否也可以用于太空中的廢物回收?，F(xiàn)代合成生物學方法可用于為地外環(huán)境量身定制微生物途徑/功能43,48，并使用塑料作為升級循環(huán)和生產有用分子的原料84,85。與微生物塑料生物降解相補充的是塑料的微生物生產(例如，生物塑料)。某些微生物可以使用各種原料，包括CO2、CH4或廢棄生物質，來生產聚羥基烷酸鹽等生物塑料。由于生物塑料比基于化石燃料的聚合物更容易生物降解，這些過程將通過閉環(huán)的方式提高可持續(xù)性。

　　雖然不是生命維持的直接功能(如食物、氧氣、水的生產)，但所有先前的微生物過程都可以支持LSS，反之亦然，使長時間的太空飛行更具可持續(xù)性。例如，來自電子垃圾的金屬可以供養(yǎng)含有植物或微生物的LSS隔間，這反過來又可以增強與LSS直接相關的過程(圖1)50。

　　土壤修復

　　重金屬和有毒化合物，如高氯酸鹽，可以從月球和火星的風化層中去除，使其能夠用于土壤形成，用于糧食生產86。為了實現(xiàn)這一目標，清除有毒化合物是必要的，因為它們在植物組織中積聚會給宇航員帶來潛在風險。如上所述(見“生物采礦”一節(jié))，微生物可以結合和動員來自月球和火星風化層的特定元素53,88。這與去除有毒元素和化合物(生物修復)一起，可以改善風化層作為植物生長基質的質量89，大大減少植物基LSS持續(xù)運行所需的資源。*終，這種循環(huán)方法結合了迄今為止所述過程的關鍵要素，同時能夠生產維持地球外人類所需的食物，并*大限度地減少需要從地球運輸的資源。

　　生物修復可由變形菌門(如鞘單胞菌)和真菌(如青霉菌屬90,91)支持。對這些生物或其他物種進行基因工程可以去除高氯酸鹽(例如，將高氯酸鹽轉化為分子氯和氧87)，以及重金屬、放射性物質的積累和轉化92、酸、鹽和來自地外風化層的有機污染物。

　　由于微生物催化非常特定的反應，它們的使用可以導致資源的高效利用，同時不改變無毒化合物。此外，生物修復所需的能量通常低于物理化學替代方法，如熱處理以分解高氯酸鹽。*后一點可能會被所需的營養(yǎng)物質所抵消，而這些營養(yǎng)物質并不能保證就地就能得到。然而，這些可以從其他生物LSS隔間衍生出來，包括上面描述的那些。目前關于這些過程在空間中的適用性的知識有限，因此需要更好地了解生物修復機制、空間環(huán)境中的微生物行為及其對土壤形成的潛力。

　　技術需求和未來研究

　　迄今為止討論的大多數應用的一個共同技術分母是需要為微生物及其支持或啟用的功能提供受控的環(huán)境。微生物過程取決于溫度、壓力、氧氣可用性(或有無)、pH值、重力和輻射條件以及其他因素93,94。這些方面推動了(i)生物反應器的技術需求，以為特定過程提供適當的環(huán)境，以及(ii)了解空間環(huán)境對這些過程的影響所需的研究，以確定在*小化資源、工程和操作要求的同時*大化產量的條件。

　　從技術角度來看，開發(fā)適合太空使用的生物反應器至關重要。這些可能需要針對它們所支持的應用程序進行特殊化，盡管它們之間的共性是預期的，其中包括:(i)提供和維持受控環(huán)境(溫度、壓力、液體/氣體組成)，(ii)工程系統(tǒng)的生存能力和其中的微生物的數據收集能力，以及其性能(包括散裝介質和氣體的化學和物理狀態(tài)，如適用)，(iii)提供前體、接收產品和連接下游處理設備的接口的存在，(iv)按需采樣的能力，(v)至少部分自主經營的能力;以及(vi)符合行星保護準則的適當遏制水平，這與未來的火星定居點特別相關(值得注意的是，從這個角度來看，閉環(huán)系統(tǒng)已被確定為潛在的解決方案)95。

　　根據應用的不同，會有差異，例如，表面積體積比(SAVR)，例如，微生物支持的光自養(yǎng)生物直接空氣捕獲CO2需要高SAVR，以*大化CO2與微生物的摩爾比和細胞暴露于光96。相反，一些藥物合成過程可以在厭氧條件下進行，因此可能不依賴于SAVR39。培養(yǎng)體積的另一個方面可能會有所不同:要求高savr的應用可能會產生蛇形培養(yǎng)體積的設計驅動，特別是對于光養(yǎng)生物(類似于高性能熱交換器)，而低savr的應用可能會使用更簡單的圓柱形罐。反過來，這可能會驅動系統(tǒng)對流體流動和混合的需求。還有許多其他方面需要考慮，這些方面也會影響工藝效率，這尤其適用于無攪拌的生物反應器。即在生物反應器設計時必須考慮的相內和相間(液-固、氣-液、氣-固)的質量輸運現(xiàn)象，這些質量輸運現(xiàn)象取決于濃度梯度、溫度等。

　　兩項與應用相關的技術需求是數據采集和樣本收集，在某些情況下，這將需要氣/液/固分離。在月球和火星表面，由于(部分)重力的存在，這種情況可能會自然發(fā)生。然而，在微重力環(huán)境下進行的操作(例如，空間站和火星探測器)提出了一個更具挑戰(zhàn)性的工程問題。從生物學的角度來看，特別令人感興趣的是開發(fā)自動化和實時監(jiān)測系統(tǒng)(生長和產量、滴度和產量、pH值、pO2以及輸入和輸出)，以便對系統(tǒng)性能進行表征。

　　任何以微生物為基礎的生物技術都需要液態(tài)水97，液態(tài)水是任何長期太空活動*關鍵的商品之一。在國際空間站上，水目前是由水回收系統(tǒng)獲取的，該系統(tǒng)是ECLSS18的一部分:尿液、濕氣凝結物和人類排泄物被回收，通過蒸餾、過濾、高溫催化和化學消毒等多個過程來生成飲用水98。這對于長期特派團和*終的定居點可能是不夠的。因此，必須通過更完整的循環(huán)封閉來提高水的回收率(圖1)。此外，可以通過機械/物理過程和/或生物采礦(見“生物采礦”一節(jié))從月球和火星上的不同位置或小行星上獲得額外的水。

　　其他技術需求還包括對需要一定程度的隔離和隔離的應用程序進行劃分。一些應用，如MICP、土壤生物修復和真菌結構，可能需要專門的專用隔間，以保護表面基礎的其余部分不受其他不需要的微生物群落和風化層的影響，這可能對船員的健康和設備產生不利影響，而其他應用可能在相同的棲息地區(qū)域進行(圖1)。空間條件，特別是高水平輻射，顯示可誘發(fā)突變。以影響表型的方式改變微生物系統(tǒng)的基因型93這些可能會影響空間微生物過程的可靠性和穩(wěn)健性。因此，技術應包括適當的輻射屏蔽，對表型和基因型進行嚴格和頻繁的控制，以及冗余(例如，將主要接種物作為備份進行保護儲存)。

　　“棲息地空氣生物修復”一節(jié)中描述的每個類別都需要進行研究，以將其TRL增加到9，如圖2所示。反過來，這項研究將需要專門的平臺來進行研究，例如，獲取微重力和部分重力，以及空間輻射。研究需要，除了在前一節(jié)中所描述的，包括生物膜控制策略。從禮炮6號到國際空間站，生物膜的形成一直是每個空間站的一個問題，并可能導致ECLSS設備的運行中斷。這個問題已經通過來自地球的補給解決了，但在LEO100以外的長期任務中，這是不可能的。用于微生物培養(yǎng)的工程系統(tǒng)自然會暴露在不必要的微生物生物膜形成(即污染)的風險中。

　　這一討論激發(fā)了以下一系列開放的研究問題:(i)微生物生物技術如何在保護地外環(huán)境的同時，增強長期深空探索任務和定居點、廢物回收的可持續(xù)性?如何在遵守行星保護準則的同時進行這些進程?需要什么技術來監(jiān)測過程效率?對于每種應用:(iv)在相關的重力和輻射環(huán)境中，哪些微生物(包括轉基因微生物)和培養(yǎng)條件能優(yōu)化該過程?(v)適用于實施該工藝的生物反應器、操作和基礎設施要求是什么?(vi)我們如何收集、提取和提煉從工藝中獲得的等分物和*終產品?

　　對地球的好處

　　空間探索一直是發(fā)展在地球上應用的新技術的催化劑和試驗臺(例如，附帶技術)101?？臻g科學對解決地球環(huán)境問題的影響也并不新鮮。事實上，太空活動被聯(lián)合國公認為“實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標的重要工具”11,12。此外，天基技術對于監(jiān)測天氣和植被模式(自然和人為)、森林砍伐、水資源、塑料污染、碳排放和氣候變化必不可少。更具體地說，這項工作中列出的空間生物技術可以提供強大的工具來支持一些具體的可持續(xù)發(fā)展目標，包括“零饑餓”(目標2)、“良好健康和福祉”(目標3)、“清潔水和衛(wèi)生設施”(目標6)、“負擔得起的清潔能源”(目標7)、“工業(yè)、創(chuàng)新和基礎設施”(目標9)、“可持續(xù)城市和社區(qū)”(目標11)、“負責任的消費和生產”(目標12)以及“氣候行動”(目標13)11,2。將來，陸地環(huán)境問題可以通過使用專門為增強可持續(xù)性而設計的空間生物技術來解決:允許小規(guī)模資源緊密閉環(huán)和近乎理想的循環(huán)運作的系統(tǒng)是在全球范圍內應用的典范。這種切實的公共利益不僅是向資助機構和政府證明太空探索合理性的關鍵，而且是在多重重疊的危機威脅著我們文明及其生態(tài)支持系統(tǒng)的穩(wěn)定之際，激勵科學家投入時間和精力進行太空探索的關鍵。

　　各空間機構和組織都認識到這一概念的巨大潛力。越來越多的提案被提出，目的是制定戰(zhàn)略，利用空間資源解決地球上的環(huán)境問題。2021年，歐空局(即“歐空局循環(huán)經濟啟動競賽”)102和NASA(即“軌道煉金術挑戰(zhàn)”)103發(fā)起了相關競賽。2022年，太空科學促進中心(CASIS)宣布了“超越塑料”可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)(即“CASIS超越塑料”)104，其座右銘是“如果下一個改善我們星球的偉大發(fā)現(xiàn)來自地球外的研究呢?”值得注意的是，包括獲勝者在內的三個入圍項目中有兩個涉及微生物的使用。

　　這里介紹的許多基于微生物的空間技術和戰(zhàn)略都有可能被轉移，并為地面應用帶來好處。為應用于其他陸地體而開發(fā)的土壤修復技術可用于幫助對地球上的土壤污染作出反應，識別或設計適合清理和降解特定污染物的生物，以及使用抗干燥的生物來防治荒漠化。同樣，植物/微生物基因工程技術可以用于使作物在有限資源的更小空間內生長，并提供相當或更高的產量。

　　太空飛行中細菌毒性的增加有可能有助于確定對抗耐藥性的新靶點37。按需在太空制造藥物可能會比在地球上更簡單(例如，步驟更少)但更靈活的藥物生產和純化。這可能會改變目前使用的復雜且難以持續(xù)的生產工藝，用生物制造取代它們，并降低藥物成本，從而使資源稀缺的偏遠地區(qū)能夠獲得關鍵藥物。碳捕獲和封存技術將有可能直接轉移到地球上，以應對氣候變化。

　　在能源轉型中，氫被認為是季節(jié)性儲存、工業(yè)過程和一般電網平衡的基石。在空間技術的背景下，利用生物生產氫，可以促進發(fā)現(xiàn)地球上綠色氫的生產途徑75。生物混凝土合成和真菌結構的研究將增強微生物在基礎設施建設和維護中的應用方式。和太空一樣，地球也有各種極端條件。工程微生物用于基礎設施維護可以解決偏遠和艱苦地區(qū)的問題。用于太空應用的改進和高效的廢物回收，包括但不限于有機/生物、塑料/消耗品和電子廢物，可以轉化為地球應用，以解決陸地廢物管理問題、垃圾填埋場溢出和環(huán)境污染。

　　結論

　　通過這項工作，我們的目標是倡導人類太空探索可持續(xù)方法的緊迫性，以及微生物生物技術在這方面可以發(fā)揮的重要作用。已經討論了微生物生物技術如何支持幾個過程，這些過程反過來可以幫助減少供應鏈對(來自地球的)長期深空探索任務的依賴，*終使人類能夠在整個太陽系立足和定居。與此同時，這些微生物支持的過程中的一些也可能有助于關閉LSS和其他系統(tǒng)的循環(huán)，這些系統(tǒng)可以保護資源和地外環(huán)境。這兩個方面，獨立地和共同地，使空間探索能夠以可持續(xù)的方式進行。

　　為了為已命名生物技術的成熟提供適當的條件，并向更廣泛的社區(qū)開放該領域，需要進行研究和創(chuàng)新。初步研究應在地球上的實驗室、模擬平臺和近地軌道上進行，并在順月空間和月球表面進行全面調查。還應考慮在樣品重復和實驗條件方面增加現(xiàn)有天基設施以增加空間實驗能力，以改善初步研究的影響。資助應該考慮到基因工程和合成生物學的高成本(和時間)，這些技術可能嚴重依賴于它們。

　　*后，討論了這些技術對地球效益的潛力，具體參考了聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標。如果在地球外維持人類生活和經濟活動的超高效方法能夠用于有意意義地解決我們地球上的問題，那么太空探索將為公共投資帶來豐厚回報，從而不僅在技術上，而且在政治上變得更加可持續(xù)。關于太空旅行和探索對公眾有益的辯論是健康和必要的，但在可持續(xù)性領域，太空倡導者現(xiàn)在可能有機會贏得這場辯論，為一代人。