Methodenartikel

Het bouwen en exploiteren van een goedkope verhoogde kooldioxidegroeikamer om microgroene fysiologie te evalueren onder ruimtevlucht-relevanteCO2-niveaus

580 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/70050

⸱

17 april 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Plant and Microbial Biology, North Carolina State University, 2Department of Molecular and Structural Biochemistry, North Carolina State University, 3NCSU Phytotron, North Carolina State University

In dit artikel

Samenvatting

Dit protocol beschrijft hoe een kleine, goedkope groeikamer gebouwd en bediend kan worden die in staat is extreme kooldioxideniveaus (exCO2) te handhaven voor plantenexperimenten. De kamer maakt reproduceerbare studies van microgroene fysiologie mogelijk onder atmosferische omstandigheden die relevant zijn voor ruimtevluchten, met behulp van een computergebaseerd monitorings- en controlesysteem op één bord en een passief hydroponisch wickingsysteem.

Samenvatting

De kooldioxideniveaus (CO2) aan boord van bemande ruimtevaartuigen overschrijden routinematig 3.000 ppm, aanzienlijk hoger dan de atmosferische concentraties op aarde. Langdurige blootstelling aan extreme CO2 (exCO2) bij niveaus boven 3.000 ppm kan de plantengroei, fysiologie en voedingssamenstelling veranderen. Toch kunnen weinig laboratoriumsystemen deze exCO 2-concentraties betrouwbaar reproduceren. Dit protocol beschrijft een toegankelijke en goedkope methode voor het bouwen van een groeikamer op het werkbank die stabieleCO-2-niveaus boven de 3.000 ppm kan handhaven voor plantenexperimenten.

De kamer wordt gemaakt door een benchtop-incubator aan te passen, zodat deze luchtdichte kabel- en gasfittingen, een geautomatiseerdCO2-toevoer - en ventilatiesysteem, en geïntegreerde temperatuur-, vochtigheids- en druksensoren bevat. Het systeem wordt aangestuurd door een goedkope single-board computer, die open-source Python-code gebruikt om een beoogdeCO-2-concentratie te behouden door solenoïden te reguleren die CO2 injecteren of de kamer ventileren als reactie op systeemmetingen. Een op maat gemaakte passieve wickingbox ondersteunt de plantengroei zonder actief water te hoeven geven, waardoor het openen van de kamer minder nodig is en schommelingen inCO2-niveaus worden geminimaliseerd.

Met dit systeem hebben we met succes twee microgroene soorten gekweekt: radijs (Raphanus sativus, een C3-plant) en amarant (Amaranthus cruentus, een C4-plant), onder "omgevings-CO2" (minimaal 400 ppm) en "ISS-achtige exCO2" (minimaal 3.000 ppm) omstandigheden. De kamers handhaafden stabieleCO-2-niveaus, temperatuur en vochtigheid gedurende de groeicycli van 10–14 dagen. Dit reproduceerbare, ruimtevlucht-relevanteCO2-systeem biedt een toegankelijk hulpmiddel voor het bestuderen van de reacties van planten op extreme atmosferische omgevingen en voor het voorbereiden van experimenten voor ruimtevlucht.

Inleiding

Planten zullen een essentiële rol spelen bij het in stand houden van menselijk leven tijdens langdurige ruimtemissies door bij te dragen aan voedselproductie, voedingsbehoeften te vervullen en het psychologisch welzijn te bevorderen1. De atmosferische samenstelling van een bemand ruimtevaartuig of verwachte toekomstige habitats verschilt echter aanzienlijk van die op aarde. Het Internationaal Ruimtestation (ISS) ervaart routinematigCO-2-niveaus boven de 3.000 delen per miljoen (ppm), bijna een orde van grootte hoger dan de omgevingsconcentraties van aardse2. De niveaus op het ISS zijn opgelopen tot wel 6.500 ppm. Deze extremeCO2-niveaus (exCO2) kunnen de fysiologie van planten, morfologie en nutriëntensamenstelling beïnvloeden. Toch liggen deze exCO2-niveaus buiten het bereik van de meeste verhoogde CO2-experimenten, die zich richten opCO-2-waarden tussen 700 ppm en 1500 ppm, en inderdaad buiten het bereik van wat de meeste terrestrische plantengroeikamers kunnen behouden. Daardoor blijven de effecten van zulke extreme omstandigheden slecht gekarakteriseerd. Het begrijpen van de reacties van planten op ruimtevlucht-relevante exCO2-niveaus is daarom cruciaal om het succes van ruimtegebaseerde landbouw en bioregeneratieve levensondersteunende systemen te waarborgen.

Microgreens zijn recentelijk uitgegroeid tot veelbelovende gewassen voor astronautenvoeding vanwege hun snelle groei, kleine voetafdruk en hoge nutriëntendichtheid 3,4. Deze kortcyclusgewassen kunnen verse vitamines en antioxidanten leveren die na verloop van tijd afbreken in opgeslagen ruimtevluchtrantsoenen. Momenteel samengestelde astronautenmaaltijden tonen aanzienlijk voedingsverlies tijdens langdurige opslag. Wanneer gemeten na drie jaar opslag op kamertemperatuur, zakken vitamine C en vitamine B1 onder de aanbevolen waarden, en vertonen vitamine A en B6 ook matige dalingenvan 5. Toegang tot verse, voedingsrijke microgroenten kan daarom helpen de gezondheid van de bemanning te behouden tijdens missies die meerdere jaren duren. Eerdere studies onder matig verhoogdeCO2-niveaus (800-1.000 ppm) hebben aangetoond dat planten de neiging hebben om meer koolstofrijke verbindingen op te hopen, waaronder koolhydraten, flavonoïden en vitamine C, terwijl stikstofrijke verbindingen zoals eiwitten 6,7 worden verminderd. Andere studies hebben verminderde zaadzetting waargenomen, verschuivingen in de expressie van fotosynthetische enzymen en veranderingen in de samenstelling van de elementen, met name reducties in ijzer, zink en magnesium8. Deze samenstellingsverschuivingen suggereren dat de beschikbaarheid van koolstof (alsCO2) de balans tussen koolstof en stikstof verandert, en daardoor het primaire en secundaire metabolisme. VerhoogdeCO2-niveaus kunnen dus gevolgen hebben voor de voedingswaarde van het gewas, een cruciale noodzaak voor de gezondheid van astronauten bij langdurige ruimtemissies.

Er is veel minder bekend over hoe planten reageren op exCO2-niveaus die in ruimtevaartuigomgevingen worden aangetroffen, die op het ISS boven de 3.000 ppm kunnen uitkomen. Ruimtevluchten en analoge studies op de grond hebben groeiafwijkingen onder deze omstandigheden gerapporteerd, waaronder verminderde bladuitzetting, chlorose en veranderde groeisnelheden 2,9,10. Zo vertoonde Brassica rapa die aan boord van het ISS groeide gele bladeren met een kleinere grootte, die werden toegeschreven aan exCO2-niveaus in plaats van microzwaartekrachteffecten9. Deze observaties onderstrepen dat plantresponsen op exCO2-niveaus niet slechts een extrapolatie zijn van de effecten van matig verhoogde CO2, maar juist wijzen op duidelijke fysiologische en metabole verstoringen. Echter, weinig terrestrische groeisystemen kunnen stabiele exCO2-niveaus handhaven, waardoor het moeilijk is om ruimtevaartuigomstandigheden consequent te repliceren of om genotypische variatie van planten te testen onder zulke extreme atmosferen.

Om deze beperking aan te pakken, hebben we een kleine, goedkope kamer ontwikkeld die consistente, programmeerbare exCO2-niveaus kan handhaven die ruimtevaartuigatmosferen simuleren (Figuur 1). Dit systeem wordt gebouwd door een benchtop-incubator aan te passen en sensoren en solenoïdekleppen te integreren, die worden aangestuurd door een goedkope single-board computer (SBC) met programmeerbare pinnen. Het ontwerp maakt geautomatiseerdeCO-2-regulatie en continue monitoring van omgevingsparameters mogelijk, waaronder temperatuur, vochtigheid en druk. Om snelleCO2-uitputting door frequente deuropeningen te voorkomen, hebben we een passief hydroponisch wickingsysteem toegevoegd dat microgroene groei tot wel 14 dagen ondersteunt zonder extra water. Deze gesloten opstelling minimaliseert verstoringen terwijl het zorgt voor een consistente atmosfeer.

Hier beschrijven we een gedetailleerd, reproduceerbaar protocol voor het bouwen en bedienen van een exCO2-groeikamer en voor het kweken van microgreens onder gecontroleerde, ruimtevlucht-relevante atmosferische omstandigheden. Het protocol omvat stappen voor het installeren van luchtdichte kabel- en gasdoorvoeren, eenCO2-injectie - en ventilatiesysteem, het aansluiten van sensoren op de SBC, het programmeren van de exCO2-controlecode en het assembleren van het passieve hydroponische wickingsysteem. Met deze opstelling demonstreren we de succesvolle groei van radijs (Raphanus sativus, een C3-plant) en amarant (Amaranthus cruentus, een C4-plant) microgroenten onder zowel omgevings- als ISS-achtige exCO2-omstandigheden . Het platform biedt een betaalbare en schaalbare aanpak voor het bestuderen van de reacties van planten op extreme atmosferische omgevingen en om experimenten voor te bereiden op ruimtevluchten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Kabels en sensoren installeren aan de achterkant van de benchtop-incubator en afdichten met siliconenkit (Figuur 2)

  1. Identificeer twee locaties aan de achterkant van de kamer die vrij zijn van bedrading, elektrische schakelingen of ventilatorcomponenten (zie de locaties van kabelverwarring in Figuur 1B voor een voorbeeld). Boor op deze plekken twee gaten die iets groter zijn dan de buitendiameter van de kabelmoeren.
  2. Gebruik kabelwartels van ongeveer 10 mm (3/8 inch) diameter en wikkel de schroefdraad van elke klus in met loodgieterstape. Schroef één schroef op een 20 mm buitendiameter (OD), 2,5 cm lange roestvrijstalen buisfitting (vrouwelijke 3/8 inch National Pipe Thread (NPT)-schroefdraad). Steek het door het geboorde gat van de buitenwand van de kamer en bevestig een extra wartel aan de binnenzijde (Figuur 3).
    OPMERKING: Deze configuratie maakt een luchtdichte doorgang mogelijk door de dikke kamerisolatie.
  3. Zorg ervoor dat de rubberen ringen van de wartelen stevig aan beide zijden van de muur zijn vastgezet, en breng vervolgens siliconenkit aan rond de contactpunten met de kamerwanden van elke kabelverdeling om eventuele luchtopeningen af te dichten.
    OPMERKING: Alle kameropeningen moeten luchtdicht zijn om CO2-lekkage te verminderen.
  4. Loop een vierstrengige datakabel door elke kabelgland, zodat er genoeg lengte overblijft om de SBC met de sensoren te verbinden.
  5. Draai de binnenste kabelversleutelpakking strak om een luchtdichte afdichting te garanderen. Maak de kabel los en stel de kabel aan om meer speling te creëren voor de positionering van de sensor.
    OPMERKING: Label elke draad om de juiste sensorverbindingen te garanderen. Hoewel het solderen van de draden aan de sensoren voldoende is, faciliteren jumperpluggen, schroefklemmen of andere snelverbindbare opties het vervangen van de draad en aansluiting op de SBC-pinnen.
  6. Verbind de temperatuur-, vochtigheids- en luchtdruksensoren (Figuur 2).
    1. Verbind de draden van één vierstrengige datakabel met een temperatuur-/vochtigheidssensor, en verbind vervolgens de luchtdruksensor met 4-pins connectoren op de temperatuursensor.
    2. Verbind het andere uiteinde van de datakabel als volgt met de SBC: PWR naar een 3,3 V stroompin, GND naar een aardepin, SDA naar GPIO 2 (I2C_SDA1), en SCL naar GPIO 3 (I2C_SCL1).
    3. Bevestig beide sensoren aan de bovenste kamerwand met vergrendelende lijmstrips om eenvoudig te verwijderen voor kalibratie of reiniging (Figuur 4).
  7. Verbind en positioneer de CO2-sensor .
    1. Verbind de CO2-sensor met de tweede vierstrengige datakabel.
    2. Verbind het andere uiteinde als volgt met de SBC: PWR naar een 5V stroompin, GND naar een aardpen, RxD naar GPIO 14 (UART_TxD), TxD naar GPIO 15 (UART_RxD).
    3. Bevestig deCO2-sensor aan de bovenste achterwand of plaats deze stevig bovenop de lichtplank met Dual Lock-strips.
  8. (Optioneel, maar aanbevolen) Sluit de SBC-voeding aan op een continu opladende reservebatterij om herstarts te voorkomen en continue sensordatalogging te garanderen.

2. Het construeren van het CO 2-afhandelingssysteem (Figuur 5)

OPMERKING: Het CO2-behandelingssysteem reguleert de gasconcentratie in de kamer. Wanneer het CO-2-niveau onder het ingestelde punt daalt, activeert de SBC een solenoïdeklep om korte stoten vanCO2 in de kamer te laten stromen. WanneerCO-2-niveaus het ingestelde punt overschrijden, openen de ventilatiesolenoïden kort om de lucht uit de kamer af te voeren. Een membraanluchtpomp van 2,75 L/min circuleert lucht door het systeem.

  1. Installeer bulkhead-fittingen.
    1. Boor twee extra gaten in de achterwand van de kamer (ongeveer 14 mm) voor deCO2-ingang en luchtuitlaatleidingen, iets groter dan het breedste deel van de fitting die in stap 2.1.3 is gebruikt.
    2. Pas een schot aan door de slanghaak aan de schroefdraadzijde af te snijden (Figuur 6). Bevestig een metalen en rubberen ring en wikkel de schroefdraad in met loodgieterstape.
    3. Schroef een 3 cm, 8 mm ID schroefdraaddraad aan het uiteinde van de aangepaste bulkhead-fitting zodat deze door de kamerwand en isolatie steekt (Figuur 6).
    4. Sluit de aangepaste schot beslagen af met ringen aan elke zijde en breng een extra laag siliconenkit aan. Schroef stevig vast om een luchtdichte afdichting te creëren.
  2. Verbind slangen, solenoïden, filter en luchtpomp met flexibele, aquariumwaardige slangen (4,8 mm diameter, 6,35 mm diameter) (Figuur 7).
    1. Voor de CO2 ingangslijn, verbind componenten met de buis als volgt: Debietmeter -> CO2 solenoïdeklep > T-connector > T-connector > buitenzijde van de CO2 ingangswand. Bevestig de eerste T-connector op de pompuitgang. Bevestig de tweede T-connector aan een ventilatiesolenoïde (Figuur 5).
    2. Verbind de buitenzijde van de luchtuitlaat-bulkhead-aansluiting als volgt: luchtuitlaat -> T-connector -> in-line luchtfilter -> luchtpompingang. Bevestig een extra ventilatiesolenoïde aan deze T-connector (Figuur 5).
    3. Binnen in de kamer bevestig je een ~15 cm lange buis aan de CO2-invoerzijde en een ~30 cm lange buis aan de luchtuitlaatzijde.
    4. Sluit verbindingen af met siliconenafdichting.
  3. Installeer luer-lock fittingen. (Figuur 7)
    1. Bevestig barbed leur-lock koppelingen bij de sleutelbuisverbindingen om eenvoudige aanpassing en vervanging van componenten mogelijk te maken.
    2. Sluit elke slanghaakverbinding af met siliconen om lekkages te verminderen.
      OPMERKING: Solenoïden slijten meestal na enkele maanden. Luer-lock fittingen maken eenvoudige vervanging mogelijk en elimineren de noodzaak om de buis tijdens het vervangen te verkorten. Daarom wordt het sterk aanbevolen om deze koppelingen bij de solenoïdeverbindingen toe te voegen.
  4. Sluit de CO2-voeding en regelaars aan.
    OPMERKING: Gebruik 6,4 mm (1/4 inch) polyethyleenbuis tussen de tankregelaars en de debietmeter.
    1. Met een moersleutel bevestigt u de primaire regelaar aan de CO2-tank (stel regelaar in op 10 psi), sluit u vervolgens als volgt aan: primaire regelaar -> schroefdraad push-to-fit connector -> polyethyleenbuis -> (optioneel) push-to-fit T-connector (voor meerdere kamers) -> polyethyleenbuis -> schroefdraad push-to-fit connector -> step-down regelaar (ingesteld op 1–3 psi) -> schroefdraad push-to-fit connector -> polyethyleenbuis -> debietmeter (Figuur 8).
      OPMERKING: Meerdere kamers kunnen worden aangedreven vanuit éénCO2-tank van 22 kg (50 lb) met optionele push-to-fit T-connectoren tussen step-down regelaars voor elke kamer (Figuur 8).
  5. Verbind solenoïden met de SBC-gestuurde relais.
    1. Verbind de CO2 ingangssolenoïde (+) op de positieve pool van een 5 V voeding, en de solenoïde (-) kabel op aansluiting 3 van het CO2 relais. Verbind aansluiting 4 van hetCO2-relais op de aarddraad van de voeding. Verbind de CO2 relaisterminals 1 en 2 met respectievelijk GPIO 12 en een aarde op de SBC.
    2. Verbind beide ventilatiesolenoïden op vergelijkbare wijze: elke solenoïde (+) leidt naar de 5 V voeding (+) en elke (-) aansluiting op aansluiting 3 van het ventilatierelais. Verbind terminal 4 van dat relais met de aarde van de stroomvoorziening, en de ventilatierelaisterminals 1 en 2 met GPIO 17 en de aarde op de SBC.
    3. Label elk relais (bijv. "CO2 input," "Vent") om het probleem op te lossen.
      OPMERKING: Solenoïden kunnen één 5 V voeding delen als ze parallel zijn bedraad. Pas de besturingscode aan als je verschillende GPIO-pinnen gebruikt.

3. Het bouwen van de groeilampen

  1. Kies compacte lichtdiodestrips (LED) die beschermd zijn door een siliconencoating, wat een lichtspectrum biedt dat geschikt is voor plantengroei en lage warmte-output.
    OPMERKING: De op maat gemaakte groeilampen die we gebruikten, leveren tot 550 μmol·m-2·s-1 fotosynthetisch actieve straling (PAR) op de hoogte van het oppervlak van de hydroponische kweekboxen (de laagste hoogte die de kiemende zaailingen bereiken). De lampen bestaan uit 24-V COB LED-strips met afwisselend 2700K en 6500K diodes.
  2. Maak LED-strips klaar.
    1. Snijd zes stroken LED's (ongeveer 25 cm) op de door de fabrikant aangegeven verbindingen.
    2. Gebruik een scheermesje om de siliconencoating van de koperen pads aan elk uiteinde van elke strip te verwijderen (Figuur 9).
      VOORZICHTIG: Wees voorzichtig om persoonlijk letsel of schade aan de LED-strip te voorkomen. Werk op een snijplank.
    3. Breng een kleine hoeveelheid soldeer aan op elk koperen pad, waarbij je de lichtstrips in serie verbindt met 3,5 cm lange stukken 22-G draad met strengen (+ naar + en aarde naar aarde) (Figuur 9).
    4. Soldeer twee stukken draad van 20–30 cm aan één uiteinde van de array bij elk koperen pad om verbinding te maken met de stroombron.
      VOORZICHTIG: Gebruik passende oogbescherming en soldeer onder een dampafzuigkap of in een goed geventileerde ruimte. Werk op een hittebestendige mat.
  3. Zet de lampen op.
    1. Plaats de LED-array aan de onderkant van de bovenste plank binnen de kamer voor gelijkmatige verlichting over het groeigebied (Figuur 10).
    2. Haal de lijmachterkant van de lampen los en druk de strips stevig op hun plaats (Figuur 10).
    3. Bedek blootliggende pads en draden met siliconen van elektrische kwaliteit om corrosie en elektrische schokken te voorkomen.
    4. Zodra de siliconen droog zijn, plaats je de lichtplank op de bovenste ingebouwde plankbeugel van de kamer.
  4. Sluit de LED-strips aan op stroom- en besturingssystemen (Figuur 2).
    1. Leid twee extra 22-G draden door een van de kabelmoeitels. Knip deze lang genoeg om de lampen aan te sluiten op de voeding en het relais. Verbind deze met een barrel jack of elektrische snelkoppeling op een van de LED-strips op de lange draden.
    2. Verbind de LED-array (+) met de positieve aansluiting van de 24 V voeding, de LED (-) op aansluiting 2 van het lichtrelais, en aansluit 1 van het lichtrelais op de negatieve pool van de voeding (Figuur 2).
    3. Verbind terminal 3 van het lichtrelais met de SBC GPIO 21 en terminal 4 van het relais met een GND-pin op de SBC (Figuur 11).
  5. Bevestig lange lichtdraden met lijmklemmen aan de kamerwand om spanning op gesoldeerde verbindingen te voorkomen.
  6. Controleer of de lichtintensiteit aan het oppervlak van de installatie is zoals gewenst met behulp van een PAR-meter. Meet op 4–5 plaatsen op de hoogte van de hydroponische kweeksysteemboxen.

4. Software installeren voor kamerbesturing en alarmsysteem op een SBC

  1. Download de kamercontrolecode (Control_chamber_JoVE.py, Aanvullend Bestand 1) en sla deze op in een aangewezen map op de SBC (bijv. /home/pi/chamber/). Zie https://www.raspberrypi.org/ voor details over de initiële configuratie van de SBC en hoe het besturingssysteem te navigeren.
  2. Installeer de vereiste bibliotheken die bovenaan het Control_chamber_JoVE.py-script staan (serial, datetime, csv, board, enz.) en de bibliotheken voor elke sensor. Zie https://projects.raspberrypi.org/en/projects/generic-python-installing-with-pip voor details over het installeren van bibliotheken op de SBC.
  3. Open Control_Chamber.py in Thonny (of een vergelijkbare Python IDE) om sensor- en relaisparameters te configureren. Werk de pintoewijzingen in het bovenste gedeelte van het Control_chamber_JoVE.py-script bij om overeen te komen met de bedrading van de temperatuur/vochtigheid, druk en CO2-relaisverbindingen die in secties 1 en 2 zijn vastgesteld (indien bedraad zoals voorgesteld, zijn er geen wijzigingen nodig). Zie https://thonny.org/ voor details over het gebruik van Thonny.
  4. Definieer het minimale CO2-niveau setpunt en stel parameters in voor fotoperiode, temperatuur en alarmdrempels binnen het configuratieblok bovenaan het Control_chamber_JoVE.py-script. Sla het bestand op.
    OPMERKING: Alle setpunten kunnen worden aangepast door het configuratieblok te bewerken zonder een softwareherinstallatie te vereisen.
  5. Stel het e-mail-gebaseerde alarmsysteem in.
    1. Maak een speciaal e-mailaccount aan (bijvoorbeeld MyPiAlarm@gmail.com) voor geautomatiseerde meldingen.
    2. Voer de inloggegevens en ontvangeradressen in in de secties "CO2 Alarm" en "Temperatuuralarm" van het Control_Chamber.py-script en sla op.
      VOORZICHTIG: Gebruik geen persoonlijk of professioneel e-mailadres om berichten te versturen. Gebruik een speciaal account om beveiligingsgegevens te beschermen en gebruik een app-specifiek wachtwoord.
  6. Testkameroperatie.
    1. Klik op het Run-icoon in Thonny om de code uit te voeren.
    2. Bevestig dat sensoren geldige metingen rapporteren en relais schakelen correct wanneer CO2-niveaus veranderen.
    3. Simuleer lage en hogeCO-2 - en temperatuurcondities door de stroming en kamerinstellingen aan te passen. Zorg ervoor dat automatische injectie en ventilatie plaatsvinden en dat e-mailalarmen worden geactiveerd.
    4. AlsCO2-waarden fluctueren, controleer dan op lekkages rond kabelmokken of bulkhead-fittingen en sluit indien nodig opnieuw af met siliconenafdichting.
  7. Schakel remote monitoring in
    OPMERKING: Hoewel de SBC "headless" kan draaien, vereenvoudigt het aansluiten van een monitor via HDMI het probleemoplossing.
    1. Installeer de RealVNC Viewer of een vergelijkbare remote-desktopapplicatie op een apparaat dat verbonden is met hetzelfde netwerk als de SBC. Zie https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/raspberrypi/ voor instructies over hoe je RealVNC installeert.
    2. Schakel de VNC-server in op de SBC en bevestig de connectiviteit. Zie https://help.realvnc.com/hc/en-us/articles/360002249917-RealVNC-Connect-and-Raspberry-Pi#setting-up-your-raspberry-pi-0-0 voor instructies over het inschakelen van VNC Server.
    3. Gebruik de afstandsbedieningsinterface om de status te monitoren, instellingen aan te passen of het programma opnieuw te starten.

5. Het bouwen van een passief hydroponisch wickingsysteem (Figuur 12)

OPMERKING: Elk passief hydroponisch wickingsysteem gebruikt een steriele pipettipbox van 1.000 μL met een afneembare inzet, voorzien van een franjede vilten lont, die voedingsstoffen uit het lagere reservoir naar de zaden haalt.

  1. Maak de behuizing klaar.
    1. Selecteer een lege 1.000 μL pipettipdoos met een verwijderbare insert.
    2. Met een Dremel-gereedschap, draaizaag of een boor- en copingzaag zaag zaag om een rechthoekige opening ~ 11 cm bij 7 cm in het bovenste deksel te zaagen.
  2. Snijd en bereid de vilten lont voor.
    1. Sneed bamboevilt in stroken van 34 cm van 7,5 cm. Drie tiphouder-inserts kunnen als sjabloon dienen.
    2. Snijd acht gelijkmatig verdeelde franjes van 14 cm langs elke lange rand van de vilten strip.
    3. Rijg elke franje door de rij gaten aan de korte uiteinden van de tiphouder-inzetstuk met een paar pincetten, zodat de franjes naar beneden hangen en het ongesneden midden vlak bovenop blijft.
    4. Zorg ervoor dat de franjes het onderste reservoir bereiken wanneer de insert in de doos zit. Bewaar dozen droog tot gebruik.

6. Materialen voorbereiden voor het microgreen-experiment

  1. Desinfecteer de kamer door alle niet-elektronische oppervlakken (muren, plafond, deur, enz.) af te nemen met SA-20 desinfectiemiddel (7,8 mL/L water). Laat de kamer een nacht aan de lucht drogen met de deur open.
    OPMERKING: Deze stap is cruciaal om het risico op ziekteverwekkers die in vochtige omgevingen groeien te verminderen.
  2. Maak 0,25x Murashige en Skoog (MS) basaal zoutmedium zonder agar. Los 4,3 g MS-zouten en 1 g 2-(N-morfolino) ethanesulfonzuur (MES) op in 1 L gedeïoniseerd (DI) water, en stel de pH aan naar 5,7 met 1M KOH-oplossing. Verdunnen tot 4 L. Geef 700 mL aliquots (genoeg voor één hydrocultuurdoosje) in 1-L flessen.
  3. Vul autoclavabele flessen met gedestilleerd of gedeïoniseerd water voor zaadsterilisatie en spoeling.
  4. Autoclave, zowel het MS-medium als het water, met een vloeistofcyclus gedurende 30 minuten.
  5. Wikkel hydrocultuurdozen, gereedschap en containers in aluminiumfolie. Autoclaaf op een droogcyclus met een droogtijd van 30 minuten, en houd materialen gewikkeld totdat ze in een laminaire stroomkap worden geplaatst.
    OPMERKING: Stappen 6.6–6.8 moeten worden uitgevoerd in een laminaire stroomkap om besmetting te voorkomen.
  6. Steriliseer zaden
    OPMERKING: Dit protocol moet worden aangepast afhankelijk van de plantensoort. Het volgende beschrijft een protocol dat werkt voor radijs- en amarantzaadjes.
    VOORZICHTIG: Gebruik handschoenen, oogbescherming en een labjas bij het gebruik van bleekmiddel.
    1. In een laminaire flow hood voeg je zaden toe aan een bleekoplossing van 2% die 0,05% Triton X-100 bevat.
    2. Schud voorzichtig 5 minuten op kamertemperatuur.
    3. Giet de bleekoplossing over en spoel drie keer af met steriel water.
    4. Na het spoelen wek je de zaden een nacht in steriel water om een gelijkmatige kieming te bevorderen.
      OPMERKING: Voor deze studie waren 8 mL 7,5% bleekmiddel, 22 mL DI H2O en 15 μL Triton X-100 oppervlakteactieve stof in een 50 mL centrifugebuis voldoende om vier dozen radijs of amarant microgroenten te steriliseren.
  7. Vul hydroponische dozen en plant zaden in een laminaire stroomkap.
    1. Vul elke hydroponische doos met steriel 0,25 MS medium totdat het viltoppervlak bedekt is met een of twee mm vloeistof (~650 mL). Controleer of er geen luchtspleet is tussen het vilt en de vloeistof; Gaten verminderen de vestiging van zaailingen.
    2. Met steriele pincet plant je tot 60 amarant of 30 radijszaadjes per doos. Duw de zaden voorzichtig in het vilt met een pincet, zodat ze gecentreerd zijn boven de puntgaten van de inzetstuk.
    3. Bedek elke beplantte doos met huishoudfolie of steriele deksels om de luchtvochtigheid tijdens het kiemen te behouden. Zodra ze bedekt zijn, kunnen de dozen uit de steriele afzuigkap worden gehaald.

7. Het uitvoeren van het microgreen-experiment

OPMERKING: Bedien ten minste twee kamers tegelijk, één onder exCO2 en de andere onder omgevingsomstandigheden als regeling. Wissel behandelingen tussen kamers over replicates heen om kamerbias te minimaliseren. Wijs willekeurig (met behulp van een muntgooi of willekeurige nummergenerator) een behandeling toe aan elke kamer. Voor het volgende experiment wissel je de behandelingen naar andere kamers.

  1. Stel de primaire CO2-regelaar in op ongeveer 10 psi en de secundaire "step-down" regelaar(s) op 1–3 psi. Open het hoofdventiel van de CO2-tank langzaam.
    VOORZICHTIG: Luchtdrukken boven de 5 psi beschadigen de solenoïden. Stel de "step down" regelaar niet boven de 4 psi af.
  2. Start de kamer en controleer de functionaliteit.
    1. Zet de incubatorkamers aan en stel de interne temperatuur in op 23 °C of de gewenste temperatuur.
    2. Controleer of de interne ventilator werkt en niet geblokkeerd is om luchtcirculatie te garanderen. Zorg ervoor dat elke kamerunit tot binnen 2 °C van de ingestelde temperatuur in balans is voordat je plant.
  3. Open Control_chamber_JoVE.py code in Thonny, bevestig de CO2 - en lichtinstellingen (sectie 4.7), en start dan het programma. Controleer of solenoïden, sensoren en lampen goed reageren. Sla het bestand op en voer het controleprogramma uit door op het Run-icoon te klikken.
  4. Laad en laat de geplante bakken ontkiemen.
    1. Zodra de omgeving stabiel is, plaats je de afgedekte hydrocultuurboxen in elke kamer. Sluit de deur en controleer dat deCO2-concentraties binnen 3–5 minuten terugkeren naar de ingestelde punten.
    2. Laat de zaden 3–4 dagen met de vochtafdekkingen op hun plaats kiemen totdat de zaadjes zichtbaar zijn, en verwijder daarna de vochtige afdekkingen zodra de meeste wortels van de zaailing het viltoppervlak hebben doordrongen.
      OPMERKING: Als je andere soorten dan radijs of amarant gebruikt, pas dan de kiemtijd aan om een consistente wortelpenetratie in het viltoppervlak te garanderen voordat je het ontmaskert.
  5. Onderhoud en monitor de toestand van de kamer.
    1. Houd de kamers gedurende het hele experiment gesloten om stabieleCO2-niveaus te behouden.
    2. Bedek deurpanelen met aluminiumfolie of blackoutfilm om lichtinterferentie te voorkomen. Klap de folie dagelijks open om de status van de plant te controleren en plak de deksel opnieuw vast met tape.
    3. Monitor leest één tot drie keer per dag met RealVNC of lokaal via een HDMI-scherm.
    4. Reageer snel op e-mailmeldingen en registreer afwijkingen of handmatige interventies.
      VOORZICHTIG: Omgevingstemperaturen onder het kamerinstelpunt kunnen condensatie in de buis veroorzaken. Als er condensatie optreedt, droog dan de leidingen en fittingen opnieuw af voordat je weer start om luchtstroomobstructies te voorkomen. Sluit het CO2 tankventiel voordat je leidingen opent.
  6. Oogst planten en verzamel data.
    1. Aan het einde van de groeicyclus opent u de kamer en verwijdert en verwerkt u planten indien nodig voor experimentele doelen (bijv. biomassa-, chlorofyl- of nutriëntenanalyse).
    2. Stop het controlescript en zet de benchtop-incubator en lampen uit.
    3. Hernoem chamber_data.csv, het omgevingsdatabestand (bijvoorbeeld Date_Species_3000vs400ppm.csv), en kopieer het naar een usb-stick.
      VOORZICHTIG: Het programma logt elke minuut gegevens in het chamber_data.csv-bestand in de homemap. Hernoem dit bestand altijd bij het opslaan om eerdere datasets niet te hoeven aanpassen.
    4. Documenteer eventuele afwijkingen of apparatuurstoringen tijdens de rit.
  7. Schoonmaken na het experiment.
    1. Verwijder condensaat en veeg de niet-elektronische binnenoppervlakken af met 70% ethanol.
    2. Laat de kamerdeur open en laat de luchtpomp draaien totdat de kamer en slang droog zijn.
    3. Zet stekkerdozen uit en sluit het CO 2-tankventiel om lekkage te voorkomen en gas te besparen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Twee benchtop-incubators werden met succes aangepast om programmeerbareCO-2-concentraties te behouden die geschikt zijn voor microgreen-groeiexperimenten. Voor elke experimentele run werd één kamer geprogrammeerd om "ISS-achtige exCO2"-omstandigheden te hanteren (minimaal 3000 ppm), en de andere om "indoor ambient CO2" condities (minimaal 400 ppm). We hebben radijs en amarant microgroenten 10 en 14 dagen geteeld (Figuur 13). ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit protocol biedt een reproduceerbare en kosteneffectieve methode om planten te laten groeien onder extremeCO2 (exCO2) concentraties van ongeveer 3.000 ppm, vergelijkbaar met die op het International Space Station2. Het systeem past een benchtop-incubator aan, waarbij SBC-gebaseerde milieucontrole wordt gecombineerd met een passief hydroponisch groeisysteem om de plantengroei tot twee weken te ondersteunen zonder handmatig water geven of de ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Geen van de auteurs heeft belangenconflicten met betrekking tot het hierboven beschreven werk.

Dankbetuigingen

We willen de undergraduate onderzoeksassistenten Makayla Destafino, Emily Dettmer en Ellie Saltier bedanken voor hun hulp bij het voorbereiden van media, het steriliseren van zaden en het meten van planten. Dank aan het technische personeel van NCSU Phytotron voor gereedschap, benodigdheden en advies. Dit onderzoek werd gefinancierd door NASA-subsidienummer (80NSSC23K0344) en een undergraduate NC Space Grant-beurs toegekend aan Samantha Rueckeis.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1/4 inch polyethylene tubingLoweshttps://www.lowes.com/pd/EZ-
FLO-1-4-in-Inner-Diameter-x-25
-ft-Polyethylene-Tubing/1000180497		Gebruikt om CO2 tankregelaar aan te sluiten op verlaagde regelaars.
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES)Fisher ScientificBP300-100Buffermiddel in meststofoplossing.
24 V Voeding voor verlichting Mean WellLPV-35-24Gebruik voeding voor verlichting afhankelijk van de lichtspecificaties.
25 mL gradueel cilinderCole ParmerUX-34502-70Om vloeistoffen voor zaadsterilisatieoplossing te meten.
250 mL glazen gradueel cilinder - autoclave om te steriliserenFisher Scientifichttps://www.fishersci.com/shop/
products/pyrex-cylinders-single
-white-enamel-metric-graduatio
ns-18/085524D		Voor het meten van MS-media bij het laden van hydrocultuurbakken. Merk doet er niet toe.  
388 Elektrisch siliconenkitAmerican Sealants, Inchttps://meridianadhesives.
com/products/asi-388/		Gebruikt om verlichting te isoleren en de kamer af te sluiten. Andere merken zijn prima, maar zorg ervoor dat het van elektrische kwaliteit is als het op verlichting wordt gebruikt.  Niet-elektrische kwaliteit is prima om op de rest van de kamer te gebruiken.
70% EthanolAvantor71002-508Gebruikt voor het ontsmetten van de kap en de groeikamer.
8K diafragmapomp - 110 V/60 Hz versieBoxer8KGebruikt om lucht tussen de kamer, CO2 invoer en het ventilatiesysteem te circuleren. $120 op het moment van aankoop.
AC snoer voor  pompGE https://www.homedepot.com
/p/GE-8-ft-Replacement-Cord
-Set-with-Polarized-Plug-on-
1-End-Black-54435/203735885		Merk en bedrijf doen er niet toe
Adafruit LPS35HW Waterbestendige druksensorAdafruitProduct #:4258Gebruikt om luchtdruk te meten.
Adafruit Sensirion SHT40 Precisie temperatuur- en vochtigheidssensorAdafruitProduct #:4885Gebruikt om temperatuur en vochtigheid te meten.
Verstelbare sleutelsAce Hardwarehttps://www.acehardware.com
/departments/tools/hand-tools/
wrenches/2299329		Gebruikt om regelaars aan te sluiten
AluminiumfolieCostcohttps://www.costco.com/p/-/
kirkland-signature-reynolds-
foodservice-foil-12-in-x-100
0-ft/100116721?langId=-1		Voor het afdekken van containers tijdens het autoclaven.
Aquariumslang - 1/4" OD, 3/16" IDAmazonhttps://www.amazon.com/dp/B0DLNH81LJ/Gebruikt om CO2 in de kamer te brengen
Gesorteerd aquariumslangverbindingen - polypropyleenAmazonhttps://www.amazon.com/AQU
ANEAT-Aquarium-Airline-Conn
ector-Plastic/dp/B08LMZ86QC/		Gebruikt om aquariumslangen te splitsen en aan te sluiten
Gesorteerd machine schroevenAmazonhttps://www.amazon.com/AETTL-
Assortment-Stainless-Assorted-
Phillips/dp/B0B428NP2L/ref=sr_
1_2_sspa?crid=FQ8XLSW2WZE6
&keywords=assorted%2Bmetric%
2Bbolts%2Band%2Bnuts&qid=16
92727621&s=industrial&sprefix=
assorted%2Bmetri%2Cindustria
l%2C159&sr=1-2-spons&sp_cs
d=d2lkZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&th=1		Gebruikt om componenten aan het pegboard te bevestigen.
Back-upbatterij met USB-uitgangVoltaic SystemsV25Gebruikt om pi's van stroom te voorzien om de stroom tijdens korte stroomstoringen te behouden.  Elke USB-batterij die pass-through-opladen mogelijk maakt, zal werken.
Bamboe vilt microgroente groeimatrasrol (10" x 100 ft)VegBedhttps://www.vegbed.com/products
/vegbed-bamboo-microgreens-roll-10in-x-100ft		Gebruikt voor groeikastwiek.
Barrel Jack verbindingen - 10-packAmazonhttps://www.amazon.com/dp/B079RBL339/Gebruikt om elektrische componenten op stroom aan te sluiten.  Exact merk doet er niet toe.
Beker - 2 LFisherCLS10002LGebruikt voor het maken van media.  Je hebt er twee nodig om in totaal 4 L te maken.
Benchmark Scientific H2200-HC MyTemp Mini IncubatorBenchmark ScientificH2200-HCKamer aangepast voor dit protocol. Zorg ervoor dat je de versie met zowel warmte- als koelregeling krijgt. $850 op het moment van aankoop.
Bleach - 7.5% Chloroxhttps://www.clorox.com/
products/clorox-performance
-bleach-with-cloromax/		Gebruikt om zaden te steriliseren.  Merk doet er niet toe, maar kies een versie zonder parfums of hulpstoffen.
Bulkhead fitting - 3/16 inchANPTGHThttps://www.amazon.com/AN
PTGHT-Thru-Bulk-Bulkhead-F
ittings-Aquarium/dp/B08SCDC28R/		Gebruikt om slangen door de kamer te leiden

Referenties

  1. De Micco, V., et al. Plant and microbial science and technology as cornerstones to Bioregenerative Life Support Systems in space. Npj Microgravity. 9, 69(2023).
  2. Georgescu, M. R., Meslem, A., Nastase, I. Accumulation and spatial distribution of CO2 in the astronaut's crew quarters on the International Space Station. Build Environ. 185, 107278(2020).
  3. Boles, H. O., et al. build and testing of hardware to safely harvest microgreens in microgravity. Gravitat Space Res. 11 (1), 1-14 (2023).
  4. Poulet, L., et al. Large-Scale crop production for the Moon and Mars: Current gaps and future perspectives. Front Astron Space Sci. 8, 733944(2022).
  5. Cooper, M., Perchonok, M., Douglas, G. L. Initial assessment of the nutritional quality of the space food system over three years of ambient storage. Npj Microgravity. 3, 17(2017).
  6. Poorter, H., Navas, M. L. Plant growth and competition at elevated CO2: On winners, losers and functional groups. New Phytol. 157 (2), 177-198 (2003).
  7. Prior, S. A., et al. A review of elevated atmospheric CO2 effects on plant growth and water relations: Implications for horticulture. Hortscience. 46 (2), 15-162 (2011).
  8. Dong, J., et al. Effects of elevated CO2 on nutritional quality of vegetables: A review. Front Plant Sci. 9, 924(2018).
  9. Burgner, S. E., et al. Growth and photosynthetic responses of Chinese cabbage (Brassica rapa L. cv. Tokyo Bekana) to continuously elevated carbon dioxide in a simulated Space Station "Veggie" crop-production environment. Life Sci Space Res. 27, 83-88 (2020).
  10. Levine, L. H., et al. Physiologic and metabolic responses of wheat seedlings to elevated and super-elevated carbon dioxide. Adv Space Res. 42 (12), 1917-1928 (2008).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

CO2 niveaus bij ruimtevluchtenlaboratoriumincubatorhydroponische microgreensCO2 regulatieplantgroeiresponsradijsmicrogreensamarantmicrogreens

Gerelateerde artikelen