Improving controlled environment agriculture (CEA) efficiency for targeted phytonutrient production in space: a study within the Microx2 project
Author(s)
Paglialunga, Gabriele
Date Issued
June 3, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In the next decade, significant challenges are anticipated in the field of space exploration. In order to support human life in space, it is critical to use diet as a tool to maintain astronauts’ health, enhance resilience to space-related stress factors, and ultimately their performance to ensure mission success. To address these needs, the implementation of bioregenerative life support system (BLSS), including in-situ food production compartments leveraging advanced agronomic technologies is crucial. The objective of this thesis is to contribute scientific insight focused on optimizing resource utilization in controlled environment agriculture (CEA), aiming to enhance the quality of horticultural species in terms of the accumulation of phytochemical compounds, including vitamins, antioxidants, and prebiotics, which are fundamental for nutrition in space. Most of the work described in this thesis was conducted within the project ‘Microgreens x Microgravity’ – “Microx2” funded by Italian Space Agency (ASI). The experiments conducted aimed at: 1) identifying the most suitable microgreen species for cultivation in space and for meeting the nutritional needs of the flight crew; 2) defining the environmental parameters, including light intensity, temperature, and relative humidity (VPD), conducive to maximizing resource efficiency in enhancing productive and qualitative performances; 3) defining technical protocols, including substrate selection and management of the nutrient solution, aimed at maximizing resource efficiency and optimizing species-specific productive and qualitative outputs. Through the development and use of a selection algorithm based on objective comparison, the two best microgreens species for cultivation in space were identified: Raphanus raphanistrum subsp. sativus ‘Saxa’ and Brassica oleracea var. capitata f. sabauda ‘Vertus’. The variability in the productive and qualitative response of the two selected species to the experimental growth conditions tested, underlines the need for precise control of growing conditions and in-depth knowledge of how to manage them in order to produce targeted phytonutrients such as vitamin C. The data generated by Microx2 activities have contributed to defining the hardware and software components for a modular, automatic, and intelligent CEA system designed to support research and production activities within the International Space Station. In addition to the experiments conducted within the Microx2 project, this thesis presents the activity focused on the accumulation of prebiotic compounds such as inulin, in young Chicorium intibus plants, for evaluating its potential production in CEA and to assess the feasibility of using novel agronomic inputs such as plant biostimulants to enhance yields in greenhouse and growth chamber. The work demonstrated how this species is compatible for space farming purposes, adapting well to relative short cycles in CEA condition to produce young plants with high prebiotic value and additionally, delved into the impact of employing plant biostimulants under partial or full controlled environmental conditions. Moreover, the thesis described a further research activity that aimed at investigating: a) ways to increase the accumulation of vitamin C in Eruca vesicaria (rocket) leaf via management of the light environment and b) the study of the biochemical control of such modification of ascorbate metabolism. The experiment demonstrates the feasibility of managing light resources through straightforward strategies to enhance crop quality. The low-intensity continuous blue light treatment (48 μmol m−2 s−1) enabled a doubling of vitamin C pool in hydroponically grown rocket, trough enhanced activity of the main biosynthetic pathway rather than the recycling pathway.
Nel prossimo decennio, sono previste significative sfide nel campo dell'esplorazione spaziale. Per supportare la vita umana nello spazio, è fondamentale utilizzare la dieta come strumento per mantenere la salute degli astronauti, migliorare la resilienza ai fattori di stress legati allo spazio e, in ultima analisi, le loro prestazioni per garantire il successo della missione. Per affrontare tali esigenze, è cruciale l'implementazione di sistemi biorigenerativi di supporto alla vita (BLSS), che includono compartimenti di produzione di cibo in-situ che sfruttano tecnologie agronomiche avanzate. L'obiettivo di questa tesi è contribuire agli avanzamenti scientifici focalizzati sull'ottimizzazione dell'utilizzo delle risorse nell'agricoltura in ambiente controllato (CEA), mirando a migliorare la qualità delle specie orticole in termini di accumulo di composti fitochimici, inclusi vitamine, antiossidanti e prebiotici, fondamentali per la nutrizione nello spazio. La maggior parte del lavoro descritto in questa tesi è stata condotta nell'ambito del progetto 'Microgreens x Microgravity' – “Microx2”, finanziato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Gli esperimenti condotti avevano lo scopo di: 1) identificare le specie di microgreens più adatte per la coltivazione nello spazio e per soddisfare i bisogni nutrizionali dell'equipaggio di volo; 2) definire i parametri ambientali, inclusa l'intensità luminosa, la temperatura e l'umidità relativa (VPD), idonei a massimizzare l'efficienza delle risorse nel migliorare le prestazioni produttive e qualitative; 3) definizione di protocolli tecnici, inclusa la selezione del substrato e la gestione della soluzione nutritiva, mirati a massimizzare l'efficienza delle risorse e ottimizzare le prestazioni produttive e qualitative specifiche delle specie. Attraverso lo sviluppo e l'uso di un algoritmo di selezione basato su comparazioni oggettive, sono state identificate le due migliori specie di microgreens per la coltivazione nello spazio: Raphanus raphanistrum subsp. sativus ‘Saxa’ e Brassica oleracea var. capitata f. sabauda ‘Vertus’. La variabilità nella risposta produttiva e qualitativa, delle due specie selezionate, alle condizioni di crescita sperimentali testate, sottolinea la necessità di un controllo preciso delle condizioni di crescita e di una conoscenza approfondita su come gestirle al fine di produrre fitonutrienti mirati come la vitamina C. I dati generati dalle attività di Microx2 hanno contribuito a definire le componenti hardware e software per un sistema CEA modulare, automatico e intelligente progettato per supportare attività di ricerca e produzione all'interno della Stazione Spaziale Internazionale. Oltre agli esperimenti condotti nell’ambito del progetto Microx2, questa tesi si focalizza sull'accumulo di composti prebiotici come l'inulina in piante di Chicorium intibus, per valutarne la potenziale produzione in CEA e valutare la fattibilità dell'uso di nuovi input agronomici come biostimolanti vegetali per migliorare la produttività in serra e in camera di crescita. Il lavoro ha dimostrato come questa specie sia compatibile per scopi di space farming adattandosi bene a cicli relativamente brevi in condizioni di CEA attraverso la produzione giovani piante con un elevato valore prebiotico e, inoltre, approfondisce l'impatto dell'impiego di biostimolanti vegetali in condizioni ambientali parzialmente o totalmente controllate. In fine, la tesi descrive una ulteriore attività di ricerca che mira a investigare: a) strategie per aumentare l'accumulo di vitamina C nella foglia di Eruca vesicaria (rucola) mediante gestione dello spettro luminoso e b) il controllo biochimico di tale modifica del metabolismo dell'acido ascorbico. L'esperimento dimostra la fattibilità di gestire le risorse luminose attraverso strategie semplici e sostenibili per migliorare la qualità delle colture. Il trattamento con bassa intensità di luce blu continua (48 μmol m−2 s−1) ha permesso di raddoppiare il pool di vitamina C nella rucola, attraverso un aumento dell’attività biosintetica principale piuttosto che attraverso il pathway di recycling.
Additional information
Dottorato in Scienze delle Produzioni Vegetali e Animali
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