红萍供氧装置及其试验研究
作者：陈敏 刘夏石 刘中柱
单位：陈敏 刘中柱(福建省农科院红萍研究中心，福州 350003)；刘夏石(航空工业总公司602研究所，北京 10000)
关键词：红萍；供氧系统；植物；试验舱；密闭生态系统；供氧
航天医学与医学工程000104讨 论
+Gz作用时，体液向下肢及腹腔静脉系统转移，有效循环血量减少，心率增快，心水平及眼水平动脉血压降低。众所周知，反复+Gz暴露可提高人体的+Gz耐力。载人离心机作为一种提高飞行员+Gz耐力的锻炼设备，其应用已有几十年的历史，目前已经成为评价飞行员+Gz耐力的“金标准”,也是对飞行员进行抗荷训练的主要方法。但其存在的诸多缺点限制了它在航空航天飞行人员抗荷训练方面的应用，使替代或补充性抗荷训练设备的研究成为必然。
, 百拇医药 坐位LBNP可引起下半身淤血，体内血液重新分配，使中心循环血量减少，进而影响循环系统功能，这与+Gz作用时的生理变化相类似，可在一定程度上模拟+Gz对人体心血管的影响。研究表明，人下体负压耐力与+Gz耐力有相关性，-40 mmHg的坐位LBNP可模拟+2 Gz引起的心血管反应[6]，-50 mmHg则可模拟+3 Gz和+4 Gz的心血管反应[7]。与反复+Gz暴露可提高人体的+Gz耐力相似，反复下体负压暴露是否也可提高下体负压耐力？国外已有报道，经过每天1次、连续5 d的下体负压反复暴露后，被试者下体负压耐力显著提高,9 d时的下体负压耐力维持在这一水平[8]。但是此报道中以被试者出现晕厥前状态或晕厥作为实验终止指标，对何时终止实验往往判断不准确或者不及时，因此具有相当的危险性，在实际应用中受到较多的限制。Cybopob等[9]对150名航校学员的LBNP耐力进行检查，以心率每分钟减少20次以上、面色苍白、出冷汗等症状或体征为耐力终点，有96.4%的学员可很好的耐受-50 mmHg达8 min之久。本实验以-50 mmHg、8 min作为锻炼的负压条件。因此，在-50 mmHg下进行的本实验非常安全，且实验条件容易控制，具有可应用性和易操作性的优点。
, 百拇医药
实验结果表明，在负压值为-50 mmHg、每天1次、连续8 d的下体负压反复暴露后，被试者的下体负压耐力指标—累积应激指数(CSI)、下体负压最大耐受时间(DNP)较锻炼前显著提高(P<0.05)。锻炼前后进行心脏泵血功能检查结果显示：每搏输出量(SV)、心输出量(CO)、心指数(CI)及总外周阻力(TPR)较锻炼前的差异无统计学意义(P>0.05)，但SV、CO、CI较锻炼前呈增大趋势，而TPR则相反。这种变化趋势表明，在下体负压反复暴露后，机体适应了这种应激。虽然由于血液在下半身淤积，回心血量减少，每搏输出量及心输出量减少，但心血管系统通过加强心肌收缩能力，收缩外周血管以增加外周阻力，从而相对提高心水平以上部位的动脉血压，保证头部的血液供应。生物体一个明显的特征是对重复刺激的适应能力。本实验结果显然是人体此种特征的具体表现，造成了心血管系统的上述变化趋势。但这种趋势之所以没有显著差异，我们考虑可能有以下两种情况：一是有2名被试者在锻炼后的耐力检查当天出现感冒症状，可能会影响检查结果。二是本实验例数较少。需要适当增加被试者例数，以证实人体下体负压耐力与心脏功能的正相关性。
, 百拇医药
总之，下体负压反复暴露后，人体的下体负压耐力显著升高。其原因可能在于反复的下体负压暴露提高了心肌收缩力，降低外周血管的顺应性，心血管系统对低血压应激的代偿机制更加有效，使在下体负压应激时心水平动脉血压升高，从而提高下体负压耐力。
基金项目：全军“九五”指令性课题(96L005)
杨长斌(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
姚永杰(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
韦应波(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
吴燕红(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
孙喜庆(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
, 百拇医药
吴兴裕(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
[参考文献]
[1]ZHENG Xian-ying.The physiological effects and application of lower body negative pressure[J].Progress in Physiological Sciences,1981，12：255～259
曾宪英.下体负压的生理学效应及其应用[J].生理科学进展，1981，12：255～259
[2]XIANG Qiulu,SHEN Xianyun.The relationship between orthostatism plus lower body negative pressure and +Gz tolerance[J].Journal of Applied Physiology,1986，2(3)：191～195
, http://www.100md.com
向求鲁，沈羡云.立位加下身负压与+Gz耐力的关系[J].应用生理学杂志，1986，2(3)：191～195
[3]SUN Xiqing,YANG Chang-bin.Feasibility of anti-G straining maneuver training during lowere body negative pressure[J].Chin J Aerospace,1999，10(1)：36～39
孙喜庆,杨长斌.下体负压模拟+Gz条件下抗荷动作训练的可行性[J].中华航空航天医学杂志，1999，10(1)：36～39
[4]XIAO Yizhi.Studies of lower body negative pressure box in the upright seated position[J].Joumal of Applied Physiology,1985，1(4)：309～311
, 百拇医药
肖一之.坐位下体负压舱的研制[J].应用生理学杂志，1985，1(4)：309～311
[5]Lightfoot JT,Hilton JR.Repeatability and protocol comparability of presyncopal symptom limited lower body negative pressure[J].Aviat Space Environ Med,1991,62(1):19～25
[6]Verghese CA,Prasad ASK Lower body negative pressure system for simulation of +Gz induced physiological strain[J].Aviat Space Environ Med,1993,64:165～169
[7]Polese A,Sandler H,Montgomery LD.Hemodynamic response to seated and supine lower body negative pressure comparation with +Gz acceleration[J].Aviat Space Environ Med,1992,63(6):467～475
, 百拇医药
[8]Lightfoot JT,Febles S,Fortney SM.Adaptation to repeated presyncopal lower body negative pressure exposures[J].Aviat Space Environ Med,1989,60(1):17～22
[9]Cybopob ПМ.Перспектнвы использования декомпрессии нижней половины тела в практике врачебно-лепной экспертизы[J].ВМЖ，1976，(9):63
收稿日期：1999-03-15
图1 试验舱立体图
Fig.1 Stereograph of the testing installation
, 百拇医药
图2 试验舱正视图
Fig.2 The front view of the testing installation
图3 试验舱侧视图
Fig.3 The side view of the testing installation
a.红萍生长盆营养水经每层红萍吸收沉淀，逐层流向过滤池；
b.过滤池水经过滤后分两路走：一是抽向清水箱；一是抽向螺箱；
c.清水箱水供两个冷却器以及狗舱淋浴喷水之用；
d.螺箱水经养殖螺后成为营养水供植物舱红萍生长用水和喷水之用。
, http://www.100md.com
实施红萍养护：
a.定期给红萍喷洒营养水同时轻轻击打红萍表面；
b.红萍定期收取，可控制实现1次/d，作为螺食物；
c.红萍的生长白天靠阳光，夜晚靠灯光；
d.可根据需要控制灯光开启节约用电。
供氧装置应用的试验结果
为了检查装置的可行性进行了下列供O2试验。试验在试验舱内进行，试验数据见表1。为了具备可比性，全部试验均用体重为6 kg的同一只狗作为试验对象，试验舱也是用同一个舱，空间体积均为0.4 m3，红萍面积为0.5 m2，红萍层数3层，红萍品种为回3。由表中数据可知：对照组平均每小时耗氧量为0.783%，试验组为0.317%。
, http://www.100md.com
如果1人氧耗量标准为0.83 kg/d,即为403 ml/min。
在所有条件守全相同情况下，用红萍进行供氧试验，实测结果舱内每小时氧含量减少0.317%。与对照组相比就可算出：试验舱在0.5 m2红萍下每小时由红萍平均产生氧增量为0.738%-0.317%=0.42%。由此可见，面积为0.5 m2红萍每分钟平均供氧量为约28 ml。
用试验舱试验实测数据，经计算表明要有7.2 m2面积养殖红萍，在10000～14000 lux的光照下约可以满足一个宇航员对氧气的需要。
为了对上述结果作进一步验证，我们在试验舱Ⅰ型基础上，又设计了另一试验舱为Ⅱ型，试验舱Ⅱ型与Ⅰ型相比有如下特点：
1.试验舱空间体积增大(0.4 m3→1 m3)
, 百拇医药
2.红萍生长总面积增大0.5 m2→1.3 m2)
3.红萍生长盆数增多(3层→4层)
试验舱Ⅱ特别注意狗舱进行改进，并有喷水降温。试验结果见表2。其中对照组狗重为5.8 kg，试验舱体积为0.7 m3；试验组狗重7.3 kg，试验舱体积为1.03 m3，红萍生长面积为1 m2。由表中数据知：对照组平均每小时耗氧量为0.767%，实验组为0.226%。
这时1m2红萍每小时供氧量为：
0.767%×700-0.226%×1030=5.37-2.328=3.04 L
即每分钟1m2红萍供氧量为：
, 百拇医药
(3.04×1000)/60=50.7 ml
由此算出满足一名宇航员对氧气量的需求，就要求红萍面积为：
403/50.7=7.9 m2
为了观察狗的大小与数量变化的影响，在Ⅱ型舱中(养红萍)将狗改为3只，进行对比试验。经测试，11：30舱内含氧量为20.9%，翌日14：00舱内含氧量为16.6%，由此可知，平均每小时耗氧量为0.16%。
由此可见，不论狗大小与数量，试验舱体积、红萍层数与面积虽然各有不同，但实测结果都基本上一样。
我们曾将狗在Ⅱ型舱中(养红萍)密闭试验整3天3夜，狗放出后一切正常。
试验表明，目前可能做到红萍面积8 m2左右可满足一名宇航员需氧的要求。不过这只是初步的结果，不论是试验舱装置，以及对狗的供O2，都还需要做多次不同条件下(包括狗的条件)的试验，以期得出准确的结果。但可以看出这个装置是可以用的，有其特点，只要根据不同植物对条件要求的参数适当改变植物舱体积和条件是可以用在不同植物上的。
, 百拇医药
表1 为1只狗供氧的试验舱Ⅰ试验结果
Table 1 O2 Suppliment test of experimental cabin Ⅰ for one dog control
percent.of
O2 consume(%/h)
O2 suppl.test
percent.of
O2 consume(%/h)
time
O2 concent.(%)
, 百拇医药
time
O2 concent.(%)
10：30
20.9
9：00
20.7
11：30
20.3
0.6
11：00
20.2
0.25
, http://www.100md.com 13：30
18.9
0.7
12：20
19.9
0.2
14：30
18.1
0.8
14：00
19.5
0.25
15：30
, http://www.100md.com
17.3
0.8
15：00
18.9
0.6
16：30
16.5
0.8
16：00
18.6
0.3
17：30
16.1
, 百拇医药
0.8
17：00
18.2
0.4
18：00
17.6
0.6
19：00
17.3
0.3
20：00
16.9
0.4
, 百拇医药
21：00
16.7
0.2
22：00
16.6
0.1
表2 为1只狗供O2的试验舱Ⅱ试验结果
Table 2 O2 suppliment test of experimental cabin Ⅱ for one dog control
test
interval(h)
, 百拇医药
O2(%)
CO2(%)
interval(h)
O2(%)
CO2(%)
0
20.9208
0
21.0393
2
19.2459
1.6546
, http://www.100md.com
2
20.4800
1.1365
4
18.1232
3.1314
4
30.1191
2.0027
6
16.2248
4.1082
6
, http://www.100md.com
19.4264
2.5773
8
14.7858
6.1030
8
19.0499
2.9180
10
18.7745
3.2501
基金项目：863-2-2-2-2项目部分内容
, http://www.100md.com
参考文献
1，刘中柱，郑伟文.中国满江红[M].北京：农业出版社，1989:96～110
2，CHEN Min,BIAN Zhuliang,ZHANG Chaoyang et al.Effects of azolla on the change of O2-CO2 concentration under controlled airtight system[J].Fujian Journal of Agricultural Sciences，1999，14(2)：56～59
陈 敏，卞祖良，张朝阳等.红萍对受控密闭系统中O2-CO2浓度变化影响研究初步[J].福建农业学报，1999，14(2)：56～59
3，GUO Shuangsheng,WANG Puxiu,LI Weiye et al.Selection of Key Biological Components(KBC) of Controlled Ecological Life Support System(CELSS)[J].Space Medicial Engineering,1998，11(5)：333～337
郭双生，王普秀，李卫业等.受控生态生保系统中关键生物部件的筛选[J].航天医学与医学工程，1998，11(5)：333～337
收稿日期：1999-05-26, 百拇医药
单位：陈敏 刘中柱(福建省农科院红萍研究中心，福州 350003)；刘夏石(航空工业总公司602研究所，北京 10000)
关键词：红萍；供氧系统；植物；试验舱；密闭生态系统；供氧
航天医学与医学工程000104讨 论
+Gz作用时，体液向下肢及腹腔静脉系统转移，有效循环血量减少，心率增快，心水平及眼水平动脉血压降低。众所周知，反复+Gz暴露可提高人体的+Gz耐力。载人离心机作为一种提高飞行员+Gz耐力的锻炼设备，其应用已有几十年的历史，目前已经成为评价飞行员+Gz耐力的“金标准”,也是对飞行员进行抗荷训练的主要方法。但其存在的诸多缺点限制了它在航空航天飞行人员抗荷训练方面的应用，使替代或补充性抗荷训练设备的研究成为必然。
, 百拇医药 坐位LBNP可引起下半身淤血，体内血液重新分配，使中心循环血量减少，进而影响循环系统功能，这与+Gz作用时的生理变化相类似，可在一定程度上模拟+Gz对人体心血管的影响。研究表明，人下体负压耐力与+Gz耐力有相关性，-40 mmHg的坐位LBNP可模拟+2 Gz引起的心血管反应[6]，-50 mmHg则可模拟+3 Gz和+4 Gz的心血管反应[7]。与反复+Gz暴露可提高人体的+Gz耐力相似，反复下体负压暴露是否也可提高下体负压耐力？国外已有报道，经过每天1次、连续5 d的下体负压反复暴露后，被试者下体负压耐力显著提高,9 d时的下体负压耐力维持在这一水平[8]。但是此报道中以被试者出现晕厥前状态或晕厥作为实验终止指标，对何时终止实验往往判断不准确或者不及时，因此具有相当的危险性，在实际应用中受到较多的限制。Cybopob等[9]对150名航校学员的LBNP耐力进行检查，以心率每分钟减少20次以上、面色苍白、出冷汗等症状或体征为耐力终点，有96.4%的学员可很好的耐受-50 mmHg达8 min之久。本实验以-50 mmHg、8 min作为锻炼的负压条件。因此，在-50 mmHg下进行的本实验非常安全，且实验条件容易控制，具有可应用性和易操作性的优点。
, 百拇医药
实验结果表明，在负压值为-50 mmHg、每天1次、连续8 d的下体负压反复暴露后，被试者的下体负压耐力指标—累积应激指数(CSI)、下体负压最大耐受时间(DNP)较锻炼前显著提高(P<0.05)。锻炼前后进行心脏泵血功能检查结果显示：每搏输出量(SV)、心输出量(CO)、心指数(CI)及总外周阻力(TPR)较锻炼前的差异无统计学意义(P>0.05)，但SV、CO、CI较锻炼前呈增大趋势，而TPR则相反。这种变化趋势表明，在下体负压反复暴露后，机体适应了这种应激。虽然由于血液在下半身淤积，回心血量减少，每搏输出量及心输出量减少，但心血管系统通过加强心肌收缩能力，收缩外周血管以增加外周阻力，从而相对提高心水平以上部位的动脉血压，保证头部的血液供应。生物体一个明显的特征是对重复刺激的适应能力。本实验结果显然是人体此种特征的具体表现，造成了心血管系统的上述变化趋势。但这种趋势之所以没有显著差异，我们考虑可能有以下两种情况：一是有2名被试者在锻炼后的耐力检查当天出现感冒症状，可能会影响检查结果。二是本实验例数较少。需要适当增加被试者例数，以证实人体下体负压耐力与心脏功能的正相关性。
, 百拇医药
总之，下体负压反复暴露后，人体的下体负压耐力显著升高。其原因可能在于反复的下体负压暴露提高了心肌收缩力，降低外周血管的顺应性，心血管系统对低血压应激的代偿机制更加有效，使在下体负压应激时心水平动脉血压升高，从而提高下体负压耐力。
基金项目：全军“九五”指令性课题(96L005)
杨长斌(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
姚永杰(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
韦应波(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
吴燕红(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
孙喜庆(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
, 百拇医药
吴兴裕(第四军医大学航空航天生物动力学教研室，西安 710032)
[参考文献]
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曾宪英.下体负压的生理学效应及其应用[J].生理科学进展，1981，12：255～259
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向求鲁，沈羡云.立位加下身负压与+Gz耐力的关系[J].应用生理学杂志，1986，2(3)：191～195
[3]SUN Xiqing,YANG Chang-bin.Feasibility of anti-G straining maneuver training during lowere body negative pressure[J].Chin J Aerospace,1999，10(1)：36～39
孙喜庆,杨长斌.下体负压模拟+Gz条件下抗荷动作训练的可行性[J].中华航空航天医学杂志，1999，10(1)：36～39
[4]XIAO Yizhi.Studies of lower body negative pressure box in the upright seated position[J].Joumal of Applied Physiology,1985，1(4)：309～311
, 百拇医药
肖一之.坐位下体负压舱的研制[J].应用生理学杂志，1985，1(4)：309～311
[5]Lightfoot JT,Hilton JR.Repeatability and protocol comparability of presyncopal symptom limited lower body negative pressure[J].Aviat Space Environ Med,1991,62(1):19～25
[6]Verghese CA,Prasad ASK Lower body negative pressure system for simulation of +Gz induced physiological strain[J].Aviat Space Environ Med,1993,64:165～169
[7]Polese A,Sandler H,Montgomery LD.Hemodynamic response to seated and supine lower body negative pressure comparation with +Gz acceleration[J].Aviat Space Environ Med,1992,63(6):467～475
, 百拇医药
[8]Lightfoot JT,Febles S,Fortney SM.Adaptation to repeated presyncopal lower body negative pressure exposures[J].Aviat Space Environ Med,1989,60(1):17～22
[9]Cybopob ПМ.Перспектнвы использования декомпрессии нижней половины тела в практике врачебно-лепной экспертизы[J].ВМЖ，1976，(9):63
收稿日期：1999-03-15
图1 试验舱立体图
Fig.1 Stereograph of the testing installation
, 百拇医药
图2 试验舱正视图
Fig.2 The front view of the testing installation
图3 试验舱侧视图
Fig.3 The side view of the testing installation
a.红萍生长盆营养水经每层红萍吸收沉淀，逐层流向过滤池；
b.过滤池水经过滤后分两路走：一是抽向清水箱；一是抽向螺箱；
c.清水箱水供两个冷却器以及狗舱淋浴喷水之用；
d.螺箱水经养殖螺后成为营养水供植物舱红萍生长用水和喷水之用。
, http://www.100md.com
实施红萍养护：
a.定期给红萍喷洒营养水同时轻轻击打红萍表面；
b.红萍定期收取，可控制实现1次/d，作为螺食物；
c.红萍的生长白天靠阳光，夜晚靠灯光；
d.可根据需要控制灯光开启节约用电。
供氧装置应用的试验结果
为了检查装置的可行性进行了下列供O2试验。试验在试验舱内进行，试验数据见表1。为了具备可比性，全部试验均用体重为6 kg的同一只狗作为试验对象，试验舱也是用同一个舱，空间体积均为0.4 m3，红萍面积为0.5 m2，红萍层数3层，红萍品种为回3。由表中数据可知：对照组平均每小时耗氧量为0.783%，试验组为0.317%。
, http://www.100md.com
如果1人氧耗量标准为0.83 kg/d,即为403 ml/min。
在所有条件守全相同情况下，用红萍进行供氧试验，实测结果舱内每小时氧含量减少0.317%。与对照组相比就可算出：试验舱在0.5 m2红萍下每小时由红萍平均产生氧增量为0.738%-0.317%=0.42%。由此可见，面积为0.5 m2红萍每分钟平均供氧量为约28 ml。
用试验舱试验实测数据，经计算表明要有7.2 m2面积养殖红萍，在10000～14000 lux的光照下约可以满足一个宇航员对氧气的需要。
为了对上述结果作进一步验证，我们在试验舱Ⅰ型基础上，又设计了另一试验舱为Ⅱ型，试验舱Ⅱ型与Ⅰ型相比有如下特点：
1.试验舱空间体积增大(0.4 m3→1 m3)
, 百拇医药
2.红萍生长总面积增大0.5 m2→1.3 m2)
3.红萍生长盆数增多(3层→4层)
试验舱Ⅱ特别注意狗舱进行改进，并有喷水降温。试验结果见表2。其中对照组狗重为5.8 kg，试验舱体积为0.7 m3；试验组狗重7.3 kg，试验舱体积为1.03 m3，红萍生长面积为1 m2。由表中数据知：对照组平均每小时耗氧量为0.767%，实验组为0.226%。
这时1m2红萍每小时供氧量为：
0.767%×700-0.226%×1030=5.37-2.328=3.04 L
即每分钟1m2红萍供氧量为：
, 百拇医药
(3.04×1000)/60=50.7 ml
由此算出满足一名宇航员对氧气量的需求，就要求红萍面积为：
403/50.7=7.9 m2
为了观察狗的大小与数量变化的影响，在Ⅱ型舱中(养红萍)将狗改为3只，进行对比试验。经测试，11：30舱内含氧量为20.9%，翌日14：00舱内含氧量为16.6%，由此可知，平均每小时耗氧量为0.16%。
由此可见，不论狗大小与数量，试验舱体积、红萍层数与面积虽然各有不同，但实测结果都基本上一样。
我们曾将狗在Ⅱ型舱中(养红萍)密闭试验整3天3夜，狗放出后一切正常。
试验表明，目前可能做到红萍面积8 m2左右可满足一名宇航员需氧的要求。不过这只是初步的结果，不论是试验舱装置，以及对狗的供O2，都还需要做多次不同条件下(包括狗的条件)的试验，以期得出准确的结果。但可以看出这个装置是可以用的，有其特点，只要根据不同植物对条件要求的参数适当改变植物舱体积和条件是可以用在不同植物上的。
, 百拇医药
表1 为1只狗供氧的试验舱Ⅰ试验结果
Table 1 O2 Suppliment test of experimental cabin Ⅰ for one dog control
percent.of
O2 consume(%/h)
O2 suppl.test
percent.of
O2 consume(%/h)
time
O2 concent.(%)
, 百拇医药
time
O2 concent.(%)
10：30
20.9
9：00
20.7
11：30
20.3
0.6
11：00
20.2
0.25
, http://www.100md.com 13：30
18.9
0.7
12：20
19.9
0.2
14：30
18.1
0.8
14：00
19.5
0.25
15：30
, http://www.100md.com
17.3
0.8
15：00
18.9
0.6
16：30
16.5
0.8
16：00
18.6
0.3
17：30
16.1
, 百拇医药
0.8
17：00
18.2
0.4
18：00
17.6
0.6
19：00
17.3
0.3
20：00
16.9
0.4
, 百拇医药
21：00
16.7
0.2
22：00
16.6
0.1
表2 为1只狗供O2的试验舱Ⅱ试验结果
Table 2 O2 suppliment test of experimental cabin Ⅱ for one dog control
test
interval(h)
, 百拇医药
O2(%)
CO2(%)
interval(h)
O2(%)
CO2(%)
0
20.9208
0
21.0393
2
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10
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3.2501
基金项目：863-2-2-2-2项目部分内容
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参考文献
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收稿日期：1999-05-26, 百拇医药