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方法文章

构建和运行低成本高浓度二氧化碳培养箱以评估微绿植在太空飞行相关CO2水平下的生理特性

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DOI:

10.3791/70050

2026年4月17日

本文内容

摘要

本方案描述了如何构建和操作一种小型、低成本的生长室,该生长室能够维持植物实验所需的极端二氧化碳(exCO2)水平。该系统通过基于单板计算机的监测与控制系统,结合被动式水培毛细供水系统,可在与太空飞行相关的环境条件下,开展微绿植生理学的可重复研究。

摘要

载人航天器内的二氧化碳(CO2)浓度通常超过 3,000 ppm,显著高于地球大气中的浓度。长期暴露于高于 3,000 ppm 的极端 CO2(exCO2)环境会改变植物的生长、生理特性及营养成分。然而,目前很少有实验系统能够可靠地重现此类 exCO2 浓度。本方案描述了一种易于实现且成本较低的方法,用于构建可维持植物实验所需稳定 CO2 浓度高于 3,000 ppm 的台式生长舱。

通过改造台式培养箱,加装气密性电缆和气体接头、自动化的 CO2 输送与排气系统,以及集成的温度、湿度和压力传感器,构建出该培养舱。系统由低成本的单板计算机控制,采用开源 Python 代码,通过调节电磁阀向舱内注入 CO2 或排气,以响应系统读数,从而维持目标 CO2 浓度。定制的被动吸水盒可在无需人工浇水的情况下维持植物生长,减少了开启培养舱的频率,从而最小化 CO2 浓度的波动。

利用该系统,我们成功在“环境CO2”(最低400 ppm)和“类似国际空间站的高浓度CO2”(最低3,000 ppm)条件下培育了两种微绿植物:萝卜(Raphanus sativus,一种C3植物)和苋菜(Amaranthus cruentus,一种C4植物)。在10至14天的生长周期中,培养舱始终保持稳定的CO2浓度、温度和湿度。这一可重复、与航天任务相关的CO2系统为研究植物对极端大气环境的响应以及为空间飞行实验的前期准备提供了便捷的工具。

引言

在长期太空任务中,植物将通过促进食物生产、满足营养需求以及提升心理健康,在维持人类生命方面发挥至关重要的作用1。然而,载人航天器或未来设想的栖息地的大气组成与地球环境存在显著差异。国际空间站(ISS)的二氧化碳(CO2)浓度通常超过3,000 ppm(百万分之一),几乎是地球环境浓度的十倍2。国际空间站的CO2浓度甚至曾高达6,500 ppm。这种极端CO2(exCO2)水平会影响植物的生理、形态和营养成分。然而,这些exCO2浓度超出了大多数增高的CO2实验的研究范围——此类实验通常集中在700 ppm至1500 ppm之间,实际上也超出了大多数地面植物生长箱所能维持的范围。因此,此类极端条件下植物的响应仍缺乏充分表征。因此,深入了解植物对与太空飞行相关的exCO2水平的响应,对于确保空间农业和生物再生生命支持系统的成功至关重要。

近年来,由于芽苗菜生长迅速、占地面积小且营养密度高,已成为宇航员营养供给的潜在理想作物3,4。这类短生长周期作物可提供新鲜的维生素和抗氧化物质,而这些成分在长期储存的航天口粮中会逐渐降解。目前配制的宇航员膳食在长期储存后表现出显著的营养流失。在室温下储存三年后检测发现,维生素C和维生素B1已降至推荐水平以下,维生素A和维生素B6也出现中等程度的下降5。因此,在持续数年的太空任务中,获取新鲜、富含营养的芽苗菜有助于维持航天员的健康。以往在中等升高CO2浓度(800–1,000 ppm)条件下的研究表明,植物倾向于积累更多富碳化合物,包括碳水化合物、类黄酮和维生素C,同时减少蛋白质等富氮化合物的含量6,7。其他研究还观察到种子结实率降低、光合作用相关酶表达改变以及元素组成的变化,尤其是铁、锌和镁含量的减少8。这些成分变化表明,碳源(以CO2形式)的可利用性改变了碳氮之间的平衡,从而影响了初级和次级代谢过程。因此,CO2浓度升高可能对作物的营养价值产生影响,而这一点对于长期太空任务中航天员的健康至关重要。

人们对植物如何响应极端高浓度二氧化碳(exCO₂)的了解要少得多2 在航天器环境中遇到的浓度水平,国际空间站(ISS)上的浓度可超过 3,000 ppm。已有空间飞行及地面模拟研究报道,在此类条件下植物出现生长异常,包括叶片扩展受限、萎黄症以及生长速率改变。2,9,10例如, 芸苔属萝卜(Brassica rapa) 在中国台湾空间站(ISS)上种植的植物表现出叶片发黄且尺寸减小的现象,这归因于极端二氧化碳(exCO₂)环境。2 而非微重力效应9这些观察结果强调了植物对高浓度二氧化碳(exCO₂)的响应2 水平并非仅仅基于中等程度升高 CO 的效应推断而来2 而是表明存在不同的生理和代谢紊乱。然而,很少有陆基生长系统能够维持稳定的高浓度二氧化碳(exCO₂)水平2 水平,使得在实验中持续复现航天器环境或在如此极端的大气条件下测试植物基因型变异具有挑战性。

为解决这一局限,我们开发了一种小型、低成本的培养舱,可维持稳定且可编程的高浓度CO₂环境2 模拟航天器大气的水平(图1该系统通过改造台式培养箱并集成传感器和电磁阀构建而成,由一个带有可编程引脚的低成本单板计算机(SBC)进行控制。该设计实现了二氧化碳的自动化调控2 环境参数的调控与连续监测,包括温度、湿度和压力。为防止快速 CO2 为减少因频繁开门导致的消耗,我们采用了一种被动式水培毛细系统,可在无需额外补水的情况下支持微绿植长达14天的生长。该封闭式设计在提供稳定大气环境的同时,最大限度减少了外界干扰。

本文详细介绍了一种可重复的实验方案,用于构建和运行极端二氧化碳(exCO2)植物生长舱,并在受控的、与太空飞行相关的大气条件下培育微绿蔬菜。该方案包括安装气密性电缆和气体穿壁接口、二氧化碳注入与通风系统、将传感器连接至单板计算机(SBC)、编写exCO2控制程序代码,以及组装被动式水培毛细吸水系统。利用该装置,我们成功在环境CO2和国际空间站(ISS)类似的exCO2条件下培育了两种微绿蔬菜:萝卜(Raphanus sativus,一种C3植物)和苋菜(Amaranthus cruentus,一种C4植物)。该平台为研究植物对极端大气环境的响应以及为空间飞行实验的前期准备提供了一种经济、可扩展的解决方案。

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方案

1. 通过台式培养箱背面安装电缆和传感器,并使用硅酮密封剂密封(图2

  1. 在培养箱背面选择两个无电线、电路或风扇组件的位置(示例位置参见图1B中的电缆接头位置)。在这些位置钻两个略大于电缆接头外径的孔。
  2. 使用直径约为10 mm(⅜英寸)的电缆接头,将每个接头的螺纹部分缠绕管道密封带。将一个接头拧入外径(OD)为20 mm、长度为2.5 cm的不锈钢管件(内螺纹⅜英寸国家管道螺纹(NPT))。从培养箱外壁将该组件插入已钻好的孔中,并从内侧用另一个电缆接头固定(图3)。
    注意:此配置可实现穿过厚保温层的气密性穿墙连接。
  3. 确保电缆接头的橡胶垫圈在墙体两侧均牢固压紧,然后在每个电缆接头与培养箱壁接触处周围涂抹硅酮密封胶,以密封所有可能的漏气缝隙。
    注意:所有培养箱开口必须保持气密,以减少CO2泄漏。
  4. 将一根四芯数据线穿过每个电缆接头,预留足够长度以便将单板计算机(SBC)与传感器连接。
  5. 拧紧内部电缆接头的垫圈以确保气密密封。根据需要松开并调整电缆,为传感器布线提供足够的余量。
    注意:应为每根导线芯标注标签,以确保传感器正确连接。虽然将导线焊接至传感器已足够,但使用跳线插头、螺丝端子或其他快速连接方式更便于更换导线及连接至SBC引脚。
  6. 连接温度、湿度和气压传感器(图2)。
    1. 将一根四芯数据线的导线连接至温湿度传感器,然后使用4针连接器将气压传感器连接至温湿度传感器。
    2. 将数据线另一端按如下方式连接至SBC:PWR接3.3 V电源引脚,GND接地引脚,SDA接GPIO 2(I2C_SDA1),SCL接GPIO 3(I2C_SCL1)。
    3. 使用互锁式粘贴胶带将两个传感器固定在培养箱上部内壁,以便于拆卸进行校准或清洁(图4)。
  7. 连接并安放CO2传感器。
    1. 将CO2传感器连接至第二根四芯数据线。
    2. 将数据线另一端按如下方式连接至SBC:PWR接5V电源引脚,GND接地引脚,RxD接GPIO 14(UART_TxD),TxD接GPIO 15(UART_RxD)。
    3. 使用Dual Lock胶带将CO2传感器固定在上部后壁,或稳妥地安装在光源层板顶部。
  8. (可选但推荐)将SBC电源连接至持续充电的备用电池,以防止重启并确保传感器数据连续记录。

2. 构建 CO2 处理系统(图5

注意: CO₂2 处理系统调节舱内的气体浓度。 当 CO2 当浓度低于设定值时,单板计算机(SBC)会触发电磁阀释放短时脉冲的 CO2 进入腔室。当 CO2 当浓度超过设定值时,排气电磁阀会短暂开启,以排出腔室内的空气。一个2.75 L/min的隔膜空气泵使空气在系统中循环。

  1. 安装舱壁接头。
    1. 在后侧腔壁上再钻两个孔(直径约14 mm),用于安装CO₂2 进气和出气管路,其尺寸略大于第 2.1.3 步所用接头的最宽部分。
    2. 通过在螺纹端切下软管接头,改装一个贯通接头图6)。安装金属和橡胶垫圈,并用管道密封胶带缠绕螺纹。
    3. 将一个3 cm长、内径8 mm的螺纹管件拧入改装后的贯通接头末端,使其穿过培养舱壁和保温层(图6).
    4. 在两侧使用垫圈将改装后的贯通接头固定密封,并额外涂覆一层硅酮密封胶。拧紧螺丝以形成气密密封。
  2. 连接软管、电磁阀、过滤器和气泵,使用柔性水族级软管(内径 4.8 mm,外径 6.35 mm)图7).
    1. 对于 CO2 输入管线,使用管路按以下顺序连接组件:流量计 -> CO₂2 电磁阀> 三通接头 -> T型连接器 -> CO₂ 外侧2 输入舱壁。将第一个三通接头连接至泵的出口。将第二个三通接头连接至排气电磁阀(图5).
    2. 将空气出口贯通接头的外侧连接如下:空气出口 -> 三通接头 -> 在线空气过滤器 -> 气泵输入端。将另一个排气电磁阀连接至该三通接头(图5).
    3. 在培养室内,将一段长约15 cm的管路连接至CO2 输入端,以及一段长约30 cm的管路连接至空气出口端。
    4. 使用硅酮密封剂密封连接处。
  3. 安装鲁尔锁接头。图7)
    1. 在关键的管路连接处安装带倒刺的鲁尔锁接头,以便于调节和更换组件。
    2. 用硅胶密封每个软管接头连接处,以减少泄漏。
      注意:电磁阀通常在使用几个月后会磨损。使用鲁尔锁紧接头可方便更换,并避免更换时需要截短管路。因此,强烈建议在电磁阀连接处添加这些接头。
  4. 连接 CO2 供应与调节器
    注意:使用 6.4 mm(¼ 英寸)聚乙烯管连接气瓶减压阀与流量计。
    1. 使用扳手将主调节器连接到 CO2 气罐(将调压器设为10 psi),然后按以下方式连接:主调压器—> 螺纹式快插接头> 聚乙烯管> (可选)快接式 T 型连接头(用于多个培养舱)-> 聚乙烯管> 螺纹式快插接头> 降压调节器(将调节器设定在1–3 psi)-> 螺纹式快插接头> 聚乙烯管> 流量计(图8).
      注意:可从单个22 kg(50 lb)CO₂气瓶为多个培养舱供气。2 使用可选的快接式三通接头连接各培养室的减压阀(图8).
  5. 将电磁阀连接至由单板计算机控制的继电器。
    1. 连接 CO2 将进气电磁阀(+)连接至5 V电源的正极端,电磁阀(-)引线连接至CO₂2 继电器。将CO₂2 将继电器连接至电源的地线端。连接 CO2 将继电器端子1和2分别连接至单板计算机的GPIO 12和接地端。
    2. 以相同方式连接两个排气电磁阀:将每个电磁阀的正极(+)导线连接至5 V电源的正极(+),每个负极(-)导线连接至排气继电器的3号端子。将该继电器的4号端子连接至电源地线,继电器的1号和2号端子分别连接至单板计算机的GPIO 17和地线。
    3. 为每个继电器贴上标签(例如, "CO₂2 输入," "排气") 以协助故障排除。
      注意:若将电磁阀并联连接,可共用一个 5 V 电源。若使用不同的 GPIO 引脚,需相应调整控制代码。

3. 构建植物生长灯

  1. 选择带有硅胶涂层保护的紧凑型发光二极管(LED)灯带,其光谱应适合植物生长且发热量低。
    注:我们使用的定制植物生长灯在水培种植箱表面高度(萌发幼苗所能到达的最低高度)可提供高达 550 µmol·m-2·s-1 的光合有效辐射(PAR)。该灯具由 24 V 的 COB LED 灯带组成,其上交替安装有 2700 K 和 6500 K 的二极管。
  2. 准备 LED 灯带。
    1. 按照制造商标明的切割点,将六段 LED 灯带(每段约 25 cm)切断。
    2. 使用剃刀刀片去除每段灯带两端铜焊盘上的硅胶涂层(图 9)。
      警告:操作时需小心,避免造成人身伤害或损坏 LED 灯带。请在砧板上进行操作。
    3. 在每个铜焊盘上涂少量焊锡,使用 3.5 cm 长的 22 芯绞合线将灯带串联连接(正极接正极,地线接地线)(图 9)。
    4. 在灯带阵列一端的每个铜焊盘上焊接两根 20–30 cm 长的导线,用于连接电源。
      警告:操作时应佩戴适当的眼部防护装备,并在通风橱或通风良好的区域进行焊接。请在耐热垫上操作。
  3. 安装灯具。
    1. 将 LED 灯带阵列安装在培养舱内上层搁板的底面,以确保生长区域获得均匀照明(图 10)。
    2. 撕去灯带背面的 adhesive 层,并将灯带牢固地压合到位(图 10)。
    3. 使用电工级硅胶覆盖裸露的焊盘和导线,以防止腐蚀和电击。
    4. 待硅胶完全干燥后,将灯带搁板放置在培养舱最上方的内置搁板支架上。
  4. 将 LED 灯带连接至电源和控制系统(图 2)。
    1. 将两根额外的 22 芯导线穿过其中一个电缆接头。导线长度应足够连接灯具与电源及继电器。使用筒形插头或电气快速连接器将这些导线与其中一段 LED 灯带上的长导线连接。
    2. 将 LED 阵列的正极(+)连接至 24 V 电源的正极端子,LED 负极(-)连接至照明继电器的端子 2,继电器的端子 1 连接至电源的负极端子(图 2)。
    3. 将继电器的端子 3 连接到单板计算机(SBC)的 GPIO 21 引脚,继电器的端子 4 连接到单板计算机(SBC)的 GND 引脚(图 11)。
  5. 使用 adhesive 夹具将较长的灯具导线固定在培养舱壁上,以防止焊点承受拉力。
  6. 使用 PAR 测量仪在植物表面高度检测光照强度是否符合预期。在水培种植系统箱体高度处,选取 4–5 个位置进行测量。

4. 在单板计算机上安装用于控制生长舱及报警系统的软件

  1. 下载腔室控制代码(Control_chamber_JoVE.py,补充文件 1),并将其保存到单板计算机(SBC)上的指定文件夹中(例如 /home/pi/chamber/)。有关 SBC 的初始配置及其操作系统的使用方法,请访问 https://www.raspberrypi.org/ 查看详细信息。
  2. 安装 Control_chamber_JoVE.py 脚本顶部列出的必要库(serial、datetime、csv、board 等)以及各传感器所需的库。有关在 SBC 上安装库的详细信息,请参见 https://projects.raspberrypi.org/en/projects/generic-python-installing-with-pip。
  3. 在 Thonny(或类似的 Python IDE)中打开 Control_Chamber.py,以配置传感器和继电器参数。更新 Control_chamber_JoVE.py 脚本顶部的引脚分配,使其与第 1 和第 2 节中建立的温湿度、压力及 CO2 继电器连接线路一致(若按建议接线,则无需更改)。有关 Thonny 的使用说明,请访问 https://thonny.org/。
  4. 在 Control_chamber_JoVE.py 脚本顶部的配置块中,定义最低 CO2 设定值,并设置光周期、温度和报警阈值参数。保存文件。
    注意:所有设定值均可通过编辑配置块进行修改,无需重新安装软件。
  5. 设置基于电子邮件的报警系统。
    1. 创建一个专用的电子邮箱账户(例如 MyPiAlarm@gmail.com),用于接收自动警报。
    2. 在 Control_Chamber.py 脚本的“CO2 Alarm”和“Temperature Alarm”部分输入账户凭据和收件人地址,并保存。
      警告:切勿使用个人或职业邮箱账户发送消息。应使用专用账户以保护安全凭据,并使用应用专用密码。
  6. 测试腔室运行情况。
    1. 在 Thonny 中点击运行图标以执行代码。
    2. 确认传感器报告有效读数,并在 CO2 水平变化时继电器能正确切换。
    3. 通过改变气流和腔室设置,模拟低、高 CO2 浓度和温度条件。确保自动注入和排气功能正常,并触发电子邮件报警。
    4. 若 CO2 读数波动,请检查电缆密封接头或贯通接头周围是否存在泄漏,并根据需要使用硅酮密封剂重新密封。
  7. 启用远程监控
    注意:虽然 SBC 可以“无头”运行,但通过 HDMI 连接显示器可简化故障排查。
    1. 在与 SBC 处于同一网络的设备上安装 RealVNC Viewer 或类似的远程桌面应用程序。有关安装 RealVNC 的说明,请参见 https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/raspberrypi/。
    2. 在 SBC 上启用 VNC 服务器,并确认连接正常。有关启用 VNC 服务器的说明,请参见 https://help.realvnc.com/hc/en-us/articles/360002249917-RealVNC-Connect-and-Raspberry-Pi#setting-up-your-raspberry-pi-0-0。
    3. 使用远程界面监控状态、调整设置或重启程序。

5. 构建被动式水培毛细系统(图12

注意:每个被动式水培毛细系统使用一个无菌的 1,000 µL 移液器吸头盒,盒内配有可拆卸插件,插件上安装有带流苏的毛毡灯芯,可将营养液从底部储液槽输送至种子处。

  1. 准备盒体外壳。
    1. 选择一个带有可拆卸内插件的空的 1,000 µL 移液器吸头盒。
    2. 使用 Dremel 工具、旋转锯、电钻或曲线锯,在顶盖上切割一个约 11 cm × 7 cm 的矩形开口。
  2. 裁剪并准备毛毡吸水芯。
    1. 将竹纤维毛毡裁成 34 cm × 7.5 cm 的条状。可使用三个吸头架内插件作为裁剪模板。
    2. 沿每条长边均匀切割出 8 个 14 cm 长的切口,形成 fringe(条状边缘)。
    3. 使用镊子将每个 fringe 从吸头架内插件短端的孔洞中穿过,使 fringe 向下垂挂,而未切割的中部保持平整置于上方。
    4. 确保当内插件放入盒中时,fringe 能够触及底部储水区。盒子在使用前应干燥存放。

6. 准备微绿植实验的材料

  1. 使用 SA-20 消毒剂(7.8 mL/L 水)擦拭所有非电子表面(壁、天花板、门等),对培养室进行消毒。打开门过夜晾干。
    注意:此步骤对于降低在潮湿环境中滋生的病原体风险至关重要。
  2. 制备不含琼脂的 0.25x Murashige 和 Skoog (MS) 基本盐培养基。将 4.3 g MS 盐和 1 g 2-(N-吗啉代)乙磺酸 (MES) 溶解于 1 L 去离子 (DI) 水中,并用 1 M KOH 溶液调节 pH 至 5.7。 稀释至 4 L。将 700 mL 等分试样(足够一个水培盒使用)分装至 1 L 瓶中。
  3. 将可高压灭菌的瓶子装入蒸馏水或去离子水,用于种子灭菌和冲洗。
  4. 使用液体程序对 MS 培养基和水进行高压灭菌,持续 30 分钟。
  5. 用铝箔包裹水培盒、工具和容器。使用干燥程序进行高压灭菌,干燥时间为 30 分钟,并在使用前保持材料包裹状态,直至放入超净工作台。
    注意:步骤 6.6–6.8 必须在超净工作台内操作,以防止污染。
  6. 种子灭菌
    注意:本方案需根据植物种类进行调整。以下描述适用于萝卜和苋菜种子的灭菌方案。
    警告:操作次氯酸钠溶液时需佩戴手套、护目镜并穿上实验服。
    1. 在超净工作台中,将种子加入含 0.05% Triton X-100 的 2% 次氯酸钠溶液中。
    2. 室温下轻轻振荡 5 分钟。
    3. 倾去次氯酸钠溶液,并用无菌水冲洗三次。
    4. 冲洗后,将种子在无菌水中浸泡过夜,以促进发芽整齐一致。
      注意:本研究中,一个 50 mL 离心管中加入 8 mL 7.5% 次氯酸钠、22 mL 去离子 H2O 和 15 µL Triton X-100 表面活性剂,足以灭菌四盒萝卜或苋菜微绿蔬菜种子。
  7. 在超净工作台中填充水培盒并播种。
    1. 向每个水培盒中加入无菌 0.25 MS 培养基,直至毛毡表面被约 1–2 mm 液体覆盖(约 650 mL)。确认毛毡与液体之间无气隙;气隙会降低幼苗成活率。
    2. 使用无菌镊子,每盒播种最多 60 粒苋菜或 30 粒萝卜种子。用镊子将种子轻轻压入毛毡,确保其位于插入件的孔洞正上方。
    3. 用保鲜膜或无菌盖子覆盖每个已播种的盒子,以维持发芽期间的湿度。覆盖后,可将盒子移出无菌工作台。

7. 进行微绿植实验

注意:至少同时运行两个培养室,一个置于极端二氧化碳(exCO2)条件下,另一个置于环境条件作为对照。在重复实验中交替不同培养室的处理方式,以尽量减少培养室偏差。使用抛硬币或随机数生成器为每个培养室随机分配处理方式。在以下实验中,将处理方式在不同培养室之间进行交换。

  1. 设定主 CO2 将调节器调至约 10 psi 并将次级 "降压" 将调节器调至1–3 psi。打开CO₂气瓶主阀2 缓慢释放气罐。
    警告:超过 5 psi 的气压将损坏电磁阀。请勿调节 "逐步降低" 将调节器调至4 psi以上。
  2. 启动培养箱并验证其功能。
    1. 打开台式培养箱,将内部温度设置为 23 °C 或设定所需温度。
    2. 验证内部风扇是否正常工作且无遮挡,以确保空气流通。确保每个培养舱单元均达到平衡状态 2 °C 在种植前达到设定温度。
  3. 在 Thonny 中打开 Control_chamber_JoVE.py 代码,确认 CO2 以及光照设置(第4.7节),然后运行程序。验证电磁阀、传感器和灯光是否正常响应。保存文件,并通过按下 运行 图标。
  4. 加载并使播种盒中的种子萌发。
    1. 待环境稳定后,将带盖的水培盒放入每个培养室中。关闭舱门并确认 CO2 浓度在3–5分钟内恢复至设定值。
    2. 让种子在保湿盖覆盖下萌发 3–4 天,直至子叶出现可见,然后当大部分幼苗根系已穿透毛毡基质时,移除保湿盖。
      注意:若使用萝卜或苋菜以外的物种,需根据需要调整萌发时间,以确保在揭开覆盖物前根系能一致地穿透无纺布表面。
  5. 维持并监测培养室条件。
    1. 实验过程中应始终保持密闭生长舱关闭,以维持稳定的 CO₂ 水平2 水平。
    2. 用铝箔或遮光膜覆盖门板,以防止光线干扰。每天打开铝箔检查植物状态,并用胶带重新粘贴盖子。
    3. 每天使用 RealVNC 或通过 HDMI 显示器本地监测读数一至三次。
    4. 及时响应所有电子邮件警报,并记录异常情况或人工干预。
      警告:当环境温度低于培养箱设定温度时,管路中可能产生冷凝水。若出现冷凝现象,须在重新启动前干燥并重新密封管路和接头,以防止气流阻塞。关闭 CO2 在打开管路之前,请先关闭储气罐阀门。
  6. 收获植物并收集数据。
    1. 生长周期结束时,打开培养舱,根据实验目标需要取出并处理植物材料(如用于生物量、叶绿素或营养成分分析)。
    2. 停止控制脚本,并关闭台式培养箱和光源。
    3. 将环境数据文件 chamber_data.csv 重命名,例如,Date_Species_3000vs400ppm.csv),并复制到U盘中。
      注意:程序每分钟将数据记录到主目录中的 chamber_data.csv 文件。保存时务必重命名该文件,以避免修改先前的数据集。
    4. 记录运行过程中出现的任何偏差或设备故障。
  7. 实验后清洁。
    1. 移除冷凝水,并用70%乙醇擦拭非电子部件的内表面。
    2. 保持培养室门打开,并运行气泵,直至培养室和管路完全干燥。
    3. 关闭电源插座并关闭 CO2 关闭储气罐阀门以防止泄漏并节约气体。

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结果

成功改造了两个台式培养箱,以维持适合微绿植生长实验的可编程 CO2 浓度。在每次实验运行中,一个培养箱被设定为维持“类似国际空间站的高浓度 CO2”环境(最低 3000 ppm),另一个则设定为“室内常现 CO2”环境(最低 400 ppm)。我们分别种植了萝卜和苋菜微绿植,生长时间分别为 10 天和 14 天(图 13)。每种处理重复六次,并交替使用两个培养箱作为高浓度 CO2 环境或对照环境,以避免因特定培养箱带来的偏差。

SBC 控制系统记录了 CO2 浓度、温度、相对湿度和气压,记录间隔为每分钟一次。CO₂2 调控系统维持了目标浓度,即使在3,000 ppm时也是如此(图14 图15)。在萝卜实验中,总体平均 CO2

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讨论

本方案提供了一种可重复且低成本的方法,用于在极端二氧化碳(CO2)浓度下培养植物2 (极端CO₂2) 浓度约为 3,000 ppm,与国际空间站上的水平相当2该系统通过改造台式培养箱,将基于单板计算机(SBC)的环境控制与被动式水培生长系统相结合,可在无需人工浇水或开启培养舱的情况下支持植物生长长达两周。该方法填补了地面实验室模拟与航天任务相关的大气极端条件时长期存在的资源空白。传统的植物生长舱极少能够维持 CO2 2,000 ppm 以上的水平9,使这一小型系统成为研究植物对高浓度二氧化碳生理响应的便捷替代方案2 条件。

关键步骤包括确保培养室的密封性、保持严格的卫生条件、优化水培盒以确保良好的毛细吸水和高效发芽,以及在每次实验开始前和过程中验证所有传感器和电磁阀均正常工作。电缆接头或管路连接处即使存在微小漏气,也会导致 CO2 快速流失和浓度调控不稳定。在启动植物实验前,必...

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披露

所有作者均无与上述工作相关的利益冲突。

致谢

我们感谢本科研究助理 Makayla Destafino、Emily Dettmer 和 Ellie Saltier 在培养基制备、种子灭菌和植物测量方面提供的帮助。感谢北卡罗来纳州立大学植物生长室技术团队提供的工具、物资和建议。本研究由美国国家航空航天局(NASA)资助(项目编号:80NSSC23K0344)以及授予 Samantha Rueckeis 的本科阶段北卡罗来纳州太空拨款奖学金资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1/4 英寸聚乙烯管Loweshttps://www.lowes.com/pd/EZ-
FLO-1-4英寸内径×25
-ft-聚乙烯管/1000180497
用于连接 CO2 将气罐减压阀用于二级减压。
2-(N-吗啉代)乙磺酸 (MES)Fisher ScientificBP300-100肥料溶液中的缓冲剂
24 V 灯光电源供应器 明纬LPV-35-24根据灯具规格使用相应的电源供电。
25 mL 量筒Cole ParmerUX-34502-70用于测量种子消毒液的液体体积。
250 mL 玻璃量筒——高压灭菌以灭菌Fisher Scientifichttps://www.fishersci.com/shop/
产品/派热克斯圆筒单件
白色搪瓷,公制刻度
ns-18/085524D
用于加载水培盒时测量 MS 培养基,品牌不限。  
388 电气级硅密封胶American Sealants, Inchttps://meridianadhesives.
com/products/asi-388/
用于灯具隔热和密封舱体。其他品牌也可使用,但若用于灯具,必须确保为电工等级材料。  非电气级材料可用于舱体其余部分。
70% 乙醇Avantor71002-508用于消毒罩和生长室。
8K 膈膜泵 - 110 V/60 Hz 版本博克瑟8K用于在腔室与 CO₂ 之间循环空气2 输入和通风系统。购买时价格为 120 美元。
AC电源线用于  泵通用电气 https://www.homedepot.com
/p/GE-8-ft-替换线缆
-带偏振插头的设置-
1-端-黑色-54435/203735885
品牌和公司无关紧要
Adafruit LPS35HW 防水压力传感器Adafruit产品编号:4258用于测量空气压力。
Adafruit Sensirion SHT40 精密温度和湿度传感器Adafruit产品编号:4885用于测量温度和湿度。
可调扳手Ace Hardwarehttps://www.acehardware.com
/部门/工具/手工工具/
扳手/2299329
用于连接减压阀
铝箔好市多https://www.costco.com/p/-/
kirkland-signature-reynolds-
食品服务用铝箔 12 英寸 x 100
0-ft/100116721?langId=-1
用于在高压灭菌时覆盖容器。
水族管 - 1/4" OD,3/16" ID亚马逊https://www.amazon.com/dp/B0DLNH81LJ/用于输送 CO2 进入培养室
各种水族管路连接件——聚丙烯亚马逊https://www.amazon.com/AQU
ANEAT-水族箱-通气管接头
B08LMZ86QC
用于分割和连接水族管
各种机械螺钉亚马逊https://www.amazon.com/AETTL-
不锈钢混合装- assorted-
Phillips/dp/B0B428NP2L/ref=sr_
1_2_sspa?crid=FQ8XLSW2WZE6
&关键词=各种+公制
2B螺栓和螺母&qid=16
92727621&s=工业&sprefix=
混合%2Bmetri%2C工业
l%2C159&sr=1-2-spons&sp_cs
d=d2lkZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&th=1
用于将组件固定到插板上。
带USB输出的备用电池伏打系统V25用于在短暂断电期间为树莓派供电,以维持电力供应。  任何支持直通充电的USB电池均可使用。
竹纤维毡微绿植生长垫卷(10" x 100 英尺VegBedhttps://www.vegbed.com/products
/vegbed-竹制芽苗菜种植垫-10英寸-x-100英尺
用于种植箱灯芯
桶型插孔连接器 - 10 个装亚马逊https://www.amazon.com/dp/B079RBL339/用于将电气组件连接至电源。  确切品牌无关紧要。
烧杯 - 2 LFisherCLS10002L用于配制培养基。  您需要准备两份,总共配制 4 L。
Benchmark Scientific H2200-HC MyTemp 小型恒温培养箱Benchmark ScientificH2200-HC为本方案改装的培养箱。请确保购买具备加热和制冷控制功能的型号。购买时价格为850美元。
漂白剂 - 7.5% Chloroxhttps://www.clorox.com/
产品/克洛rox性能
-漂白剂与Cloromax混合使用/
用于种子消毒。  品牌不重要,但应选择无香料和无倾倒助剂的版本。
面板接头 - 3/16 英寸ANPTGHThttps://www.amazon.com/AN
PTGHT-Thru-Bulk-Bulkhead-F
ittings-水族馆/dp/B08SCDC28R/
用于使管路穿过培养室
餐盘托盘亚马逊https://www.amazon.com/Carlisl
e-CT121605-Café-Stan
dard-Cafeteria/dp/B008BLINFE/
每个培养舱下方均放置一个托盘,用于收集开启时泄漏的冷凝水。  品牌不限。  它只需要比培养室的底面尺寸大,但不能妨碍门的开合。
离心管 - 50 mL,无菌Fisher Scientific339653用于在种子灭菌过程中及灭菌后盛放种子。
CO₂2 警报(可选)亚马逊https://www.amazon.com/
dp/B09MRX4F12/
可选,但建议用于检测 CO₂ 外部泄漏2 系统  防止 CO₂ 浓度过高带来的安全隐患2 在培养室内。
CO₂2 减压阀  - 低压Amazonhttps://www.amazon.com/gp/
aw/d/B01BPQDG62
确切品牌无关紧要。  但应能够将压力降低至1至4 psi之间的某个值。  
二氧化碳2 气瓶 - 50磅AirGashttps://www.airgas.com/product/
气体/二氧化碳/p/CD%2050S
使用比此更小的气罐可能也能满足需求。  它只是需要更频繁地更换。
压接器 Grainger806FA9将压接连接器安装到导线上
数字压力计(可选)亚马逊https://www.amazon.com/Pressure
-连接器-保护器-Uharbour-0-
200psi/dp/B0783PYQ27
读取低压减压调节器的压力设定值  需要 AAA 电池。或者,您可以使用无需电源的模拟仪表。
解剖镊 —— 高压灭菌消毒Fisher Scientific13-812-39用于操作已灭菌的种子。  品牌无关紧要。
双锁扣互锁胶带3MSJ3560用于将传感器固定在培养室侧面。
空 1000 µL 移液器吸头盒杰内西24-160R使用Dremel工具切除盖子顶部的大部分矩形部分。  品牌无关紧要,但某些品牌可能比其他品牌容纳更多液体。  较新型的 Genesee 盒子比旧型的盛装液体量更少。  
叉形端子压接连接器 - 22-16 AWG亚马逊https://www.amazon.com/Baomain
-绝缘端子-22-18号线规/
dp/B01B17DL0G/
用于将导线连接至继电器。  品牌不限。
玻璃瓶 - 1 LMillipore SigmaCLS13951L-1EA用于盛装无菌的 0.25x MS 培养基分装液。
Harris 二氧化碳钢瓶减压阀 Grainger5KZ48设定为 10 psi。  请注意,此调节器与第二个调节器是分开的 "逐步降低" 调节器  
HDMI 转 micro HDMI 线缆(可选)亚马逊https://www.amazon.com/KELink-
铝兼容型卡姆科德
r-Raspberry/dp/B0C3LR54C3/
(可选)将树莓派连接至 HDMI 显示器以查看传感器读数
热风枪亚马逊https://www.amazon.com/MAXXH
EAT-手持式压花包装
-MF300L/dp/B09P66LLMW/
用于热缩管加热收缩以绝缘导线。品牌不限。
热缩管亚马逊https://www.amazon.com/560PCS-
热缩管-Eventronic/dp/
B072PCQ2LW/ref=sr_1_4?crid=21
4VBYLN60TGD&关键词=热+
热缩管&qid=1685586705&s
加热+sh%2Caps%2C143&sr=8-4
用于电线绝缘。品牌不限。  建议获取一套包含不同直径的组合装。
保护泵的内置过滤器Grainger794F21安装在隔膜泵的上游,以保护其免受碎屑和冷凝水的影响
跳线电缆亚马逊https://www.amazon.com/Elegoo-
EL-CP-004-多色面包板
ard-arduino/dp/B01EV70C78/ref=
sr_1_1?keywords=raspberry+pi+j
跳线&qid=1685586340&sr=8-1
用于连接设备与树莓派。  确切的品牌并不重要。
K30 FR CO2 传感器Sensair030-8-0010用于检测 CO2 舱内浓度。购买时价格为60美元。
实验室胶带Millipore SigmaBAF134620300用于标记容器及将铝箔粘贴至培养舱门上
LED灯带 - COB,24 V超亮LEDhttps://www.superbrightleds.com
/led灯带和灯条/cob系列-l
ed-strip-and-tape-lights/5m-tuna
白光COB LED灯带COB
系列LED灯带2700K-6500K
k-ip20-24v
用于定制植物生长灯  其他类型的白色LED灯带可能也适用,但需使用光合有效辐射(PAR)计调整灯带密度,以获得所需光照强度。
Luer 锁扣转 3/16 英寸软管接头 - 聚丙烯 - 阴性亚马逊https://www.amazon.com/Femal
e-Luer-Lock-4-8mm-Hose/dp/B08GQDBY46/
用于将频繁更换的部件连接到管路。
鲁尔锁接头转3/16英寸软管接头——聚丙烯——公头 亚马逊https://www.amazon.com
螺口式接头公头
r-英寸-Luer-连接器套件/d
p/B0C1FV8NGL/
用于将需频繁更换的部件连接至管路。
磁力搅拌子(可选)Millipore SigmaZ282456与搅拌板一起使用以混匀MS培养基。也可使用勺子替代。
磁力搅拌器(可选)FisherS194615用于溶解培养基中的盐类。  也可以使用勺子。
MS盐舱室MSP01用作水培溶液,稀释至0.25倍。  
尖嘴钳Grainger2078216用于焊接时固定导线
丁腈手套杰尼塞https://www.geneseesci.com/
产品/全基因型丁腈手套-
无粉/
处理漂白剂及进行无菌操作时用于保护双手。品牌不限。
O2 流量计JIAWANSHUNhttps://www.amazon.com/JIAW
ANSHUN-0-1-1-5LPM-流量计
-连接器-Conectrator/dp/B01N0UWZ2T
用于控制 CO2 流入培养室。
移液器 - 20 µL 以及提示Millipore SigmaEP3124000040-1EA用于测量 TritonX 以进行种子灭菌。  品牌不重要。
塑料保鲜膜开市客https://www.costco.com/p/-/kirkl
和签名拉伸紧塑
c-food-wrap-12-in-x-3000-ft/100300513
用于种子萌发期间覆盖盒子,以增加湿度并促进植物定植。
塑料 peg 板(19"D × 5"W × 12"H)Amazonhttps://www.amazon.com/SWAN
LAKE-塑料- pegboard-面板
-车库/dp/B0BGS3C41N/
组件、导线和管路固定在钉板上,以便于移动和整理。  确切品牌无关紧要。
带桶形插头连接器的电源适配器 - 5V 2A亚马逊https://www.amazon.com/Acloro
l-100-240V-通用转换器
-变压器/dp/B099RBBTWY
/ref=sr_1_4?crid=XKSME1C2
86OE&关键词=5V+电源
%2Bsupply&qid=1683217539&
s=hi&sprefix=5v%2Bpower%2
Bsupply, tools, 93&sr=
1-4&th=1
用于为电磁阀供电。具体品牌不限。
精密数字天平FisherFB30786159用于测量 MS 盐和 MES。
1/4 英寸快接转 1/4 英寸 NPT亚马逊https://www.amazon.com/CE
KER-Connect-接头-气动
matic-Connectors/dp/B07XBHYP3B/
用于连接1/4英寸管路与气瓶减压阀
3/8 英寸 NPT 快插弯头亚马逊https://www.amazon.com/Q
olekog-气动连接
t-PL-3-8-N2/dp/B0B59JXMRW/
用于连接1/4英寸管路与减压阀(可根据您的装置配置选择使用直通接头)
推入式T型连接器 - 1/4英寸亚马逊https://www.amazon.com
/dp/B07TV3JS9Q/
(可选)用于从 1/4 英寸管路分接时使用2 两个舱室之间的储气罐
大线径电线用快速接头XHFB086J49D1J可选,但有助于临时连接导线。
Raspberry Pi 4 2 GB 入门套件 - 32 GBCanakitPI4-2GB-STR32F-C4-BLK控制传感器和继电器。  购买套件时价格为 110 美元。
树莓派操作系统Raspberry Pi 基金会https://www.raspberrypi.
com/软件/
树莓派操作系统
RealVNC ViewerRealVNChttps://www.realvnc.com/en/
连接/下载/查看器/树莓派
用于远程监控树莓派读数。
红宝石苋种子玛丽的传家宝种子https://www.marysheirloomseeds
.com/products/red-garnet-amaranth
确保种子来自近期的种子批次。
红王 F1 萝卜种子Johnny's Seedshttps://www.johnnyseeds.com/
蔬菜/萝卜/大根红
红萝卜/红王2号F1
dish-seed-4173.html
确保种子来自近期的种子批次。
继电器 uxcellASH-10 DD控制电磁阀和光源电源。
SA-20 消毒剂南方农业公司#10501植物培养箱用杀菌清洁剂  避免喷洒在电子部件上。
安全眼镜Fisher Scientific19-130-2089建议佩戴护目镜以保护眼睛。品牌不限。
螺丝刀 - 多种批头Grainger6XW12用于拆卸培养室及在组装过程中拧紧部件。
硅胶垫亚马逊https://www.amazon.com/K
aisi-隔热-焊接-马
维护-电子/dp/B073RFB6BX/
(可选,但推荐)焊接时用于保护工作台面免受高温损伤
小型显示器,带 HDMI 接口(可选)亚马逊https://www.amazon.com/LON
CEVON-7-Raspberry-1024X6
00-扬声器-耳机/dp/B06XQJVXHL/
可选,但在设置或监控树莓派时有时会有所帮助。建议使用您可能已有的 HDMI 电脑显示器,但如果需要,我们也提供一种经济实惠的选项链接。
小型螺丝刀套装亚马逊https://www.amazon.com/Screw
驱动器-FIXITOK-螺丝刀-佩
ntalobe-Different/dp/B093372MGD/
用于拧下小螺丝
树莓派 Pico 的插座引脚头Adafruit产品编号:5583可选,用于替代跳线。
焊料——无铅,松香芯亚马逊https://www.amazon.com/Dia0
-032英寸-0-11磅-精密电子
onics-焊接/dp/B07Q167J
98/ref=sr_1_5?crid=17RNDW
GBX6X5O&关键词=铅+f
ree+solder&qid=1692729157
&无铅焊料
2个盖子,160&sr=8-5
用于将电线连接至灯具。任何无铅松香芯焊料均可用于此操作。
电烙铁亚马逊https://www.amazon.com/Wel
ler-120V-电烙铁-卤素/
dp/B0962SX47X/ref=sr_1_4?c
rid=NE9BVDKLETUL&关键词:二氧化碳;极端二氧化碳;微绿植;生长室;空间飞行;C3植物;C4植物;Raphanus sativus;Amaranthus cruentus
关键词=韦勒+电烙铁&qi
d=1692727772&s=工业&s
weller+电烙铁
2C工业,190&sr=1-4
用于将电线连接至灯具。 
不锈钢管接头 - 外径20 mm,内径16 mm,长2.5 cm(3/8英寸 x 3/8英寸内螺纹NPT)亚马逊https://www.amazon.com/
gp/aw/d/B08SCL8VRS
用于将电缆接头穿过箱体隔热层
不锈钢管接头 - 内径8 mm/外径12 mm,长3 cm(两侧M8内螺纹)亚马逊https://www.amazon.com/
gp/aw/d/B09ZS17WYB
用于将贯通式接头延伸穿过箱体保温层
STEMMA QT / Qwiic JST SH 4针电缆 - 长50 mmAdafruit产品编号:4399用于将传感器相互连接。
STEMMA QT / Qwiic JST SH 4针转优质公头排针线缆 - 150 mm 长Adafruit产品编号:4209用于将传感器连接至树莓派。
无菌去离子水现场制备现场生产使用L30循环对去离子水进行高压灭菌。
浪涌保护器/电源插板亚马逊https://www.amazon.com/GE-
出风口保护延长器
B00DOMYL24
用于保护舱内组件免受电源浪涌损害。
聚四氟乙烯管路胶带亚马逊https://www.amazon.com/
英寸-水管工-管道工程
管道密封胶带/dp/B091913Z7F/
密封连接器的螺纹
Thonny(Python IDE)——应已预装在树莓派上Thonnyhttps://thonny.org/用于编辑和运行培养室控制软件。
TritonX 表面活性剂Fisher Scientifichttps://www.fishersci.com/
商店/产品/曲拉通 X-100
-thermo-scientific/AAA16046AE
改进种子在表面灭菌过程中用次氯酸钠溶液的包覆效果。  
uxcell 微型电磁阀 二位常闭式 直流5V 0.22A 水气两用电磁阀uxcella19051000ux0811需要三个用于舱体,建议额外准备几个备用。
防水电缆穿线组件 MAKERELE‎NPT(38)Box4A-B用于在腔室中创建电线穿过的气密通道。使用了3/8英寸电缆密封接头。
导线 - 多股,硅胶绝缘,22号线规亚马逊https://www.amazon.com/Fermerry
镀锡铜绞线
dp/B089CQHRDT/ref=sr_1_1?
crid=PEFEI7BQBPNB&关键词
22号规格导线&qid=168
5586908&sprefix=22%2Bguage
2B线,安培,144&sr=8-1&th=1
用于连接设备与树莓派。  确切的品牌并不重要。
剥线钳亚马逊https://www.amazon.com/Southwire
-Equipment-S1626STR-Stranded-Stripping/dp/B00LQMRS7O/
用于切割和剥离灯具及其他电气连接的电线绝缘层
扎带亚马逊https://www.amazon.com/HAVE
-ME-TD-Cable-Ties/dp/B08TVLYB3Q/
用于整理电线并将管路连接至电磁阀。品牌不限,但需准备多种小规格型号。

参考文献

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