Name: 建设并运营低成本高碳生长舱，以评估微绿生理学，以适应航天飞行相关CO2 水平 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-04-17T12:40:00.000+00:00
Duration: 9 min 2 s
Description: 了解如何构建并运行低成本高碳生长舱，以模拟航天飞行相关CO₂水平，研究萝卜和苋菜微绿植物的生理响应。该系统使用开源Python代码控制，为空间生物学和植物生理学研究提供可重复、经济高效的实验平台。

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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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所有作者均无与上述工作相关的利益冲突。

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...

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。

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

Building and Operating a Low-Cost Elevated Carbon Dioxide Growth Chamber to Evaluate Microgreen Physiology under Spaceflight-Relevant CO2 Levels

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。

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 和 图15）。在萝卜实验中，总体平均 CO2</...

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。

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

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3,000 ppm以上的极端高浓度二氧化碳（exCO2）环境可能改变植物的生长、生理特性及营养成分。然而，目前能够可靠模拟此类exCO2浓度的实验系统极为有限。本实验方案介绍了一种经济、易行的方法，用于构建可在植物实验中维持稳定CO2浓度（高于3,000 ppm）的台式生长舱。该生长舱通过对台式培养箱进行改造实现，包括加装气密性电缆与气体接口、自动CO2供气与排气系统，以及集成的温度、湿度和压力传感器。系统由低成本的单板计算机控制，采用开源Python代码，根据传感器读数调节电磁阀，向舱内注入CO2或进行排气，以维持目标CO2浓度。一个定制的被动毛细吸水盒可在无需主动浇水的情况下维持植物生长，减少开启舱体的频率，从而最大限度降低CO2浓度波动。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exCO2”（最低3,000 ppm）条件下培育了两种微绿蔬菜：萝卜（Raphanus sativus，C3植物）和苋菜（Amaranthus cruentus，C4植物）。在10至14天的生长周期中，生长舱内CO2浓度、温度和湿度均保持稳定。该可重复、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一种便捷的研究工具。

我们关注3000 ppm的极端二氧化碳浓度如何影响植物生长与营养。我们希望开发一种低成本的极端CO2培养舱，因为目前很少有生长舱能够维持如此高的CO2浓度。首先，安装并启动实验所需设备。使用按每升水加入 7.8 毫升配制的 SA-20 消毒剂，擦拭培养室的所有非电子表面，包括墙壁、天花板和门。保持培养室门敞开，过夜自然风干。配制不含琼脂的0.25倍MS基础盐培养基：将4.3克MS盐和1克2-乙磺酸溶解于1升去离子水中。用1摩尔氢氧化钾调节培养基pH至5.7。将溶液稀释至终体积4升，并分装成每瓶700毫升的等份至1升瓶中。然后用蒸馏水或去离子水填充可高压灭菌的瓶子，用于种子消毒和冲洗。使用液体循环对MS培养基和准备好的水进行高压灭菌，持续30分钟。用铝箔包裹水培盒、工具和容器。将包裹好的材料在干燥循环中高压灭菌，干燥时间为30分钟。随后在超净工作台内进行以下步骤。在超净工作台内，将萝卜种子加入含有0.05%吐温X-100的2%次氯酸钠溶液中，在室温下轻轻摇动种子悬浮液5分钟。将种子从次氯酸钠溶液中倾析出来，并用无菌水冲洗种子三次。冲洗后，将种子在无菌水中浸泡过夜，以促进萌发整齐一致。接下来，向每个水培盒中加入无菌的0.25x MS培养基，直至毛毡表面被约一至两毫米深的液体覆盖。使用无菌镊子将最多30粒萝卜种子放置在每个水培盒的毛毡上，确保毛毡与液体之间无气隙。用镊子轻轻将种子压入毛毡中，并确保种子位于插件尖端孔的正上方。用保鲜膜或无菌盖子覆盖每个已播种的水培盒，以保持发芽期间的湿度。将主二氧化碳调节器设置为约10磅每平方英寸。然后，缓慢打开二氧化碳气罐的主阀门。将二级减压调节器调整至每平方英寸一到三磅。打开台式培养箱腔室，并将内部温度设为23摄氏度。确认内部风扇正常工作，并确保风扇无遮挡，以维持适当的空气循环。接下来，在 Thonny 中打开 Control_chamber_JoVE.py 代码。确认光照条件下的二氧化碳设置。运行程序，然后验证电磁阀、传感器和指示灯是否正常响应。待环境稳定后，将带盖的水培箱放入每个培养室中。关闭培养舱门，并确认二氧化碳浓度在三到五分钟内恢复至设定值。用铝箔或遮光膜覆盖培养舱门板，以防止光线干扰。每天打开盖子检查植物，并在检查后用胶带重新封好盖子。使用 RealVNC 或通过高清多媒体接口显示器每日监测腔室读数一至三次。保持湿度盖覆盖状态，使种子萌发三至四天，直至可见子叶出土。当大部分幼苗根系已穿透毛毡基质后，移除湿度盖。系统发出的任何电子邮件警报均需及时响应，并记录所有异常情况或人工干预操作。继续培养，直至植物生长达到预期阶段。生长周期结束后，打开培养室门并从室内取出植物。根据实验目标对植物进行后续处理，例如生物量、叶绿素或营养成分分析。停止控制脚本，并关闭台式培养箱和光源的电源。重命名 Chamber_data_csv 环境数据文件，并将重命名后的文件复制到U盘中。清除舱内冷凝水，用70%乙醇擦拭非电子部件的内部表面。打开舱门，运行气泵，直至舱体和管路完全干燥。最后，关闭电源插座，并关闭二氧化碳气瓶阀门，以防止泄漏并节约气体。萝卜苗在播种后10天达到典型生长状态。二氧化碳调控系统维持了环境二氧化碳和极端二氧化碳条件下的目标浓度。萝卜实验期间的平均二氧化碳浓度在环境处理组中为618 ppm，在极端条件处理组中为3061 ppm。随着萝卜培养箱中植物生物量增加，白天二氧化碳浓度波动更大，需要频繁注入二氧化碳以维持设定浓度。夜间植物呼吸作用使环境组萝卜培养箱中的二氧化碳浓度上升，峰值超过1,200 ppm。在环境对照组中，随着光照期开始，二氧化碳水平迅速下降至接近400 ppm，表明植物在白天快速吸收二氧化碳。在两种条件下，白天的舱内温度均保持在约25摄氏度，夜间则接近设定的23摄氏度。随着萝卜实验的进行，由于植物蒸腾作用增强，相对湿度逐渐上升。实验期间，常压与极端二氧化碳处理组的气压保持恒定且几乎相同。本方法可为对空间生物学、微绿植生理学或植物对高浓度二氧化碳响应感兴趣的研究人员所用。在执行本方案时，必须高度重视无菌操作与卫生，以防止病害发生。应定期检查这些培养舱，以确保其正常运行。这些培养舱可用于研究不同浓度的二氧化碳对其他小型植物生理特性的影响。

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