载人航天、月球 / 火星基地建设的核心挑战之一，就是资源闭环循环。地外环境中，从地球补给水资源成本极高，因此，原位水回收与循环利用系统已成为支撑太空任务不可或缺的关键环节。

地外生活废水（EDW）主要由湿气冷凝水、卫生洗涤废水与尿液组成，具有高氨氮、低碳氮比、酸性、多重胁迫等特征。脱氮问题是有效处理 EDW 的主要障碍。

目前 EDW 最先进的水处理方案以物化工艺为主，包括蒸汽压缩蒸馏、反渗透、催化氧化等，出水水质优异，但存在能耗高、设备体积重量大、对污染物和腐蚀环境敏感、耗材需要持续地面补给等短板。随着未来乘员规模扩大、任务周期拉长，物化系统的局限性会被持续放大，发展低能耗、可自我再生的生物处理技术成为行业共识。

膜曝气生物膜反应器 （MABR）是太空废水生物处理最具潜力的候选装备，无需重力沉降即可实现同步硝化反硝化。地面模拟实验证实 MABR 可以去除 90% 以上总有机碳，但脱氮效率仅 50‑65%。低碳氮比抑制异养反硝化、酸化环境抑制功能微生物活性、系统运行稳定性不足，是制约 MABR 在轨实际应用的三大瓶颈。

短程生物脱氮工艺（SCNR）理论上非常适配 EDW：跳过硝酸盐生成步骤，可节约约 25% 曝气能耗、减少 40% 有机碳需求。但传统工艺依靠环境压力原位筛选功能菌群，系统内会长期残留低丰度亚硝酸盐氧化菌（NOB），长期运行下 NOB 复苏，直接造成短程脱氮体系崩溃，对于可靠性要求极高的深空任务，该风险难以接受。

因此，文章提出自下而上人工构建合成微生物组（SynCom）的策略：在菌群组装源头直接剔除 NOB，只定向装配氨氧化细菌 （AOB）、反硝化功能菌株以及辅助功能菌，从源头规避 NOB 复苏风险。但即便近乎无菌的地外环境，依然存在设备、乘员微生物带来 NOB 污染，以及菌株适应性进化等潜在风险，这就需要一套强大的单细胞工具，支撑功能菌株挖掘、菌群构建、运行全过程预警监控。

FIG 1 地外受控生态生命支持系统（CELSS）示意图，重点展示了"食物-空气-水"闭环循环过程以及水循环系统的生物处理模块

文章勾勒出完整技术工作流：

1

胁迫功能菌定向挖掘

将接种物置于模拟 EDW 胁迫条件，添加稳定同位素探针（重水，D₂O），代谢活跃的细胞会在胞内生物大分子中引入氘（D），产生 C‑D 特征拉曼峰。

借助拉曼激活细胞分选（RACS），直接从群落中捕获具备抗逆活性的 AOB、反硝化菌单细胞，后续培养获得纯菌株，绕开漫长富集驯化流程。

2

合成微生物组组装与验证

将筛选得到的抗逆功能菌株组装合成菌群，微孔板水平验证短程脱氮性能，再接入 MABR 反应器开展系统级别测试。

3

在轨运行实时预警与智能调控

SCRS 可捕捉细胞胁迫相关分子特征峰变化，在出水水质参数发生恶化之前，提前感知菌群生理异常。

结合机器学习，建立合成菌群的拉曼组健康指纹，实现故障预判、自适应工艺调控，构建基于单细胞代谢信息的数字孪生系统，支撑空间站、月球基地水资源回收的自主智能化运行。

同时建立 NOB 特征拉曼指纹库，一旦系统中检出 NOB 细胞，即可及时触发告警，守住短程脱氮系统稳定性底线。

FIG 2 (a) 借助单细胞拉曼光谱（SCRS）技术构建耐胁迫合成菌群（SynCom）用于地外生活废水（EDW）处理的理论工作流程。(b) 借助 SCRS 技术优化微生物驱动的 EDW 处理系统

除航天场景之外，这套 “SCRS + 合成微生物组” 方案同样适用于地球极端分散式水处理场景：偏远社区、灾害应急营地等缺少药剂补给、能源受限的环境，可实现低维护闭环水循环，航天技术反哺地面水环境治理。

综述中这套技术体系，正是拉曼组技术的典型应用范式：在单细胞层面，无损读取细胞原位代谢表型，实现 “看表型‑分细胞‑可培养 / 可测序” 的完整流程。

星赛生物基于拉曼组原理，研发了高通量拉曼流式细胞分选仪 FlowRACS、拉曼微流细胞分选仪 RAMS、单细胞拉曼光镊分选仪 RACS‑Seq 等系列仪器，可完成稳定同位素标记下的微生物单细胞活性识别、目标功能细胞无损分选，获得活体细胞用于后续纯培养或者单细胞基因组解析，解决环境微生物 “难培养、群体结果掩盖个体异质性” 的痛点，为合成微生物组的菌种资源挖掘提供硬件支撑。

在污水生物处理方向，已有多项研究利用星赛生物的拉曼组技术平台，定向挖掘抗逆功能微生物，辅助工艺机理研究与菌种资源开发，与本文提出的 EDW 处理技术路线形成呼应。

利用拉曼流式技术，结合重水标记单细胞拉曼光谱技术，在单细胞尺度直观验证了群体感应驱动硝化螺菌代谢利他、选择性失活并稳定构建短程硝化的内在机制，破解了群落平均数据无法解释的菌群生理矛盾

Zhuang XL, et al., Nat Water, 2026（新闻）

利用重水标记单细胞拉曼光谱（D₂O‑RACS）技术直接从复杂活性污泥中识别、分选原位代谢安赛蜜的活体单细胞，高效分离获得安赛蜜降解菌株 Shinella sp. KJ01，支撑后续降解机制与生态分布解析工作

Yang PF, et al., Water Res, 2026, 306:126561

利用重水标记单细胞拉曼光谱技术，可以识别在人工湿地环境中具备原位短程反硝化功能的菌株单细胞，进而说明调控进水负荷是构建稳定、短程反硝化主导型微生物生态系统的关键实用方法，可为人工湿地实现稳健且可持续的脱氮效果提供支撑

Xie YW, et al., Bioresour Technol, 2026, 444:133899（新闻）

深空生命支持系统对微生物技术提出了极致严苛的要求，而单细胞拉曼光谱把监测维度从水质指标下沉到单细胞代谢生理层面，为合成微生物组的设计、构建、长期运维提供全新范式。航天领域的前沿探索，也将持续为地面环境生物技术带来创新启发。

星赛生物持续深耕拉曼组学与单细胞拉曼分析‑分选装备研发，面向深空生命支持、水处理、环境微生物、合成微生物组构建等科研及应用场景，可为高校、科研院所、航天与环保研发机构提供标准化仪器平台、配套数据分析方案与全套单细胞实验技术支撑，助力挖掘极端环境抗逆功能微生物、解析复杂菌群单细胞代谢异质性，支撑人工合成微生物组的设计、筛选与长效运行监测。

欢迎航天生命科学、环境科研团队、废水工艺研发单位开展技术交流与产学研合作，共同推进空间生物水处理技术与地面极端场景水环境生物技术的创新迭代。