類土壤基質（Soil-Like Substrate，SLS）是生物再生生命保障系統（BLSS）中用於高等植物生長的類似於地球土壤性質的基質。該基質的製備技術最早是由俄羅斯研究者Manukovsky等（1996）提出的一種處理植物不可食生物量的方法，並將利用小麥秸稈製作得到的SLS進行了作物的種植實驗，驗證了麥稈類土壤基質用於系統內植物栽培的可行性。北航劉紅教授課題組於2004年開始進行生物再生式生命保障系統的研究，針對系統內產生的植物不可食部分處理，建立了一系列SLS技術，並實現了使用SLS進行植物栽培，成功研製對秸稈預處理裝置、蘑菇培養裝置、空間永久基地有機廢物處理裝置等。通過SLS的處理工藝，植物不可食部分不僅在系統內得到處理，並且實現了其資源化利用，真正實現了植物不可食部分在系統內的最大閉合性的循環利用。
基本介紹
- 中文名：類土壤基質
- 外文名：Soil-Like Substrate，SLS
SLS製備工藝的發展,SLS的評價標準,SLS技術在月宮一號中的套用,擴展閱讀,
SLS製備工藝的發展
早期SLS的製備過程：首先將植物不可食生物量進行一定的預處理，後藉助蘑菇等真菌生長進行處理，然後再利用蘑菇生長後的剩餘基質經過蚯蚓處理，最終得到的物質作為生長基質用於高等植物的種植，其工藝流程見圖1。
附註1：P--高等植物種植 M—蘑菇栽培 W—蚯蚓養殖及類土壤基質
圖1 植物不可食生物量製備類土壤基質流程圖
Fig.1 SLS regenerated from plant inedible biomass
該SLS製備技術工藝單一，秸稈均需要經過真菌(蘑菇)處理後，再進行蚯蚓處理轉化為SLS。由於真菌(蘑菇)處理，需要經過較長的時間才能完成，這無疑增加了基質製備的工藝周期，而且系統內獲得的SLS都經過蘑菇處理階段，勢必會產生超過系統需求的蘑菇，這些過量蘑菇的處理又成為一個新的問題。
為了充分發揮類土壤基質技術的優越性，克服上述不足，尋找製備類土壤基質技術的多種工藝，縮短工藝周期，並比較篩選出較優工藝。劉紅團隊對這項工藝做了最佳化，同時對利用最佳工藝獲得SLS進行了密閉氣體試驗。得到最佳工藝，即經60℃恆溫好氧發酵1d，45℃恆溫好氧發酵2d後，不經過真菌處理階段而直接進入蚯蚓生物反應器中處理而得到的SLS。與傳統工藝相比，雖然基質轉化率與粗纖維降解率比傳統工藝的略低，但製備周期縮短了30天，基質中有效N、P、K元素含量更高，更有利於植物種植。
在上述已最佳化的工藝基礎上，為了進一步提高基質轉化率，劉紅團隊對工藝繼續最佳化，得到一種新的最佳化工藝：將粉碎後的秸稈經過35℃恆溫好氧發酵1 d，60℃好氧發酵6 d，30℃發酵3 d，隨後在蚯蚓和微生物的作用下連續處理70 d。總處理周期80 d，較上述邢一東等人研究的工藝縮短了13 d。用改進後的工藝處理秸稈，乾物質減重達到81.10%，較原工藝提高了24.77%。
SLS的評價標準
類土壤基質作為土壤的評價是對用於植物種植過程中作物生長發育和生產力的直接反映和影響。類土壤基質用於植物生長的影響因素大致分為兩類。一類是類土壤基質的限制因素，主要是指影響水汽協調和根系延伸的土壤水分物理因素及化學障礙因素。其中物理因素包括類土壤基質的保水能力、質地、容重、非毛管孔隙度等。化學障礙因素包括類土壤基質的pH、含鹽量等。類土壤基質另外一方面是其養分因素，主要是指與作物生長關係密切的各種養分元素的全量及有效性養分，主要包括有機質、全氮、全磷、全鉀、硝態氮、有效磷、有效鉀、交換性鈣等，此外還包括一些微量元素如有效銅、鐵、錳、硼等。
類土壤基質作為從有機廢物轉化而來的產物，其評價還應當借鑑有機肥料的評價標準。未經腐熟的類土壤基質可能微生物較高，在一段時間內可能造成潛在的氧缺失和間接毒性。類土壤基質的腐熟性可通過化學指標和生物指標來表征，其中化學指標包括揮發性固體（有機質或全碳）含量、生物需氧量、pH、腐殖物質的變化（如腐殖酸等）、C/N等。而種子的發芽率是評價基質是否腐熟的一個重要生物指標，此外，植物在類土壤基質中生長時根系的毒害性也是反映腐熟性的另一生物指標。
SLS技術在月宮一號中的套用
“月宮一號”是北京航空航天大學建立的空間基地生命保障人工閉合生態系統地基綜合實驗裝置。在月宮一號中，植物不可食用生物量（如秸稈）與人的糞便及食物殘渣等廢物一起，採用生物技術處理製備SLS，將循環用於植物栽培。
擴展閱讀
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