高效电子荧光灯作为空间高等植物栽培光源的可行性*
作者：郭双生 徐波
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：高效电子节能灯；受控环境；生菜；形态；可食生物量；植物组份分析；光合作用
航天医学与医学工程990415摘要：目的 证明高效电子荧光灯可以作为空间高等植物栽培的唯一光源。方法 采用高效电子荧光灯作光源, 在新建成的空间高等植物栽培地面实验装置中进行了生菜三个品种的栽培试验。其它栽培条件是:温度20±0.2℃, 相对湿度75±1%, 光合有效辐射平均为70μmol.m-2.s-1 PPF, 光周期24h光/0h暗, 风速平均为0.45m/s, 有效栽培面积1.2m2, 栽培周期28d, 草碳+蛭石基质培养, 每批次栽培一个品种。待植株成熟收获后分别实施了其地上部分的外部形态学观察、可食生物量产量和光合作用效率的测量和计算、叶片中蛋白质、脂肪、碳水化合物、氨基酸、维生素和矿质营养元素等营养成份的分析和与其它有关实验的比较。同时进行了该灯寿命的考查及其光合有效辐射量衰减率的计算。结果 上述多项指标均符合要求, 有些还优于其他同类实验结果。结论 高效电子荧光灯完全可以满足生菜等拟在空间站栽培的高等植物正常生长发育的需要, 物理特性也基本符合要求, 因此可以作为空间高等植物栽培的唯一光源。
, 百拇医药
中图分类号：Q68 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)04-0293-05
A Feasibility Study on the Highly-efficient Electronic Fluorescent Lamp Used as a Lighting Source for Cultivation of Higher Plant in Space
GUO Shuang-sheng，XU Bo
Abstract: Objective To testify that the Highly-efficient Electronic Fluorescent Lamp (HEFL) can be used as a sole lighting source for the cultivation of higher plants in space. Method The HEFL was utilized as the lighting source for the culture of three varieties of Luctuca sativa L in the lately-constructed Space Higher Plant Cultivation Ground-based Experimental Facility(SHPCGEF). Other culturing conditions were: temperature 20±0.2℃, relative humidity 75±1%, average photosynthetic active radiation(PAR)70 μmol.m-2.s-1PPF, average wind velocity 0.45 m/s, photoperiod 24 h light/0 h dark, peat+vermiculite substrate culture, useful growing area 1.2 m2, growing period 28 d,one variety was cultured at every batch. Following plant maturing and being harvested, observations of external morphology of above-ground parts of the plants, measurements and calculations of edible biomass output and photosynthetic efficiency, analysis of nutrient compositions such as proteins, fats, carbonhydrates, amino acids, vitamins and elemental compositions of lettuce leaves, and comparisons with formerly-related experiments were made. Result All of the above-mentioned targets met our demands, some of them were superior to the results of other similar experiments. Conclusion The HEFL can completely meet the needs for the growth and development of some higher plants planned to be grown in space, its physical characters basically accord with the demands, so it can be utilized as the only lighting source for higher plant growth in space environmental conditions.
, http://www.100md.com
Key words:highly-efficient electronic fluorescent lamp;controlled environment;lettuce;morphology;edible biomass; analysis of plant compositions; photosynthesis
Adress reprint requests to: GUO Shuang-sheng.Institute of Space Medico-Engineering, Beijing 100094, China
受控生态生保系统(CELSS)是未来长期载人空间飞行、月球定居和火星探险活动中的一项关键技术, 在很大程度上决定着上述目标的能否实现[1～3]。美国将把未来的国际空间站作为先进生保系统(即CELSS)的试验平台, 进行月球定居和火星探险生保的关键技术研究[4,5]。该系统中高等植物是中心部件, 而选择植物进行光合作用所需要的合适光源尤为重要。这样的光源既要满足植物生长发育和形态建成的要求,又要高效、轻质、小型、安全、可靠,又不能给能源和热控子系统带来较大负担。有人考虑在空间站直接利用太阳能, 但看来很不现实。人工光源中有应用价值的是紧密型的冷白荧光灯(CCWFD) 和发光二极管(LED),但前者有光能转化效率偏低和寿命短等缺点,后者具有光波单一的缺点, 真正应用还有待研究[6]。鉴于此,本实验采用新兴的高效电子荧光灯作为光源进行CELSS中优选种生菜的栽培试验研究[7],通过有关几项技术指标的实验结果来证明其是否可行。
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方 法
实验材料 生菜(Lactuca sativa L.)的三个栽培品种: “美国中盛快大玻璃生菜”、 “美湖包心生菜”和“意大利全年耐抽苔生菜”。分别编号为生菜1、生菜2和生菜3。
栽培方法 将种子于自来水中浸泡10h后冲洗干净, 预处理后(4℃, 24h; 也可以不处理,目的在于提高发芽率),直接种植于盛有草碳+蛭石混合物(3:1)的黑塑料培养钵中(直径80mm×高度80mm),后者放置在穴盘(长550mm×宽300mm,约1/6m2)上培养。每天浇一次1/2的营养液, 一周后间苗, 每钵仅留一株。此后每天浇一次全营养液, 待营养液自培养钵底部开孔处刚刚渗出即可。每批实验做一个品种, 每个品种种植24株(8株/穴盘)。使用的营养液条件如表1所示，其中(1)营养液用自来水配制; (2)用12%H3PO4+12%HNO3的混合物调节pH值; (3)Fe3+来源于乙二胺四乙酸—钠铁(NaFeEDTA)。
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表1 生菜三个栽培种的营养液组成和浓度
Table 1 Nutrient solution compositions and concentrations used for three cultivars of lettuce 营养液组成(nutrient
compositions)
营养液浓度(nutrient
concentrations)(%)
大量元素(macro-elements)(mM)
Ca(NO3)2
2.75
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KNO3
5.45
MgSO4
2.44
KH2PO4
0.15
微量元素(micro-elements)(μM)
Fe3+
71.26
MnSO4
72.42
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CuSO4
3.60
ZnSO4
3.82
H3BO3
66.13
(NH4)6Mo7O24
0.73
pH值
6.0
实验环境 在新近建成的空间高等植物栽培地面实验装置中进行。其工作尺寸1.8m3(1600mm×750mm×1600mm),有效栽培面积1.2m2。温度20±0.2℃,相对湿度(75±1)%, 高效电子荧光灯作为唯一光源(13W,四通集团公司),光合成光子通量(PPF)平均为70μmol.m-2.s-1PPF, 光周期24h光/0h暗; 风速平均为0.45m.s-1;二氧化碳和氧气浓度未作检测和控制; 常压, 具有一定的密闭性，每天的泄漏率为总体积的36.5%。另外进行了四种PPF(115、70、46和28μmol.m-2.s-1PPF)对“美国中盛快大玻璃生菜”生长影响的研究。
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观察、测量和计算方法 栽培期间每天观察和记录其生长情况,包括植株的形状、颜色和大致的高度。30d后取样进行可食生物量部分鲜重和干重的称量以及地上部分高度的丈量, 以下所列数据均为平均值。每克可食生物量可以获取的能量是这样计算的:蛋白质和碳水化合物各为4kcal/g, 脂肪为9kcal/g。
组织成份含量测定[8] (1)氨基酸:样品研细用6N HCl于110℃水解24h,减压蒸干,用洗脱液溶解、离心,取上清液分析。Waters氨基酸分析仪,分析柱温60℃,柱直径2.6mm,柱高150mm;M420荧光检测器(ex338nm,em425nm),流动相0.225ml.min-1,柱后OPA衍生;(2)矿物元素: K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Mo采用GB7887-87,仪器为美国产的P-E703型原子吸收光谱仪; P和S采用GB7887-87,仪器为P-E554型UV/VIS 分光光度计;B采用GB7890, 仪器同上, 甲亚胺比色法;Cl采用GB7889-87,化学滴定法; (3)纤维素:GB5009.10-85, 酸碱溶解法;(4)蛋白质:GB5009.5-85, 凯氏定氮法; (5)脂肪: GB T15674-1995, 索氏提取法;(6)水分和灰分:分别为100℃烘干至恒量和600℃焚烧至恒量; (7)水溶性维生素: 仪器为Waters244型 HPLC,柱μ-Bondapak C18(0.44×300mm),流动相30%CH3OH-70%H2O(pH=3.2),流速1.0ml.min-1,检测器UV254nm×0.1AUFS; (8)脂溶性维生素: 仪器同上, 流动相98%CH3OH-2%H2O, 流速1.5ml.min-1, 检测器UV254 nm×0.1AUFS。
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灯寿命考查及其PPF衰减率计算 连续记录灯开的小时数;在每个灯正下方的15cm处测量其光合成的有效辐射量(PPF), 每隔一个月测一次。每天的PPF衰减率为: (初始值-最终值)/时间。
结果与讨论
形态学观察 在PPF平均为70μmol.m-2.s-1的水平面上培养时,生菜三个品种的外形、高度和色泽都正常, 与大田栽培的几乎没有什么区别。“美湖包心生菜”约12 d后出现包心的雏形, 待30 d时已包得很圆很实。实验发现: 当“美国中盛快大玻璃生菜”离灯很近时(115μmol.m-2.s-1PPF), 高度缩短、 颜色墨绿、叶子节间紧密、叶缘有干枯现象、鲜重和干重较大; 反之, 当植株离灯较远时(46和28μmol.m-2.s-1PPF), 植株细长、颜色淡黄、叶子节间疏松, 叶缘很少有干枯现象、鲜重和干重较小。叶缘干枯现象可能是由于叶表面蒸腾蒸发量过大而水分供应不足, 或灯表面温度较高,或由于缺钙所致[9],具体哪种原因还有待近一步探究。
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可食生物量计算 详细情况如表2所示(未做不可食生物量的测量和计算)。
表2 生菜三个栽培种的平均产量和光合效率比较
Table 2 Comparisons of average outputs and photosynthetic rates of three lettuce cultivars 生菜(lettuce)
光周期/PPF
(photoperiod/PPF)
(h/μmol.m-2.s-1)
每日的PPF
(PPF/day)
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(mol.m-2.d-1)
可食生物量(edible biomass)
(kg.m-2)
(g.m-2.d-1)
(g.mol-1光子)(g.mol-1photon)
No.1
24/69
5.96
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0.051
1.7
0.29
No.2
24/69
5.96
0.113
3.8
0.64
No.3
24/69
5.96
0.085
, 百拇医药
2.8
0.47
No.4
16/280
16.10
0.130
5.4
0.34
从表2可以看出(No.4生菜数据引自文献[9]), 由于使用的PPF较小, 尽管光周期较长, 它们的平均产量均低于美国NASA肯尼迪空间中心利用生菜栽培种“Waldmann's Green”所获得的平均产量, 但光合效率除“美国中盛快大玻璃生菜”外, 其它两个种均明显高于“Waldmann's Green”的。另外,我们的装置具有一定的密闭性,每天开门一次(约20min, 浇营养液), 其余时间均关闭而不补充CO2, 这样CO2浓度供应不足势必影响植物的生长。因此, 假如CO2浓度连续控制为400ppm时,三个栽培种的产量和光合效率还应该大大提高。
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可食生物量组织营养分析 其详细情况如表3～6所示，其中表3～5的No.4生菜数据引自文献[10]，表6的No.4生菜数据引自文献[11]。表3 生菜三个栽培种的基本组成和含量分析(干重)
Table 3 Analysis of basic compositions and contents of three lettuce cultivars(DW) 生菜(lettuce)
粗蛋白(crude
protein)
(%)
脂肪
(fat)
(%)
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碳水化合物
(carbonhydrate)
(%)
粗纤维
(crude fibre)
(%)
灰分
(ash)
(%)
可利用能量
(useful energy)
(kcal.g-1)
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No.1
30.0
10.1
27.9
12.9
19.1
3.23
No.2
17.7
7.7
42.8
12.5
20.9
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3.11
No.3
17.4
7.7
41.9
11.1
21.9
3.07
No.4
30.0
4.1
32.7
11.1
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22.0
2.88
表4 生菜三个栽培种的氨基酸组成和含量分析(干重, 单位:mg.g-1)
Table 4 Analysis of amino acid compositions and contents of three lettuce cultivars(DW, unit:mg.g-1) 氨基酸组成(amino acid compositions)
生菜1(lettuce 1)
生菜2(lettuce 2)
生菜3(lettuce 3)
, 百拇医药
生菜4(lettuce 4)
天门冬氨酸(Asp)
16.5
14.3
16.3
16.2
苏氨酸(Thr)
9.4
6.6
7.3
2.3
丝氨酸(Ser)
, 百拇医药 8.3
6.3
5.9
4.3
谷氨酸(Glu)
—
38.1
19.1
48.4
甘氨酸(Gly)
12.9
7.2
8.2
, 百拇医药
1.2
丙氨酸(Ala)
8.8
8.1
7.3
5.2
缬氨酸(Val)
22.1
8.2
8.7
2.0
蛋氨酸(Met)
3.1
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1.2
0.9
ND
异亮氨酸(Ile)
10.2
4.9
5.4
1.2
亮氨酸(Leu)
8.3
15.4
16.0
1.0
, 百拇医药
酪氨酸(Tyr)
3.4
4.1
4.5
0.7
苯丙氨酸(Phe)
8.0
6.9
7.0
1.1
组氨酸(His)
6.4
4.1
, 百拇医药
4.2
0.7
赖氨酸(Lys)
12.8
15.7
12.4
0.7
精氨酸(Arg)
7.1
13.1
10.4
0.8
氨基酸总量(total sums of amino acids)
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137.3
154.2
133.6
85.9
*ND表示未决定，以下相同 Note:ND is not determined,the following is the same
表5 生菜三个栽培种的维生素组成及含量分析(鲜重, 单位：mg.100g-1)
Table 5 Analysis of vitamin compositions and contents of three lettuce cultivars(FW, unit:mg.100g-1) 生菜(lettuce)
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水溶性维生素(water-soluble vitamins)
脂溶性维生素(fat-soluble vitamins)
尼克酸
(nicotinic acid)
B1
B2
B6
Vc
叶酸
(folic acid)
β-胡萝卜素
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(β-carotene)
VA
VE
No.1
8.10
0.01
0.03
0.03
9.38
-
5.33
0.02
, http://www.100md.com -
No.2
0.54
0.02
0.02
0.03
14.88
0.01
2.10
0.09
0.03
No.3
0.53
, http://www.100md.com
0.01
0.01
0.02
17.07
0.01
1.04
0.02
0.02
No.4
0.50
0.10
0.10
ND
, 百拇医药
24.00
ND
ND
2600.00
ND
表6 生菜三个栽培种的矿质元素的组成和浓度分析(干重, μg.g-1)
Table 6 Analysis of mineral element compositions and contents of three lettuce cultivars(DW,μg.g-1) 矿质元素(mineral element)
生菜1(lettuce 1)
, 百拇医药
生菜2(lettuce 2)
生菜3(lettuce 3)
生菜4(lettuce 4)
钾(K)
30545.00
17378.00
16925.00
171000.00
钠(Na)
3636.00
3354.00
3261.00
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ND
钙(Ca)
13272.00
11890.00
13975.00
9110.00
镁(Mg)
4909.00
4573.00
4348.00
2950.00
磷(P)
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8727.00
12500.00
21894.00
4040.00
氮(N)
48000.00
28201.00
27640.00
48000.00
硫(S)
65818.00
7470.00
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6522.00
ND
氯(Cl)
72545.00
8384.00
20652.00
ND
铜(Cu)
5.82
9.76
29.19
6.00
锌(Zn)
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43.64
62.96
68.63
36.30
铁(Fe)
545.82
141.31
228.73
128.00
锰(Mn)
430.91
222.56
203.42
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53.80
硼(B)
32.36
151.52
114.91
32.10
钼(Mo)
6.84
6.25
6.92
0.41
总含量(total sum of elements)(g.g-1)
, 百拇医药
0.21
0.09
0.12
0.24
从表3可以看出, 生菜的三个栽培种的基本组成及其含量大致相同, 与NASA 肯尼迪空间中心的结果类似。但它们的脂肪含量普遍高于“ Waldmann's Green ”的 , 如“美国中盛快大玻璃生菜”的脂肪是“Waldmann's Green”的一倍还多,这有利于人体食用时多获得一些能量。表4列举出它们的主要氨基酸组成及其含量。它们三种的氨基酸总量基本相同, 但都远远高出大田栽培的含量, 如“美湖包心生菜”的氨基酸总量几乎是大田栽培种的一倍。 表5给出各种水溶性和脂溶性维生素的种类和含量。可以看出, 它们含有多种维生素, 与大田栽培的直筒生菜相比较, 除VA含量较低外, 其他含量大体一致, 而人体所必需的β-胡萝卜素含量则相对较高。表6显示它们各自的大量和微量矿质元素的组成和含量。可以看出, 它们与“Waldmann's Green”相比, 其总量的差别主要由于K+的含量不同, 后者体内聚集了大量的这种离子。这说明它们三种体内的离子积累基本上平衡,未出现某种离子的奇聚现象, 这是我们所愿意看到的。综上所述, 三种生菜供试品种体内的营养成份全面, 许多种类的含量均高出大田栽培或是其它大型人工气候室( 采用HPS光源)栽培获得的含量, 如果食用, 对人体的健康相信会有益处。
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灯寿命及其PPF衰减率 三批实验均是一天24h连续开灯,累计为2160h。后来为了考查其寿命, 继续开灯一个月, 即共开2880h, 66个灯仅有一个损坏,完好率达到98%。刚开始使用时, 灯正下方15cm 处测得的PPF为5.52μmol.m-2.s-1,四个月后为4.14μmol.m-2.s-1, 即随着不断老化，高效电子节能灯光合有效辐射量的衰减率平均为0.01μmol.m-2.s-1/d。按三个月换一次灯计算, 这样的寿命和PPF衰减率则可以满足要求。
从以上结果可以看出, 这几种指标均符合要求, 没有出现生长发育、组成结构和组份含量等异常现象。此外, 高效电子荧光灯较常规的白炽灯节能达70%, 质量和体积仅相当于常规荧光灯的1/3。另外, 它不采用镇流器就避免了噪音和闪烁现象, 进一步提高了安全可靠性。因此，高效电子荧光灯作为空间高等植物栽培光源是完全可行的。结束语
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通过上述实验结果, 可以证明高效电子荧光灯可用作生物再生式生保系统中某些空间高等植物栽培的唯一光源的这一结论。只要进一步提高光强度、优化灯形、改善其它生长环境条件、或与其它灯型配合使用(如LED), 相信效果会更理想。
*基金项目：国家863-2资助(863-2-7-2-2)
参考文献
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收稿日期：1998-08-11, http://www.100md.com
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关键词：高效电子节能灯；受控环境；生菜；形态；可食生物量；植物组份分析；光合作用
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A Feasibility Study on the Highly-efficient Electronic Fluorescent Lamp Used as a Lighting Source for Cultivation of Higher Plant in Space
GUO Shuang-sheng，XU Bo
Abstract: Objective To testify that the Highly-efficient Electronic Fluorescent Lamp (HEFL) can be used as a sole lighting source for the cultivation of higher plants in space. Method The HEFL was utilized as the lighting source for the culture of three varieties of Luctuca sativa L in the lately-constructed Space Higher Plant Cultivation Ground-based Experimental Facility(SHPCGEF). Other culturing conditions were: temperature 20±0.2℃, relative humidity 75±1%, average photosynthetic active radiation(PAR)70 μmol.m-2.s-1PPF, average wind velocity 0.45 m/s, photoperiod 24 h light/0 h dark, peat+vermiculite substrate culture, useful growing area 1.2 m2, growing period 28 d,one variety was cultured at every batch. Following plant maturing and being harvested, observations of external morphology of above-ground parts of the plants, measurements and calculations of edible biomass output and photosynthetic efficiency, analysis of nutrient compositions such as proteins, fats, carbonhydrates, amino acids, vitamins and elemental compositions of lettuce leaves, and comparisons with formerly-related experiments were made. Result All of the above-mentioned targets met our demands, some of them were superior to the results of other similar experiments. Conclusion The HEFL can completely meet the needs for the growth and development of some higher plants planned to be grown in space, its physical characters basically accord with the demands, so it can be utilized as the only lighting source for higher plant growth in space environmental conditions.
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Key words:highly-efficient electronic fluorescent lamp;controlled environment;lettuce;morphology;edible biomass; analysis of plant compositions; photosynthesis
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受控生态生保系统(CELSS)是未来长期载人空间飞行、月球定居和火星探险活动中的一项关键技术, 在很大程度上决定着上述目标的能否实现[1～3]。美国将把未来的国际空间站作为先进生保系统(即CELSS)的试验平台, 进行月球定居和火星探险生保的关键技术研究[4,5]。该系统中高等植物是中心部件, 而选择植物进行光合作用所需要的合适光源尤为重要。这样的光源既要满足植物生长发育和形态建成的要求,又要高效、轻质、小型、安全、可靠,又不能给能源和热控子系统带来较大负担。有人考虑在空间站直接利用太阳能, 但看来很不现实。人工光源中有应用价值的是紧密型的冷白荧光灯(CCWFD) 和发光二极管(LED),但前者有光能转化效率偏低和寿命短等缺点,后者具有光波单一的缺点, 真正应用还有待研究[6]。鉴于此,本实验采用新兴的高效电子荧光灯作为光源进行CELSS中优选种生菜的栽培试验研究[7],通过有关几项技术指标的实验结果来证明其是否可行。
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方 法
实验材料 生菜(Lactuca sativa L.)的三个栽培品种: “美国中盛快大玻璃生菜”、 “美湖包心生菜”和“意大利全年耐抽苔生菜”。分别编号为生菜1、生菜2和生菜3。
栽培方法 将种子于自来水中浸泡10h后冲洗干净, 预处理后(4℃, 24h; 也可以不处理,目的在于提高发芽率),直接种植于盛有草碳+蛭石混合物(3:1)的黑塑料培养钵中(直径80mm×高度80mm),后者放置在穴盘(长550mm×宽300mm,约1/6m2)上培养。每天浇一次1/2的营养液, 一周后间苗, 每钵仅留一株。此后每天浇一次全营养液, 待营养液自培养钵底部开孔处刚刚渗出即可。每批实验做一个品种, 每个品种种植24株(8株/穴盘)。使用的营养液条件如表1所示，其中(1)营养液用自来水配制; (2)用12%H3PO4+12%HNO3的混合物调节pH值; (3)Fe3+来源于乙二胺四乙酸—钠铁(NaFeEDTA)。
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表1 生菜三个栽培种的营养液组成和浓度
Table 1 Nutrient solution compositions and concentrations used for three cultivars of lettuce 营养液组成(nutrient
compositions)
营养液浓度(nutrient
concentrations)(%)
大量元素(macro-elements)(mM)
Ca(NO3)2
2.75
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KNO3
5.45
MgSO4
2.44
KH2PO4
0.15
微量元素(micro-elements)(μM)
Fe3+
71.26
MnSO4
72.42
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CuSO4
3.60
ZnSO4
3.82
H3BO3
66.13
(NH4)6Mo7O24
0.73
pH值
6.0
实验环境 在新近建成的空间高等植物栽培地面实验装置中进行。其工作尺寸1.8m3(1600mm×750mm×1600mm),有效栽培面积1.2m2。温度20±0.2℃,相对湿度(75±1)%, 高效电子荧光灯作为唯一光源(13W,四通集团公司),光合成光子通量(PPF)平均为70μmol.m-2.s-1PPF, 光周期24h光/0h暗; 风速平均为0.45m.s-1;二氧化碳和氧气浓度未作检测和控制; 常压, 具有一定的密闭性，每天的泄漏率为总体积的36.5%。另外进行了四种PPF(115、70、46和28μmol.m-2.s-1PPF)对“美国中盛快大玻璃生菜”生长影响的研究。
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观察、测量和计算方法 栽培期间每天观察和记录其生长情况,包括植株的形状、颜色和大致的高度。30d后取样进行可食生物量部分鲜重和干重的称量以及地上部分高度的丈量, 以下所列数据均为平均值。每克可食生物量可以获取的能量是这样计算的:蛋白质和碳水化合物各为4kcal/g, 脂肪为9kcal/g。
组织成份含量测定[8] (1)氨基酸:样品研细用6N HCl于110℃水解24h,减压蒸干,用洗脱液溶解、离心,取上清液分析。Waters氨基酸分析仪,分析柱温60℃,柱直径2.6mm,柱高150mm;M420荧光检测器(ex338nm,em425nm),流动相0.225ml.min-1,柱后OPA衍生;(2)矿物元素: K、Na、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Mo采用GB7887-87,仪器为美国产的P-E703型原子吸收光谱仪; P和S采用GB7887-87,仪器为P-E554型UV/VIS 分光光度计;B采用GB7890, 仪器同上, 甲亚胺比色法;Cl采用GB7889-87,化学滴定法; (3)纤维素:GB5009.10-85, 酸碱溶解法;(4)蛋白质:GB5009.5-85, 凯氏定氮法; (5)脂肪: GB T15674-1995, 索氏提取法;(6)水分和灰分:分别为100℃烘干至恒量和600℃焚烧至恒量; (7)水溶性维生素: 仪器为Waters244型 HPLC,柱μ-Bondapak C18(0.44×300mm),流动相30%CH3OH-70%H2O(pH=3.2),流速1.0ml.min-1,检测器UV254nm×0.1AUFS; (8)脂溶性维生素: 仪器同上, 流动相98%CH3OH-2%H2O, 流速1.5ml.min-1, 检测器UV254 nm×0.1AUFS。
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灯寿命考查及其PPF衰减率计算 连续记录灯开的小时数;在每个灯正下方的15cm处测量其光合成的有效辐射量(PPF), 每隔一个月测一次。每天的PPF衰减率为: (初始值-最终值)/时间。
结果与讨论
形态学观察 在PPF平均为70μmol.m-2.s-1的水平面上培养时,生菜三个品种的外形、高度和色泽都正常, 与大田栽培的几乎没有什么区别。“美湖包心生菜”约12 d后出现包心的雏形, 待30 d时已包得很圆很实。实验发现: 当“美国中盛快大玻璃生菜”离灯很近时(115μmol.m-2.s-1PPF), 高度缩短、 颜色墨绿、叶子节间紧密、叶缘有干枯现象、鲜重和干重较大; 反之, 当植株离灯较远时(46和28μmol.m-2.s-1PPF), 植株细长、颜色淡黄、叶子节间疏松, 叶缘很少有干枯现象、鲜重和干重较小。叶缘干枯现象可能是由于叶表面蒸腾蒸发量过大而水分供应不足, 或灯表面温度较高,或由于缺钙所致[9],具体哪种原因还有待近一步探究。
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可食生物量计算 详细情况如表2所示(未做不可食生物量的测量和计算)。
表2 生菜三个栽培种的平均产量和光合效率比较
Table 2 Comparisons of average outputs and photosynthetic rates of three lettuce cultivars 生菜(lettuce)
光周期/PPF
(photoperiod/PPF)
(h/μmol.m-2.s-1)
每日的PPF
(PPF/day)
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(mol.m-2.d-1)
可食生物量(edible biomass)
(kg.m-2)
(g.m-2.d-1)
(g.mol-1光子)(g.mol-1photon)
No.1
24/69
5.96
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0.051
1.7
0.29
No.2
24/69
5.96
0.113
3.8
0.64
No.3
24/69
5.96
0.085
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2.8
0.47
No.4
16/280
16.10
0.130
5.4
0.34
从表2可以看出(No.4生菜数据引自文献[9]), 由于使用的PPF较小, 尽管光周期较长, 它们的平均产量均低于美国NASA肯尼迪空间中心利用生菜栽培种“Waldmann's Green”所获得的平均产量, 但光合效率除“美国中盛快大玻璃生菜”外, 其它两个种均明显高于“Waldmann's Green”的。另外,我们的装置具有一定的密闭性,每天开门一次(约20min, 浇营养液), 其余时间均关闭而不补充CO2, 这样CO2浓度供应不足势必影响植物的生长。因此, 假如CO2浓度连续控制为400ppm时,三个栽培种的产量和光合效率还应该大大提高。
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可食生物量组织营养分析 其详细情况如表3～6所示，其中表3～5的No.4生菜数据引自文献[10]，表6的No.4生菜数据引自文献[11]。表3 生菜三个栽培种的基本组成和含量分析(干重)
Table 3 Analysis of basic compositions and contents of three lettuce cultivars(DW) 生菜(lettuce)
粗蛋白(crude
protein)
(%)
脂肪
(fat)
(%)
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碳水化合物
(carbonhydrate)
(%)
粗纤维
(crude fibre)
(%)
灰分
(ash)
(%)
可利用能量
(useful energy)
(kcal.g-1)
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No.1
30.0
10.1
27.9
12.9
19.1
3.23
No.2
17.7
7.7
42.8
12.5
20.9
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3.11
No.3
17.4
7.7
41.9
11.1
21.9
3.07
No.4
30.0
4.1
32.7
11.1
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22.0
2.88
表4 生菜三个栽培种的氨基酸组成和含量分析(干重, 单位:mg.g-1)
Table 4 Analysis of amino acid compositions and contents of three lettuce cultivars(DW, unit:mg.g-1) 氨基酸组成(amino acid compositions)
生菜1(lettuce 1)
生菜2(lettuce 2)
生菜3(lettuce 3)
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生菜4(lettuce 4)
天门冬氨酸(Asp)
16.5
14.3
16.3
16.2
苏氨酸(Thr)
9.4
6.6
7.3
2.3
丝氨酸(Ser)
, 百拇医药 8.3
6.3
5.9
4.3
谷氨酸(Glu)
—
38.1
19.1
48.4
甘氨酸(Gly)
12.9
7.2
8.2
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1.2
丙氨酸(Ala)
8.8
8.1
7.3
5.2
缬氨酸(Val)
22.1
8.2
8.7
2.0
蛋氨酸(Met)
3.1
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1.2
0.9
ND
异亮氨酸(Ile)
10.2
4.9
5.4
1.2
亮氨酸(Leu)
8.3
15.4
16.0
1.0
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酪氨酸(Tyr)
3.4
4.1
4.5
0.7
苯丙氨酸(Phe)
8.0
6.9
7.0
1.1
组氨酸(His)
6.4
4.1
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4.2
0.7
赖氨酸(Lys)
12.8
15.7
12.4
0.7
精氨酸(Arg)
7.1
13.1
10.4
0.8
氨基酸总量(total sums of amino acids)
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137.3
154.2
133.6
85.9
*ND表示未决定，以下相同 Note:ND is not determined,the following is the same
表5 生菜三个栽培种的维生素组成及含量分析(鲜重, 单位：mg.100g-1)
Table 5 Analysis of vitamin compositions and contents of three lettuce cultivars(FW, unit:mg.100g-1) 生菜(lettuce)
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水溶性维生素(water-soluble vitamins)
脂溶性维生素(fat-soluble vitamins)
尼克酸
(nicotinic acid)
B1
B2
B6
Vc
叶酸
(folic acid)
β-胡萝卜素
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(β-carotene)
VA
VE
No.1
8.10
0.01
0.03
0.03
9.38
-
5.33
0.02
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No.2
0.54
0.02
0.02
0.03
14.88
0.01
2.10
0.09
0.03
No.3
0.53
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0.01
0.01
0.02
17.07
0.01
1.04
0.02
0.02
No.4
0.50
0.10
0.10
ND
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24.00
ND
ND
2600.00
ND
表6 生菜三个栽培种的矿质元素的组成和浓度分析(干重, μg.g-1)
Table 6 Analysis of mineral element compositions and contents of three lettuce cultivars(DW,μg.g-1) 矿质元素(mineral element)
生菜1(lettuce 1)
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生菜2(lettuce 2)
生菜3(lettuce 3)
生菜4(lettuce 4)
钾(K)
30545.00
17378.00
16925.00
171000.00
钠(Na)
3636.00
3354.00
3261.00
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ND
钙(Ca)
13272.00
11890.00
13975.00
9110.00
镁(Mg)
4909.00
4573.00
4348.00
2950.00
磷(P)
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8727.00
12500.00
21894.00
4040.00
氮(N)
48000.00
28201.00
27640.00
48000.00
硫(S)
65818.00
7470.00
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6522.00
ND
氯(Cl)
72545.00
8384.00
20652.00
ND
铜(Cu)
5.82
9.76
29.19
6.00
锌(Zn)
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43.64
62.96
68.63
36.30
铁(Fe)
545.82
141.31
228.73
128.00
锰(Mn)
430.91
222.56
203.42
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53.80
硼(B)
32.36
151.52
114.91
32.10
钼(Mo)
6.84
6.25
6.92
0.41
总含量(total sum of elements)(g.g-1)
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0.21
0.09
0.12
0.24
从表3可以看出, 生菜的三个栽培种的基本组成及其含量大致相同, 与NASA 肯尼迪空间中心的结果类似。但它们的脂肪含量普遍高于“ Waldmann's Green ”的 , 如“美国中盛快大玻璃生菜”的脂肪是“Waldmann's Green”的一倍还多,这有利于人体食用时多获得一些能量。表4列举出它们的主要氨基酸组成及其含量。它们三种的氨基酸总量基本相同, 但都远远高出大田栽培的含量, 如“美湖包心生菜”的氨基酸总量几乎是大田栽培种的一倍。 表5给出各种水溶性和脂溶性维生素的种类和含量。可以看出, 它们含有多种维生素, 与大田栽培的直筒生菜相比较, 除VA含量较低外, 其他含量大体一致, 而人体所必需的β-胡萝卜素含量则相对较高。表6显示它们各自的大量和微量矿质元素的组成和含量。可以看出, 它们与“Waldmann's Green”相比, 其总量的差别主要由于K+的含量不同, 后者体内聚集了大量的这种离子。这说明它们三种体内的离子积累基本上平衡,未出现某种离子的奇聚现象, 这是我们所愿意看到的。综上所述, 三种生菜供试品种体内的营养成份全面, 许多种类的含量均高出大田栽培或是其它大型人工气候室( 采用HPS光源)栽培获得的含量, 如果食用, 对人体的健康相信会有益处。
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灯寿命及其PPF衰减率 三批实验均是一天24h连续开灯,累计为2160h。后来为了考查其寿命, 继续开灯一个月, 即共开2880h, 66个灯仅有一个损坏,完好率达到98%。刚开始使用时, 灯正下方15cm 处测得的PPF为5.52μmol.m-2.s-1,四个月后为4.14μmol.m-2.s-1, 即随着不断老化，高效电子节能灯光合有效辐射量的衰减率平均为0.01μmol.m-2.s-1/d。按三个月换一次灯计算, 这样的寿命和PPF衰减率则可以满足要求。
从以上结果可以看出, 这几种指标均符合要求, 没有出现生长发育、组成结构和组份含量等异常现象。此外, 高效电子荧光灯较常规的白炽灯节能达70%, 质量和体积仅相当于常规荧光灯的1/3。另外, 它不采用镇流器就避免了噪音和闪烁现象, 进一步提高了安全可靠性。因此，高效电子荧光灯作为空间高等植物栽培光源是完全可行的。结束语
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通过上述实验结果, 可以证明高效电子荧光灯可用作生物再生式生保系统中某些空间高等植物栽培的唯一光源的这一结论。只要进一步提高光强度、优化灯形、改善其它生长环境条件、或与其它灯型配合使用(如LED), 相信效果会更理想。
*基金项目：国家863-2资助(863-2-7-2-2)
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收稿日期：1998-08-11, http://www.100md.com