微生物能將宇航員糞便轉化為食物

【博科園-科學科普】賓夕法尼亞州立大學的地球科學研究人員終於弄明白了有機農民們一直以來所知道的：消化垃圾可以幫助生產食物。但是地球上的農民可以讓土壤中的微生物將廢物轉化為肥料，而這些肥料可以用來種植糧食作物，賓夕法尼亞州立大學的研究人員不得不採取另一種方法正試圖弄清楚如何讓微生物直接轉化為食物。

賓夕法尼亞州立大學的研究人員正在開發一種方法，利用微生物將人類的排泄物轉化成食物，用於長時間的太空航行。圖片版權：Yuri Gorby, Rensselaer Polytechnic Institute

長時間的太空任務有很多困難，或者像火星這樣的其他星球有很長時間的任務。最具挑戰性的難題之一是如何攝取足夠的食物。宇航員在6個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。

太空探索技術公司的可重複使用的火箭正在降低太空發射的成本，但成本仍然過高。任何重量的節省都有助於任務的可行性，包括減少長期太空旅行的食物供應。在這張圖片中SpaceX獵鷹9號回收火箭於2017年10月11日下午6點53分在日落時分起飛。圖片版權：Ken Kremer/Kenkremer.com

攜帶足夠的食物在太空進行長途旅行是有問題的。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。和時間，這並不是一個真正的解決方案。賓夕法尼亞州立大學地球科學教授克里斯托弗·豪斯說：這比種西紅柿或土豆快。

賓夕法尼亞州立大學(Penn State)的研究人員正試圖開發一種將垃圾直接轉化為可食用的營養物質的方法。他們的目標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。

科學家一直假設在火星上工作的宇航員會在模擬的地球環境中種植地球上的農作物來養活自己。但這需要大量的能量、空間和材料。也許沒有必要。藝術展示了火星上的溫室。圖片版權： SAIC

賓夕法尼亞州立大學地球科學教授克里斯多夫·豪斯說：設想並測試了同時將宇航員的排泄物與微生物同時進行處理的概念，同時生產一種可以直接或間接食用的生物量，這取決於安全問題。這有點奇怪但這個概念有點像Marmite或Vegemite，你在那裡吃了一抹『微生物黏液』。賓州州立大學的研究小組建議使用特定的微生物將廢物直接轉化為可食用的生物量。

他們工作的核心是微生物反應器，微生物反應器基本上是用來使微生物的表面面積最大化的容器。這些類型的反應堆用於處理地球上的污水，而不是用來生產可食用的生物量。研究人員建造了一個直徑4英尺，直徑4英尺的圓柱形容器。在裡面允許選擇的微生物在受控條件下接觸到人類排泄物。這個過程是厭氧的，類似於人類消化道內發生的事情。

厭氧消化是我們在地球上經常使用的處理垃圾的方法。這是一種有效的處理和回收質量的方法。新穎之處在於從這條河流中汲取營養，並有意將其放入微生物堆中以種植食物。研究小組發現這個過程很容易產生甲烷。甲烷是高度易燃的，在太空任務中是非常危險的，但在食品生產中它還有其他可取的特性。事實證明甲烷可以用來生長另一種微生物，叫做甲基球菌。囊狀球菌被用作動物食品。這一過程可以為宇航員提供一種營養豐富的食物，即52%的蛋白質和36%的脂肪。

使用了來自商業水族工業的材料用於生產甲烷。過程並不簡單，所涉及的厭氧過程會產生對人體非常危險的病原體。為了防止這種情況發生，研究小組研究了在鹼性環境或高溫環境下培養微生物的方法。在將pH值提高到11後發現了一種細菌的菌株，Halomonas desiderata茁壯成長。Halomonas desiderata是15%的蛋白質和7%的脂肪。他們還將該系統啟動到一個致病原的158華氏度，並發現可食用的Thermus aquaticus生長，這是61%的蛋白質和16%的脂肪。

在英國傳統的廢物處理工廠需要幾天的時間來處理廢物。賓州州立大學的研究小組對這一系統進行了測試，結果顯示垃圾處理的時間只有1要個小時。圖片：Nick Allen, CC BY-SA 4.0

系統是建立在現代水族系統的基礎上的，那裡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，並將其轉化為脂肪酸。然後這些脂肪酸被同一表面的其他微生物轉化為甲烷。速度是這個系統的一個因素，現有的廢物管理處理一般需要幾天時間。在13個小時內該小組的系統將固體廢物移除了49%至59%。

這個系統不會很快在太空中出現。這些測試是針對個別組件進行的，作為可行性論證。一個完整的系統仍然需要建立。每個組件都非常堅固和快速，快速分解廢物。這就是為什麼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表在《空間研究生命科學》雜誌上。【博科園-科學科普（如有疑問及相關問題請評論區留言「博科園」會挑選問題給予回復解答）】

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Life Sciences In Space Research

作者：Evan Gough

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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