CN101810257A

CN101810257A - 迷你太空农场——用昆虫循环全部生物废料的食品再生系统

Info

Publication number: CN101810257A
Application number: CN200910046463A
Authority: CN
Inventors: 张懋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-08-25
Also published as: US20110296756A1; WO2010096107A9; WO2010096107A4; US9402378B2; WO2010096107A1

Abstract

在人类长期太空生活环境中通过饲养六种昆虫，将人和动物的粪便及太空动植物和其他生物废料和有机塑料全部高效转换为这些高营养高蛋白高能量的昆虫生物体。其中部分昆虫加工后可直接供人食用，其他昆虫和太空植物的不可食用部分，作为动物的饲料，饲养水生动物，禽类，两栖类，甚至家畜，以这些动物的肉类及其蛋类供人类食用。再结合太空植物培植(包括水生、陆生植物、细菌、藻类、食用菌类)的各种技术，在太空环境中生产出人类必须的营养齐备多品种可口的荤素食品。这些昆虫和动植物在太空可以在微重力和小重力环境中实现高密度高效力高产出，饲养和培育它们的全部箱盒等设备所占重量和体积都很小，这为实现迷你太空农场提供了实现的条件。

Description

迷你太空农场——用昆虫循环全部生物废料的食品再生系统

发明所属的技术领域：

在人类长期太空生活环境中一种食品自给自足的生产方法。特别是通过饲养多种昆虫，实现在太空封闭环境中用最小空间和重量，将全部生物废料高效转化为食品的有效方法。

背景技术：

人类太空旅行至今仍局限在近地轨道，而食品的供应均全部来自地球。然而今后人类将要越飞越远，近年世界各大国都提出建立月球基地和探测火星的计划。人类要去较远的星球进行深空探测(例如要飞数年数十年以上)或去其他星球移民，这些中长期的载人航天计划中，生命保障技术是关键，其中解决对宇航员和星球移民的食品供应更是关键中的关键。即使目前在近地轨道飞行的空间站，也会出现食品短缺的时候，它的每公斤食品成本也要1万美元。而美国计划中的火星旅行，需3年时间，由地球上发射运输的成本已达到每公斤2.18美元，昂贵得难以接受。

由于这类食品供应的巨大体积重量和昂贵的成本，对远距离深空探测旅行，即使要在距地球最近的月球和火星建立住人的基地，从地球供应食品已变成不可能。所以以美国为首的国家，正在研究开发一个闭环循环的生物再生生命保障系统(简称闭环生保系统)，其英文名为Bioregenerative life supportSystem(缩写为BLSS)，其中主要的部分是在太空的飞船，空间站或星球移民生活的封闭环境中实现食品、水、空气的再生循环使用，即利用人类和生物产生的废物经处理后能重新循环，再产生食品、空气和水，从而可实现人类在太空长期生活，不必再靠地球供给。

美国航空航天局(NASA)从60年代就开始开发在空间种植作物系统，如小麦，大豆，土豆，近年来还开发了蔬菜和瓜果。它们能在光照下，生产供食用的淀粉、植物蛋白、维生素等人体必须的营养，而且它可吸收CO₂释放氧气，能循环利用废水和部份人体排泄物。但它的营养成份不完全，且需要长期的光照能量，生长空间大，周期长，效率低。废物只能小部份循环利用。NASA曾化费1.5亿美元在美国业利桑那州沙漠中兴建的所谓人造小地球“生物圈二号”，其中主要是种植植物的密封系统，有八名科学家在其中自给自足生活了一年七个月，最后因圈内环境恶劣，无法再维持生活，只能走出生物圈，而宣告该计划失败。它暴露了光靠植物种植系统来提供宇航食物，空气和水，是不能满足NASA所提出的先进闭环生保系统的条件。多年来俄罗斯日本等对太空食品也进行了大量的研究，日本科学家还提出了太空农场的概念。但他们主要都是依赖植物性食物，这对人类的营养需要是远远不够的。目前，水和空气的再循环技术已获基本解决，加上最近在月球和火星上发现极可能有大量冰冻水的存在，果真如此，则水与氧气的供应更无问题。

目前最难的是食品的再循环，其中最棘手的是人类粪便的再利用。美国NASA及有关大学和其他研究机构，研究了从人的粪便中回收有用物质的技术，然而至今仍无人知道，怎样才能直接将人体粪便转化成不大可口但有营养的食物。目前所研究的环闭生保系统，宇航员的食物还是着眼于靠人类在飞船中种植的粮食和其他蔬菜中取得。人体粪便主要只用作植物的肥料和燃烧后产生CO₂供植物呼吸用。

目前在空间站由于废料垃圾不能任意丢入太空，只能打包储存运回地球，这些废料垃圾在空间站大量成年堆积。这些废料垃圾主要都是人的粪便，呕吐物，食物残渣，包装材料等。这些废料垃圾的处理一直是载人太空飞行中的头疼问题。NASA最近几年公布的有关先进生保系统的研究招标课题中，一直把太空人居住环境中粪便和其他固体生物废料的再循环生产食品的课题列为首位，可见解决此一问题的迫切性。至今NASA所追求的环闭生保系统还远未实现。这里显而易见的是，若不解决上述食品再循环生产的难题，是不可能实现在月球和火星建立基地的。

实际上，人体的营养摄取率是不高的，许多营养将从人的大小便中排出。宇航员长期在太空微重力环境中，会导致人体严重的营养不良，丢失大量钙等人体必需的物质，它们主要从大小便中排出，其中的机理至今未明。可以肯定，在宇宙空间，人体的大小便是宝贵的营养源，它不能被视作废料，它的营养成份应该用有效的方法回收变成食品再回馈给人体。以达到先进生保系统的要求。

发明内容：

本发明旨在提供一种新的方法，使人类在太空利用自身和动物的粪便及太空动植物的不可食用部份，其他生物废料和有机塑料，混合作六种昆虫的饲料，从而能高效地实现变全部粪便和上述生物废料为高蛋白高营养食物，再以这些昆虫和太空作物的不可食用部分，作为动物的饲料，用以饲养水生动物，禽类，两栖类，以这些动物的肉类及其蛋类在空间供人类食用。再结合植物种植系统(包括藻类、细菌、水生陆生植物)的各种技术，可同时实现多样植物性食物的生产供应。这样就可完善高效地实现全部生物废料的再循环，在太空环境中生产出人类必须的营养齐备和多品种可口的荤素食品，从而实现NASA提出的闭环生保系统对废料再循环和食品再生的要求。这些昆虫在太空可以适应微重力和小重力环境高密度高效率立体饲养，它是太空中变废料为食品循环链中最基本的环节，饲养它们和培育动植物的全部盒、箱、笼等设备所占重量和体积都很小，又可重叠垒在同一舱室内，这为实现迷你太空农场提供了可行的条件。

附图说明：

图1：在太空人类居住环境中利用多种昆虫将全部生物废料再生食物的闭环系统原理图。

图2：迷你太空农场的水生动植物生态系统。

具体实施方式：

该食品再生系统是一个利用全部生物废料再生食物的闭路循环系统，它由昆虫系统，动物系统，植物系统和太空人类四部分组成。动物和植物系统又分别分为水生和陆生两种。

参阅图1，并按图说明如下：

第一部分：昆虫系统，它是本方法的核心部分，我们选择6种昆虫来循环太空人类生活环境中的全部生物废料，实现用最小空间和重量，高效地生产高蛋白高营养高能量的生物物质。用昆虫作为主饲料饲养动物供太空人类食用，其中部分昆虫也可供人类直接食用。

这些被选择的昆虫样本依次为一，苍蝇中的家蝇幼虫(蝇蛆)；二，黄粉虫；三，大麦虫；四，水蚯蚓；五，鱼虫；六，蚯蚓。

每种昆虫在人类太空居住环境中，都有自己循环废料的主功能：

*蝇蛆主要处理人类和陆生动物的粪便；

*黄粉虫和大麦虫能处理蝇蛆不能吃的绝大部分生物废料，包括饲养蝇蛆后剩下的蛆粪和残渣(蝇蛆粪沙)、还有太空植物的全部茎叶壳根、太空动物的羽毛鳞骨内脏等残渣、人类毛发和呕叶物、食物残渣、包装材料中的所有有机塑料等；

*水蚯蚓和红虫处理水生动物的粪便，细菌，藻类和其他生物残渣；

*蚯蚓处理上述昆虫的粪便和残渣，和黄粉虫大麦虫处理不完的全部生物废料；它也能改善陆生植物的土壤肥力和结构。

选择这些昆虫的理由是，它们都有如下共同特点：

*它们都有极强的生命力，不易得病。对环境适应性强；

*生产技术成熟。操作及设备简单，易于饲养；

*繁殖力强和繁殖迅速，它们在太空微重力环境中能够自行繁殖；

*食性杂广，饲料均是生物废料。不与人类和饲养动物争食；

*都是避光喜暗的昆虫，饲养时不需要光照，节约能源；

*在控制温度湿度等条件下可以每天24小时每年365天连续养殖；

*饲养陆生昆虫的是一样尺度的轻质塑料饲养盒，均可重叠垒在架上，实现最小空间和重量的立体饲养；

*它们最佳的生长温度都在25-30℃，湿度在60～70％，可在同一舱室内饲养。

*除了水蚯蚓，鱼虫是水生昆虫，它们原来在水中生活，太空微重力环境对它们生态不会有影响。其他四种昆虫，都是在与饲料密切接触的状态下高密度饲养，他们在饲养盒(蝇蛆，黄粉虫，大麦虫)或土壤(蚯蚓)内活动空间都受到限制。所以在太空微重力环境下不会产生”漂浮”情况而严重影响其生态；

*营养成分十分丰富(表1)，它们的粗蛋白质含量极高，昆虫干体多在50-75％，它们含有的人体必需氨基酸含量甚至高于大豆且成分搭配合理(表2)。脂肪含量丰富，脂肪酸的组成合理，饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比值低于40％，远比牛羊猪鸡肉为优。它们的矿物质、微量元素和维生素含量也十分丰富，胆固醇含量低，肉质纤维少，易吸收是优于肉蛋类的动物蛋白源。实践证明它们也是大部分水生和陆生小动物的最佳活饲料；

*它们均在高密度状态下成堆生长，很短的生长期，料虫转化率高，生物产量极高，由表(3)可见，本项目前3种昆虫的单位面积生物产量是作物产量的几百或几千倍。

(表1)三种昆虫干与进口鱼粉蛋白质饲料中主要营养成份含量比较(占干物质％)

(表2)三种昆虫干与进口鱼粉蛋白质饲料中必需氨基酸含量比较(占干物质％)

注：FAO是联合国粮家组织的氨基酸标准。蚯蚓品种为日本赤子爱胜蚓。

(表3)三种鲜活昆虫与太空作物的产量与营养比较

注：*大麦虫产量为黄粉虫5倍，N为立体化饲养昆虫的饲养箱层数。

六种昆虫的分别介绍：

一，家蝇的幼虫-蝇蛆：

(1)家蝇幼虫概况：蝇蛆是苍蝇的幼虫。地球上苍蝇的种类很多。基本上苍蝇都有嗜粪和化粪为高蛋白营养物质的特点。本发明中以家蝇为例，是因为它有极强的生命力，很短的生长周期。在高密度状态下，易于饲养。它生长快，高产出。无毒性，不易得病，操作及设备简易。饲养家蝇蛆已是成熟的技术。它是全世界生物，农业，医学，法律，食品等领域的公认试验样本。有关它的生物学和形态学等方面已进行了近一个世纪透彻的研究，研究文献不可胜数。家蝇的蝇蛆是杂食性昆虫，喜食人类和动物粪便，动物的腐败尸体和内脏，植物的果实及其残渣废料等，都有变上述废料为高蛋白营养物质的特点。它喜食粪便，特别对人粪更喜欢。蝇蛆自孵化后经4天饲养，即可增加体重约250-300倍，这是目前世界上经粪便转化为食用蛋白，最高效的途径之一。

(2)蝇卵作为食品源的长期储存

本发明提出以饲养蝇蛆来循环太空生活环境中的人类和陆生动物的粪便，富有营养的蝇蛆再供人和动物食用。又提出由地球带蝇卵至太空，从而避免了繁复的养蝇工序。即只养蛆不养蝇。这里贮藏食品，实际上是贮藏食品“源”——蝇卵。它的重量仅是其产出的食品(蝇蛆)重量的1/300。所以在飞船飞离地球时，需携带的蝇卵重量和体积都是很小的，按成年人每天约需80克蛋白的营养，500克鲜蝇蛆中含有等量的蛋白。这500克鲜蝇蛆需1.7克蝇卵来培养。经计算每个宇航员航行十年只需携带6公斤蝇卵已足够他的食品源供应。如按60％孵化率计算，每位宇航员十年需带10公斤蝇卵。6位宇航员十年需带60公斤蝇卵。

昆虫卵在超低温状态下长期保存的技术问题，在学术上已经解决。美国康乃尔大学Lynch将果蝇卵置于液氮罐中超低温长期保存，复温后可达到75～90％蝇卵孵化率。美国达科大大学R.A.Leopold博士最近报告，他们现在已能达到家蝇卵超低温冷冻后的孵化率为60％，这个孵化率是指孵化后能通过蛆蛹蝇卵代代繁殖下去的比率。作为长期宇宙飞行和生活，液氮罐中超低温长期保存蝇卵，是最简便可行的无限期保存食品源的方法。

(3)蝇蛆的饲养

1、蝇蛆饲料的配制(占饲料的重量百分比)

宇航员和太空居民的新鲜大小便约占70％；动物新鲜粪便约占20％；空间作物的不可食用部份约占10；

2、蝇卵的接种：蝇卵是取自在液氮中超低温冷冻后经解冻的无菌蝇卵。并以每千克重饲料接种3克重的蝇卵于上述饲料表面。

3、饲养的条件：饲养箱需与外界隔离，以防臭气外溢。箱内温度需保持在25～30℃，空气湿度为60～70％。空气成份与人类在太空生活环境相同。箱内需通风，风速为0.5-1.0级，并保持黑暗。

4、饲养箱的结构及饲养过程：饲养蝇蛆的容器，要比地球上的小得多，这是由于空间微重力环境下，必须让蝇蛆与饲料密切接触，否则空隙大了，会使它们“飘浮”起来，蝇蛆会因此吃不到饲料。饲养箱的尺度为40×50×10cm³。是由无毒塑料做成的，要加盖上下调节，保持蝇蛆与饲料密切接触。整个箱子要通气遮光密封，每个箱四天一个周期的活蛆产量约为1千克重。接种蝇卵约需3-4克重。每箱分成三层，分别为6cm，2cm，1cm高。上层6cm厚为饲养层，放满饲料再种蝇卵。中层2cm厚，仅放植物碎屑。上层的蝇蛆经4天饲养接近成熟时，上层顶部用光照，利用蝇蛆避光的特性，将它驱赶至中层。在中层停留3～4小时，仅植物碎屑，以排除蝇蛆体内的粪便。再以光照驱赶至下层，下层内放置湿木屑，以盛成熟蝇蛆，并用筛选法分离出成熟蛆供饲养动物直接食用或制成蝇蛆粉。蝇蛆被赶至下层后让它饥饿3～4小时，目的也是为了清除其肠道中的粪便。三层之间的隔层，是用金属网隔开，其网眼大小正巧可让蝇蛆紧缩身体挤过去，目的是清除其体表的粪便粘物。上层的饲料每12小时需翻动一次，以防饲料发酵升温过高和缺氧，并且在第二，第三天视情况需添加新鲜饲料。

在箱内三层中放置通风管，风速保持在0.5～1.0级。整个饲养箱与箱外不通气，以防臭气外溢，污染人类居住的环境。箱内通气管将臭气排至除臭液中过滤掉。蝇蛆饲养成熟后的饲料残渣(蛆粪沙)，是无菌无臭的，蝇蛆能分泌灭菌物质。蛆粪沙可再作作黄粉虫和大麦虫的饲料，也可作太空作物的高级肥料。

(4)用粪便培育家蝇幼虫的试验：我们用两位成人和60只鹌鹑的每天的粪便，加250克麦麸进行了饲养蝇蛆试验，每天平均可以收获618克鲜活蝇蛆，这些蝇蛆足可作为60只鹌鹑每天的高蛋白饲料。现在世界上许多国家以饲养蝇蛆来喂养家禽、家畜、鸟类和水生动物，均可以得到明显高的成活率，生长率，产蛋率和繁殖率。

(5)在太空饲养种蝇——仅在危急情况下的备用技术

由于在太空饲养种蝇需要较大的饲养空间和额外的劳力设备。所以本发明仅用超低温冷冻贮存蝇卵，也可满足食物源的需求。即在太空只养蛆不养蝇，只有在蝇卵丧失的意外发生时，才需养蝇来繁殖蝇卵这一食物源。平时，蛆即将成熟，即可直接供饲养动物作饲料，或立即加工成蛆粉。若不杀灭成熟蛆，数小时内它即可成蛹。

1、蝇卵选择：为了得到高质量的蝇卵，选择的蝇蛹要保证在每个体重为18毫克以上。蝇卵最好取自第6～10天所产的卵。

2、饲养密度：在大规模地面养殖场的苍蝇饲养密度为40000～60000只/m²。但在太空饲养目的仅为产卵，故只需少量饲养，以收集蝇卵。成蝇饲养笼也是封闭式的，它由无毒塑料制成。若用二只蝇笼，每只笼的空间为40×40×40cm³，按每只成蝇活动空间为10cm³计，则可养6000对蝇，以每对蝇10天产卵1000粒，每克蝇卵约为12000～14000粒，则10天可产卵400～500克，每天40～50克卵，足可供5名宇航员每天生产食品所需的蝇卵量。(5×6克＝30克)

3、饲养的饲料：产卵蝇的饲料比蝇蛆要求高，好在成蝇喜食蝇蛆糊(将活蝇蛆碾成糊状)，而蝇蛆糊在太空正可自给自足。

4、饲养的方法：蝇蛆饲养与前述的相同，当蝇蛆4天后成熟，让它在饲养箱下层的木屑中化蛹，选体重大于18mg的蛹作种。让蛹在25～30℃，65～75％湿度下，通风风速为0.5～1.0级，保持黑暗，蛹经过5～7天即羽化，成蝇羽化后3天可产卵，产卵期为30天左右。一般在15天后即杀死成蝇，停止取卵。

5、蝇的饲养温度、湿度及饲养方法：

成蝇饲养笼内温度为25～30℃，空气湿度为65-75％，笼内配有饲料盒，分吸水海绵，涂饲料海绵和引诱产卵海绵(海绵吸附水和饲料，防止微重力环境中，水和饲料飘游空中，以便于供成蝇进食。)。引诱产卵海绵块上同样涂饲料，另加成蝇下腹部提取液或新鲜人粪，作为产卵引诱剂。引诱产卵海绵块在成蝇羽化后三天即可置入，每隔12小时更换上述三种海绵一次，每天上下午可各收集一次蝇卵。上述饲养笼在饲养前需用紫外线消毒灭菌。蝇蛹需用高锰酸钾溶液消毒后再羽化。

(6)蝇蛆粉的加工步骤

将饲养4天的蝇蛆经过以下步骤制成：

分离→清洗→滤干→研磨→离心处理→巴氏灭菌→均质处理→喷雾干燥(或冷冻干燥，或真空干燥)→收集干粉→包装→微波处理蝇蛆粉可长期冷冻保存。

用此加工法制备的蝇蛆粉，其中大肠杆菌每100克中检出为阴性，致病菌未检出。每克中细菌总数均低于全脂奶粉标准。说明它是卫生可食用的。制成的蝇蛆粉外观为米黄色粉状，口味清淡平和，呈奶香，无异味。

(7)动物试验——用蝇蛆作动物的饲料

由于蝇蛆体内包含丰富的蛋白质、脂肪酸、和其他各种动物需要的营养成份，世界各国的饲养试验证明，将蝇蛆作动物饲料，去供养禽类、畜类和水生动物，均达到了比常规饲料和用同等重量的鱼粉饲料明显高的成活率，生长率，生蛋率和繁殖率。

二，黄粉虫：

俗称面包虫，它原是一种倉库害虫。与蝇一样，它一生经历卵，幼虫，蛹和成虫4四阶段，老熟幼虫体长29-35毫米。入选它为第二号昆虫的理由如下：

(1)，它的成虫和幼虫的食性很广很杂，对饲料的要求低，几乎所有的生物废料它都能食用消化吸收，而且转化率高。除了取食各种谷类面粉米粉麦麸薯干及其碎屑外，也取食面包饼干，羽毛，油料，干鱼干肉虫尸，鼠粪，菜叶，瓜果和一些发霉倉储物。人工饲养中，它的精饲料除了各种禾本科作物的子实及其加工副产品，如小麦，大麦，玉米，高粱，粟子，稻谷，副产品如麦麸，米糠，玉米皮等外，农作物秸秆为主的有机废弃物(麦草，稻草，玉米秸，树叶，杂草等)，经发酵作黄粉虫饲料，使虫料比达到1∶3。另外，青绿多汁饲料，包括各种菜叶，胡萝卜片，瓜果皮以及泡桐，桑树，椿树，棉花，向日葵，芝麻，玉米，油菜等树木和农作物的叶片，以及龙须菜，兔儿草等杂草的茎叶，都可以作为黄粉虫的青绿多汁饲料。

黄粉虫可以食取有机塑料，能消化吸收有机塑料，其粪沙中未消化的塑料成分极少。1kg的泡沫塑料可以使黄粉虫增重3kg以上；黄粉虫在食用有机塑后可以正常生长和繁殖，并认为黄粉虫体内存在某种可以消化有机塑料的活性物质，经人为创造条件可使这种能力发展和强化。黄粉虫的粪沙不产生静电吸附、不可燃烧、不漂浮，并能发出腐败臭味，证明粪沙中塑料成分已变得极少，它能为治理白色污染开辟了新的有效途径，同时在太空中可以变大量有机塑料包装废料为宝贵的高蛋白高营养高能量的食品源。

我们用饲养蝇蛆后的蝇蛆粪渣(蛆粪沙)，该蝇蛆是分别用麦麸和人粪作主饲料饲养的，用蛆粪沙再作为主饲料来饲养黄粉虫(另加白菜皮补充水分)。发现黄粉虫也喜欢虫吃蛆粪，并明显地增加体重。

黄粉虫食性广杂的特点，使它能循环蝇蛆不能食用的几乎所有的太空生物废料，它的饲料可为蛆粪沙，太空植物的全部茎叶壳根，太空动物的羽毛鳞骨等残渣，太空人类毛发和呕吐物，食物残渣，包装材料中的所有有机塑料等。

(2)黄粉虫营养十分丰富，是一种高蛋白高脂肪和氨基酸含量较全面的昆虫，尤其蛋白质含量高。含有人体不能合成的8种必须氨基酸(表2)。有四种超过了FAO/WHO推荐的模式值。其必须氨基酸总量高于猪肉羊肉和大豆，接近牛肉和鱼的含量。它的饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的比值接近鱼的脂肪酸。它还含有各种丰富的维生素，矿物质和微量元素。它的组织的90％可作为饲料和食品，废弃物很少。蛋白含量+脂肪含量高的可达80％，可以说它是超级畜牧良种，不仅可用来饲养动物，还可用于动物蛋白生产，为人类提供健康食品。

(3)实践证明黄粉虫是优质的鲜活饵料，它已广泛应用于喂饲所有杂食性鱼类、禽类、鸟类、水产类、两栖类等。它适口性好，营养全面，投喂方便。当然也特别适用于喂饲本项目中的3种动物罗非鱼，福寿螺和鹌鹑。黄粉虫幼虫糜对罗非鱼具有显著的诱食作用，在饵料中加入2％的黄粉虫效果最佳。

(4)黄粉虫的虫粪(粪沙)是种植植物的优质肥料。其粪沙中粗蛋白含量达24％，另外还含有3.37％的氮，1.04％磷，1.4％钾。及锌，硼，锰，镁，铜等多种微量元素。它既是优质有机肥料，也可作粗饲料喂养禽畜。粪沙干燥，无异味，体积小，易储存和运输，沤制腐熟快，不占场地，使用方便，它的综合肥力是任何化肥和农家肥不可比拟的，它具有很高的自然气孔率和微小的团粒结构，表面涂有黄粉虫消化道分泌液形成的微膜，有助于提高土壤的氧含量。用它作植物肥料，其肥力稳定持久长效，施用后可提高土壤活性。

(5)成虫善爬行，但不会飞行。所以只要养虫箱内壁光滑，就能控制它不外逃。

(6)它生命力顽强，能耐饥耐寒耐旱，在温度较低时饥饿6个月以上也不会马上死亡。平时不需供水，只需吃些含水的菜叶瓜果皮就可满足水分要求。幼虫养殖可以2-3天喂食一次即可，它十分安静，不需特别照料，非常省心。

(7)它的繁殖能力很强，雄虫可连续与8条雌虫交配而不影响寿命和受精率。在饲料温湿度适宜时，每条雌虫平均产卵量可达580粒。此时3-7天卵可孵化，幼虫期为90-120天。蛹期为6-8天；成虫平均寿命为60天。在太空环境可以自己繁殖。成虫不像苍蝇会飞，不需像蝇卵一样需超低温冷冻大量由地球带至太空。

(8)平均每平方米90天内产量达到5公斤(它从卵孵化到成虫平均约需90天)。它成堆活动和取食，与蝇蛆一样，可养在饲养盒内。养虫盒的尺度与养蝇蛆的饲养箱尺度一样。也可饲养箱重叠垒起，实现立体饲养，所以每平方米的产量应为5N公斤(N为垒叠的箱层数)。

(9)它的蛹为裸蛹，体内没有虫粪，用它做出的食品，味道鲜，营养高。除了将它焙烤或制成油炸“龙虾”，可供人类直接食用外，也可制成以黄粉虫为原料的高蛋白质食品，主要通过提取它的蛋白粉和氨基酸营养为原料加工的食品。

三，大麦虫

大麦虫是我国新近由东南亚国家引进的新型蛋白昆虫，它与黄粉虫一样，也是拟步甲科粉甲属的昆虫，它们是同属异种昆虫，外形也相似。它的食性，生长及生殖特性，生长周期及速度都与黄粉虫极为相似。雌虫可连续产卵600-1000余粒，直至死亡。但大麦虫体型更大，幼虫体长可达7-8厘米，老熟幼虫体宽达5-6毫米，比黄粉虫体长大2-3倍，单条虫重1.3-1.5克。其营养价值比黄粉虫更高。根据Finke报道，与家蝇蛆，黄粉虫幼虫，蟋蟀，蚕蛹，蜡虫幼虫等比较，大麦虫在重量，蛋白质，蛋氨酸和能量的含量均居首位。且微量元素的种类多，含量较高，是一种不可多得的蛋白源昆虫。由此可见，它的开发潜力比黄粉虫更大，其产量是黄粉虫的5倍。所以又名超级面包虫。

它也可以与蝇蛆、黄粉虫在同一舱室或房间内用同样的饲养箱重叠垒起，成年累月日夜连续不停地立体饲养。它从卵孵化到成虫约需90天。90天内每平方米的平均产量应该是25N公斤(N为垒叠的饲养箱层数)。由于引入时间不长，有关研究资料和数据较少。我们选择大麦虫作为第三号循环有机废料的昆虫，是看好它的开发潜力，而且引入它，会增加太空中整个食物生产链的安全性。四，水蚯蚓：是最常见的淡水底栖动物。他的繁殖能力强，生长速度快，在繁殖高峰期，每天繁殖量为蚓种的一倍。它是雌雄同体，异体受精。在水温28-32℃繁殖最快，孵化率最高，并一年四季可以繁殖。喜生活在带泥黑暗的微流水区，吞食淤泥后又排出，这有利于改变水底环境。它的食性很广很杂，既可以吞食泥土，又可以进食腐屑，细菌，藻类和小型动物。刚孵出的幼蚓体长有0.6厘米，1-2个月就能长大成蚓。通常在引种一个月后就采收。2个月性成熟，人工繁殖的寿命约80天，体长56厘米。它有很强的再生能力，切断后能各自生成完整的个体。它的营养丰富，干物质中蛋白质含量高达70％以上，粗蛋白中氨基酸齐全，是各种鱼类的珍贵活饵料。本项目中引入水蚯蚓，主要是用它放在罗非鱼饲养箱下游出口处的水流过滤小池，将鱼粪和其他生物废料作为水蚯蚓饲料，用以净化水质。

五，鱼虫(红虫)：是指污水坑塘及河流中孳生的各种浮游动物，是枝角类(水蚤)和桡足类的笼统俗称。红虫的蛋白质含有观赏鱼所必需的所有氨基酸，而且含量也远远高于其他常用饲料，是鱼类的天然优质饲料。红虫繁殖生长的季节性特别明显，生长也极快。它也是怕光的昆虫。我们引入红虫作为第五号循环生物废料的昆虫，是辅助水蚯蚓的净化水功能。

六，蚯蚓：

它是一种富含蛋白质的高级动物性饲料(表1，表2)，供特种水产品养殖所需蛋白质饲料的饲料需求。蚯蚓为雌雄同体，但需异体交配才能繁殖。

蚯蚓喜欢栖息在温暖、潮湿、安静、黑暗、富含有机质的土壤里。蚯蚓是杂食腐食性动物，饲料来源广泛，细菌、酵母、原生动物、线虫、动植物的尸骸以及禽畜的排泄物等都可以被利用。人工饲养蚯蚓的饵料是指经过发酵腐熟、有机质已被充分分解后的易被吸收、牲畜粪便、动物残体，作物秸秆、淀粉、糖类、垃圾、青草、树皮、水果皮、菜叶堆制发酵，必须经过充分腐熟分解和料中无不良气味

每立方米粪料年产蚯蚓可达40千克左右，每平方米基料可年产蚯蚓15千克。

人工养殖大平二号蚯蚓是目前提供鱼用活饵料和优质蛋白质的好途径。

我们引入蚯蚓作为第六号循环生物废料的动物，是把它饲养在陆生植物种植土壤中改善土质。或用它来循环黄粉虫和大麦虫的粪便和前三种陆生昆虫来不及循环的动植物废料，再把它作为高蛋白高营养的活饲料来饲养动物。

第二部分：动物系统：

饲养动物的理由：

这里饲养的六种昆虫动物，都有极丰富的营养成份，仅从它的营养价值和它的特殊保健功能看，用它结合太空植物，直接供太空人类食用，应该是十分简便理想的。特别要推荐的是，黄粉虫和大麦虫的蛹都没有蛹壳，是裸蛹。蛹体内都没有了排泄物。它们的个体大。它们的幼虫也不直接像蝇蛆那样吃粪便。裸蛹也不像一条活虫，给人的印象和形象都比蝇蛆要好。作为食品相对容易为人们接受。就将黄粉虫蛹放在微波炉上烤几分钟，加点盐，味道与虾十分相似。目前食品工业用它们研制的各种粉酱酒等作食品添加剂，已不在少数。

然而事实上，人们的文化观念和食品习惯，使人们很难接受以昆虫作食品，更不要说用自己的粪便饲养蝇蛆作食品了。

所以本发明在完成关键的第一步，通过饲养昆虫，将人和动物的粪便，动植物不可食用的全部生物废料高效地转换成高营养成份的昆虫生物体，第二步是以这些昆虫作动物饲料，再以饲养的这些动物及动物所生的蛋作为太空人类的食品。在空间饲养的动物主要有水生和陆生两种，我们现在为适应太空飞船和空间站有限的舱室环境，只选择了禽类，水生动物类和二栖类三类小动物。这里选用蛋用鹌鹑，罗非鱼，福寿螺，美国牛蛙为例。在未来星球移民基地，则还可以养大型水生和陆生动物。

现在选择上述几种小动物为太空饲养动物的理由是，因它们具有如下共同点：

(1)饲料均可在太空自给自足。它们均喜食上述6种活昆虫或昆虫粉作饲料，其它辅助饲料为各种植物的不可食用部份。这些动物的幼雏期，如雏鹑、幼鱼、幼螺和蝌蚪，均可以细菌、藻类或昆虫粉加麦麸等植物类粉料喂食，长大后可添加活昆虫喂饲。

(2)均经过了初步太空孵化和饲养试验，虽然这些太空试验目的仅是在微重力环境下的生态试验，不是为了将它作食品生产。但它也证明了在太空中饲养它们的可行性。

1999年2月俄罗斯和平号空间站内的宇航员曾将60个鹌鹑蛋孵出37只小鹌鹑，即使在太空强辐射的恶劣环境中，也养活了十只。在美国STS-47航天飞机上对南部非洲的青蛙进行胚胎学研究，这些青蛙在太空中产下的卵，均孵出了小蝌蚪。对鱼、蚕的产卵、卵孵化，生长再到产卵，成功进行了卵-卵的生态试验。

(3)它们的卵(鹑蛋、鱼卵和蛙卵)均可由地球上带来，在液氮的超低温状态下可无限期地长期保存，并在复温后均可孵化出来，并继续生长直至再产卵。它们也可在太空环境中自己繁殖产卵。

(4)它们的体型小，生长发育快，生长周期短。食性广杂，料肉转化率高。性成熟早，产卵量高。适应性强，耐高密度饲养，抗病力强；这些动物本身及其蛋类均是低脂肪低胆固醇的高蛋白食物，口味好，容易消化。

(5)这些动物在地球上的饲养技术均是成熟的，设备也简单。

选择水生小动物的理由：

(1)饲养水生动物的一个突出优点是，它们原来在水中生活，早已适应了水中这一类似太空的无重力环境，所以它们在太空中的生态，特别是进食、生长和繁殖，不会受微重力环境影响的。

(2)这些昆虫在水中有一定的成活时间，如蝇蛆在水中可以存活和活动24小时以上，这样便于水生动物在水中食用这些活昆虫，就像在地球上一样方便。

(3)最近发现火星和月球上极可能有大量冰冻水存在，有朝一日被开发，则在这些星球上用这些昆虫饲养水生动物会不受水源的限制，可以大规模生产各类水生动物，以提供星球移民必须的食品。就是对于舱室空间很有限的太空飞船和空间站，由于水生动物都是高密度饲养，水箱的容积很有限，所以同样可以饲养。

三种动物的介绍：

一，鹌鹑，选用肉蛋型鹌鹑。除了上述的共同特点外，这类鹌鹑通常在孵化后35～45天即产蛋，产蛋率高达80％以上，鹑蛋与其体重比是鸡蛋的2.5～2.7倍。食量小，料蛋比为3∶1，它喜食活昆虫，它们的粪便和身体不可食用部分均是这六种昆虫嗜食的饲料。我们用两位成人和60只鹌鹑的每天的粪便，加250克麦麸饲养蝇蛆，每天所收获的618克鲜活蝇蛆喂养60只鹌鹑，其平均体重(130％)蛋重(110％)均明显高于吃普通饲料的对照组。

二，罗非鱼，选择尼罗罗非鱼作样本。

它有食性广、个体生长快、个体大、抗病和繁殖力强、肉味鲜美，鱼刺少等特点。

(1)食性广，抢食，饲料利用率高。它的饲料为腐败碎屑、残渣。藻类。原生动物。枝角类等，由于罗非鱼什么饲料都能吃，而且抢食，消化能力强，所以饲料利用率也高。最低只为1.1，即1.1千克饲料就能生产1千克鱼。

(2)罗非鱼是耐低氧的鱼类，最适的生长水温是28～35℃，它的适应能力强，易养，病害较少。是群体产量高，极具生产潜力的品种。是网箱、流水养鱼的好品种，网箱养殖每平方米的产量可30～40千克。而它网箱养鱼的能量生产力比池塘高达130倍。

(3)罗非鱼的繁殖，3-6个月性成熟，体重150克雌鱼，怀卵量约为1300-1800粒成熟卵。最奇特是的它的口孵特性，其受精卵是被含在雌鱼口腔内孵化，一般5-6天孵化，孵化后母鱼还是常把小鱼苗吸在口腔内保护，直至15天或以后。奇特的“挖窝”繁殖与口中含卵孵化保证罗非鱼在太空环境中自我繁殖的可靠性。

三，福寿螺，它是从南美洲引进的一种大型淡水螺类，原产南美洲亚马逊河流域。其特点是高蛋白质、低热量，并含有维生素C和胡萝卜素，是一种滋补佳品，

(1)它的适应性强。浅水塘、小河流、水沟、以至于被工厂严重污染的中小水面；

(2)杂食、粗粮、易管理。植物性饲料如菜叶、瓜果皮、野草、花生麸、麦糠，动物性饲料如死禽、死兽、死鱼、屠宰下脚料等都可用于养殖福寿螺；

(3)个体大，生长快，产量高。在较好的养殖环境下放养幼螺，养殖半年一般个体可达200～250克，最大个体达400～500克，一年每平方米产量可达7.5公斤；

(4)繁殖力强。幼螺孵出后饲养4个月，便可初次产卵，少的100粒左右，多的达1000粒以上，螺卵产出一周左右便孵出幼螺；

(5)是肉质好。肉色金黄，爽脆鲜美，营养价值高，故又“福寿螺”这一美称。该螺无致病菌，无致癌物质。但是，由于福寿螺繁殖能力太强，而且以植物性饵料为主食，对农作物影响较大，因而目前部分地区仅作为优质饵料饲养。

(6)福寿螺喜阴怕光，白天较少活动，晚上活动频繁，它的生存最适水温为25℃～32℃。刚孵出的幼螺养殖一个月，一般可长至25克左右，养殖2个月可长至50克左右，养殖3个月可长至100～150克，在幼螺阶段可以用小池、缸盆饲养，成螺阶段可以在水泥池、缸等小水体中饲养。

第三部分：植物系统：包括陆生和水生两类。

陆生植物包括作物：主要是小麦，甜土豆，大豆等；蔬菜类：青叶菜，番茄，黄瓜等和食用菌类(不需光合作用，菌种也可采用超低温冷冻由地球上携带)。为克服太空微重力环境对植物生长的不利影响，采用水栽的方法是个好的选择。

陆生植物系统对星球移民基地的小重力环境，应该是能够适应种植的。但对飞船和空间站这样的微重力环境，对植物根系的吸收有严重的影响。加上舱室空间很有限的环境，是很难实现光用种植陆生植物来解决人类食品供应问题的。美国NASA用控制光源，压力，温度，湿度，大气和营养成分等参数建造密闭的植物生长装置一可变压力植物生长舱。为了回收生物物质，它把生长舱生产粮食作物的不能食用的根茎叶麦麸等烘干研粉加水拌匀，再通过一种需氧生物反应器用微生物降解，加工成植物生长所需的营养液输回生长舱灌溉植物。并在STS-93航天飞机飞行中试验。可见陆生植物在微重力环境下种植生长的技术难度和巨大的成本。至今没有很好的实用办法问世。

水生植物：与饲养水生动物的理由一样，为彻底克服微重力环境对植物根系吸收的不利影响，采用水生植物系统是最理想的方法。它包括藻类，细菌和水生植物。藻类可用螺旋藻或小球藻，它可以利用人尿作培养剂。细菌可用光合细菌；水生植物可用水浮莲，水葫芦，水花生，金鱼藻等

另外值得推荐的是葛仙米的培养技术：它是一种低等的单细胞蓝藻，原产于湖北鹤峰县一个山洼水稻田中，经过中科院武汉水生所等单位多年来的研究开发，现在实现了室内水箱养殖，形成了成熟的生产工艺，据报道单产达到每天每平方米200克。据水生所藻类专家胡征宇博士介绍，它的营养价值很高，含多种蛋白质和人体所必须的8种氨基酸及多糖等活性物质。其成品如灿烂的珍珠，分黑、蓝、绿三色。味道也十分可口。可供人类直接食用。为此，水生所已经申请了多项发明专利。(55)将此项技术结合使用在本项目的植物生长系统种是十分理想的。

第四部分：太空人类

太空人类在此食物链中的作用主要是食品的消费者，和生物废料的主要生产者。

迷你太空农场的实施：

这里分两类，微重力环境主要用于飞船和空间站，小重力系统主要用于月球火星等星球移民基地。两者的不同之处是前者对太空农场的空间重量要求更严。

本系统设计的昆虫系统对两者都是一样适用的。动物和植物系统，前者主要采纳水生动植物密闭的循环水箱系统来培养。陆生动物是养鹌鹑，陆生植物是以水栽为主。后者对空间和重量限制少了，加上月球和火星上有大量冰冻水存在，重力的存在对动植物的生态影响小。所以动植物的品种选择更可多样化，陆生和水生动植物系统都可发展，规模可大可小。

这里重点介绍微重力环境下的迷你太空农场的实施，由于昆虫，动物和植物的生长环境的温度都是在25-30℃和湿度在65-75％范围内，所以它们可以放在同一舱室内饲养和培育。

(1)昆虫系统：除了水蚯蚓和红虫是放在很小的流水过滤罐内养，其他四种昆虫都是放在同一尺度的塑料盒或木盒内。每个盒子的面积为0.2平方米，容积为0.02立方米(内径尺度为50X40X10厘米)，每个盒子的重量(包括昆虫和饲料)平均为1公斤。它们都可以垒起来立体养殖。依据我们的养蛆试验，用两个成人和60个鹌鹑的粪便可以得到618克活蛆。依次推算，每天用3个饲养盒足够了。连续4天就要用12个盒子。其他黄粉虫，大麦虫和蚯蚓的箱数要根据生物废料的多少来定。另外为防止黄粉虫，大麦虫在不同的虫期互相残杀，所以要分期饲养。我们共用12个盒子来分3期，每期各2个盒子分别养黄粉虫和大麦虫。蚯蚓用4个，总共有28个盒子。这样对两个人的生物废料用这些昆虫处理需要0.56立方米的舱室空间，重量为28公斤。如果是6个人，只是1.68.立方米，84公斤重量。它所占的舱室空间和重量是非常有限的。也是飞船和空间站能容易安置的。用这样小的空间重量，这些昆虫就可以高效实现全部生物废料转化成高蛋白高营养的生物物质。由于它们都是高密度成堆地饲养，它们与饲料都是密切接触在一起的。所以每个盒子可以加通气遮光的盖子将饲料压住，盒子又固定在舱壁架上。昆虫不会在微重力环境“漂浮”起来。保证昆虫的进食和繁殖生态不受影响。其他的附加设备都很简单，如产卵盒，养蝇盒，分离筛都是轻便的，不占多少空间和重量的。

(2)动物系统：陆生动物我们目前就推荐养鹌鹑一种。它在地面重力环境下，以上述昆虫作主饲料，会生长得比吃普通饲料好的多。由于也可以高密度养殖，所占空间也是有限的。60只鹌鹑养在100X80X10厘米笼内，为0.08立方米体积，它相当于四个虫盒的体积。按80％产蛋率，每天可以得到约500克鹌鹑蛋。足够两个成人每天的蛋白质需要量。生产6个人所需的鹌鹑蛋，就要养180只鹌鹑，占0.24立方米的体积。笼子与鹌鹑的最大重量约为60公斤。

但是俄罗斯在空间站舱内养的鹌鹑，特别是刚孵出的小鹌鹑，它们无法适应微重力环境而挤作一团。影响正常进食。所以俄罗斯科学家想法给每只鹌鹑做一件马甲，把他们固定起来。但是这样进食还是不方便。所以要解决让鹌鹑在笼中又能自由活动又不会漂浮颠倒是个关键问题。

(3)植物系统：陆生植物以水栽方法为主，主要种植作物如小麦、甜土豆、大豆等；蔬菜类如青叶菜，番茄，胡萝卜等；还有食用菌类(菌种也可采用超低温冷冻由地球上携带)。上述植物均可供人类食用；

种水浮莲，水葫芦或水花生供昆虫和水生动物食用。除食用菌外，植物都需要以灯光提供光合作用的能源。用大量的二极管就可以不占体积重量地实现光合作用的需要。缓慢循环流动的营养液浸泡植物根部代替土壤。所以水栽同样可以用平面水盘，实现立体栽种。设计每平方米种植水盘的水体平均为5升，10平方米的种植面积需要50升水。以10个塑料水盘，每个盘重加植物的重量为2公斤。每个种植盘的植物生长高度为15厘米，则需要1.5立方米的舱室空间。水与水盘的重量为70公斤。

(4)水生动植物的封闭培养系统

本项目设计的水生动植物的封闭培养系统如图2所示：

1，动物箱内培育罗非鱼和福寿螺两种动物，它们的饲料主要是饲养的各种活的昆虫加植物的茎叶废料。它们的幼鱼和幼螺喂活红虫、昆虫粉、藻类、细菌和植物副产品如麦麸等。水体容积为50升，养50条鱼和50个螺；

2，植物培养箱内培养藻类(葛仙米或螺旋藻)，以直接供人类食用或作水生动物的饲料。设计水体容量同样以50升为一个单元。

3，参数监视记录调节系统：连接各传感器，并自动记录和调节各参数，使之维持在正常范围内。包括光，热，水流量，氧，氮，氨，硫，CO₂，细菌等参数的监控和调节。

4，过滤罐为2升水体，养水蚯蚓和红虫。它连接动物箱出口，用网筛过滤动物箱里流出的动物粪便和生物废料作水蚯蚓和红虫饲料；

生物过滤器为2升水体，培养光合细菌，它是厌氧菌，能在弱光条件下降低水中硫化氢，氨氮和二氧化碳含量，达到净化水的作用和作为水生动物的饲料。它能防治水生动物疾病，促进鱼体生长和提高其成活率。

5，热交换器是提供和控制该培养系统的水温，使系统保持在所有动植物体的最佳生长温度25-30℃范围内。

6，气体交换器是调节系统水体内的氧气，二氧化碳，氨气，氮气等重要气体的含量。

7，水泵是保证系统的水循环流量。

(5)生产供6人食品的迷你太空农场的净重量和净空间的估算

这个水生动植物培养系统需要的水体总量为104升，重量为104公斤。通常需要3个这样的系统以保持不同的动植物生长阶段，所以总水量为312公斤。体积为0.312立方米。

供6人所需的食品再生系统所占的全部重量和所占舱室的估算见表4，可以得到迷你农场的所占总舱室净空间为3.732立方米，净载重量为526公斤。如对附加设备和活动空间作考虑，则将占用舱室空间和重量均加倍，为7立方米和1000公斤，这对载人深空探测的飞船和空间站都是可以接受的。

表4，能供6位宇航员的食品再生系统所占舱室净空间和全部净重量的估算

	舱室空间(M³)	重量(Kg)
	舱室空间(M³)	重量(Kg)	昆虫	1.68(0.56X3)	84(28X3)
陆生动物	0.24	60	昆虫	1.68(0.56X3)	84(28X3)
陆生动物	0.24	60	陆生植物	1.5	70
水生动植物	0.312(0.104X3)	312(104X3)	陆生植物	1.5	70
水生动植物	0.312(0.104X3)	312(104X3)	系统总计	3.732	526

这个系统能提供太空人类的食品清单如下：食用昆虫，鹌鹑及其蛋，罗非鱼，福寿螺，葛仙米，甜土豆，大豆，蔬菜类如青叶菜，番茄，胡萝卜等；还有食用菌类。

Claims

1.一种在太空人类居住环境饲养六种昆虫的方法，实现将该环境中的全部生物废料和有机塑料全部高效转化为人类和饲养动物的食物源。

2.权利要求1中所述的六种昆虫为蝇蛆、黄粉虫、大麦虫、水蚯蚓、红虫、蚯蚓，也包括前3种昆虫的蛹。它们是以该环境中人类和动物的粪便、太空动植物不可食用的部分，生物残渣废料和有机塑料作为饲料，实现将全部生物废料和有机塑料，高效地变为高蛋白高营养高能量的昆虫生物体；

3.权利要求1中所述的六种昆虫生物体，除了部分可加工成直接供人类食用的食品，其余可以活体或虫粉伴以植物不可食用部分作饲养动物饲料。饲养动物包括水生动物、禽类、两栖动物、甚至畜类。这些动物的身体和所产的蛋，可作为太空人类的食物源。

4.权利要求1中所述的六种昆虫，它们的粪便和饲料残渣可成为太空植物的高效有机肥料，也可作其他昆虫的饲料，实现生物废料的二次循环。培育的太空植物包括作物、蔬菜、食用菌、水生植物、藻类、细菌等，它们可供人类直接食用和作为动物、昆虫饲料。

5.权利要求1中所述的六种昆虫和饲养动物除了能在太空自我繁殖外，它们的卵或受精卵均可由地球带来，并用超低温冷冻的方法长期保存，随时复温孵化后生长繁殖，以保持食品源的安全性。

6.权利要求1中所述的六种昆虫和饲养动物的最佳生长环境温度湿度都相同，它们都可高密度地在盒、箱、笼内立体饲养，昆虫的饲养盒都可是统一小尺度的轻质塑料盒，由此可以最小的重量和空间安置在同一舱室内，实现在微重力或小重力环境中的太空迷你农场。

7.权利要求1中所述的人类在封闭环境中用生物废料再生食品的方法同样可以应用于地球极端环境和灾害情况下的人类生存必须的食品自给，如极地、岛屿、森林、海面船舶、水下核动力潜艇和战争等。

8.权利要求1中所述的食品再生方法，是绿色环保高能高效的变废为宝的循环农业生产方式，可推广在人类居住的任何地方的城钲农村，用最小投资和空间，在最短时间内发展此一农业模式，达到迅速致富，并可解决大量低劳力就业，由此也可开发科普型观赏农业。