El projecte MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) de l'Agència Espacial Europea (ESA) és un ecosistema artificial concebut com una eina per estudiar i desenvolupar la tecnologia per a sistemes de suport de vida biològics requerits per a missions tripulades de llarga durada a l'espai. El fet que el projecte internacional MELiSSA es desenvolupa en cooperació amb organitzacions de diferents països ha permès que el treball experimental d'aquesta tesi es realitzés part a la Planta Pilot MELiSSA (MPP), ubicada a la Universitat Autònoma de Barcelona (Spain), i part a Controlled Environmental Systems Research Facility de la University of Guelph (Canada). Inspirant-se en un ecosistema natural aquàtic, el bucle MELiSSA produeix aliments, aigua i oxigen a partir de la degradació dels residus orgànics (biomassa no comestible, femta, orina i CO2) utilitzant l'activitat combinada de diferents microorganismes i plantes superiors, que colonitzen cinc compartiments interconectats. L'objectiu d'aquesta tesi és avançar en el desenvolupament dels compartiments fotosintètics del bucle per tal de ser integrats a la MPP. Concretament, el treball s'ha estructurat en 3 unitats principals. I - Compartiment d'Arthrospira: S'han realitzat cultius en continu a diferents velocitats de dilució i intensitats lumíniques (seleccionades segons un disseny central composat tipus Box Wilson) per determinar els límits operacionals i la màxima productivitat del fotobioreactor a escala pilot d'Arthrospira. La productivitat més alta aconseguida fou de 27 mg·L-1·h-1 a una velocitat de dilució de 0.044 h-1 i 194 W·m-2. S'ha estudiat la resposta dels cultius davant de pertorbacions afectant el pH i els cabals de líquid i gas. De forma més detallada, s'ha avaluat l'efecte de l'amoni en la producció i composició de l'Arthrospira, determinant que per tal d'evitar l'inhibició del creixement d'Arthrospira cal mantenir les concentracions d'amoni a l'estat estacionari per sota de 5.6 mM.II - Compartiment de Plantes Superiors: S'han realitzat cultius de remolatxa i enciam dins de cambres de plantes estanques per obtenir dades de referència de productivitat, composició, consum de nutrients i fixació de carboni. La productivitat mitjana entre els 3 cultius en discontinu i els 2 en etapes és de 15.31 g dw·m-2·d-1 per remolatxa i de 13.85 g dw·m-2·d-1 per enciam. La mesura de la fixació neta de carboni és una bona tècnica per estimar el creixement i la producció de les plantes dintre les cambres sense utilitzar mètodes destructius. A més, s'ha provat que el consum de nutrients permet estimar el contingut mineral total dins la cambra utilitzant la producció de biomassa. També s'ha avaluat l'adequació d'un model fotosintètic per estimar la producció de biomassa dins la cambra. S'ha conclòs que el model hiperbòlic és adequat per descriure la resposta fotosintètica d'una fulla a diferents intensitats lumíniques. A més l'estimació dels corresponents paràmetres ha permès determinar que ni el rendiment quàntic (?), ni la velocitat fotosintètica màxima (Pmax) ni la velocitat de respiració (Rd) depenen de l'edat de la planta i únicament la Pmax depèn de la concentració de CO2.III - Integració dels Compartiments Fotosintètics:S'han dimensionat i dissenyat les cambres de plantes que s'integraran pròximament a la MPP. Les 3 cambres de plantes amb una àrea de producció de 5 m2 cada una tindran una producció de biomassa comestible (remolatxa, enciam i blat) equivalent al 20% dels requeriments diaris d'un humà. La configuració seleccionada (una cambra allargada amb dues subcàmares estanques a cada banda) permetrà obtenir una producció semicontínua de biomassa i assegurar d'estanqueïtat del sistema. Finalment, s'ha avaluat l'impacte de la integració dels compartiments fotosintètics a la MPP desenvolupant un model que permet calcular els balanços de nitrogen, CO2 i O2 dins del bucle i determinar en quines condicions és possible aconseguir el tancament dels mateixos. / The MELiSSA project (Micro-Ecological Life Support System Alternative) of the European Space Agency is an artificial ecosystem conceived as a tool to study and develop technology for a future biological life support system required for long term manned space missions. The fact that the MELiSSA project is formed by several independent organizations of different countries made possible that part of the experimental work of this thesis was carried out in the MELiSSA Pilot Plant (MPP) located at Universitat Autònoma de Barcelona (Spain) and the Controlled Environmental Systems Research Facility located at University of Guelph (Canada). Based on the principle of an aquatic ecosystem, MELiSSA aims to produce food, fresh water and oxygen from organic wastes (inedible biomass, faeces, urine and CO2) using the combined activity of several microorganisms and higher plants, which colonize five interconnected compartments. The main contribution of this thesis is in the engineering of the photosynthetic compartments and their integration into MPP. Particularly, the work has been structured in the following three main units.I - Arthrospira Compartment: Several continuous cultures have been carried out at different dilution rates and light intensities, planned using a Box-Wilson Central Composite Design, to determine the operational limits and maximum productivity of Arthrospira pilot plant photobioreactor. The highest Arthrospira productivity attained is 27 mg·L-1·h-1 at a dilution rate of 0.044 h-1 and a light intensity of 194 W·m-2. Disturbances of normal operating conditions affecting pH, liquid and gas flow rate influence Arthrospira growth has been studied. The effect of ammonium on Arthrospira production and composition has been evaluated in detail and it is determined that to avoid inhibition of the Arthrospira growth, the steady-state ammonium concentration must be lower than 5.6 mM.II - Higher Plant Compartment: Three batch and two staggered cultures in sealed environment chambers have been performed to collect baseline data of productivity, tissue composition, nutrient uptake and canopy photosynthesis from beet and lettuce trials. The mean total plant productivity among batch and staggered cultures is 15.31 g dw·m-2·d-1 for beet and 13.85 g dw·m-2·d-1 for lettuce. The net carbon exchange rate technique is a good alternative to classical growth analysis for estimating plant growth and production inside the chamber without using destructive analyses. In addition to this, the ionic uptake of the nutrient solution has been proven to be a good predictor of total canopy mineral content using the estimated biomass. Moreover, the photosynthetic study performed at leaf level has contributed to estimates of light energy related parameters for the canopy model. The rectangular hyperbola model is suitable in defining the leaf photosynthetic response to light at different CO2 levels and crop ages. No significant differences are detected for the quantum yield (?) and dark respiration rate (Rd) among CO2 levels, but in contrast, the maximum photosynthetic rate (Pmax) was found to depend on CO2 concentration. Moreover, it is observed that that ?, Pmax and Rd values remain constant through crop development. III - Photosynthetic Compartments Integration:The HPC prototype to be integrated into the MPP has been designed. It is concluded that 3 HPC prototypes with 5 m2 of growing area each, will be constructed to provide 20% of the daily crew diet with beet, lettuce and wheat. The selected configuration, an elongated chamber with two air-locks at each end, allows the semi-continuous biomass production while ensuring gas environment isolation. Finally, the impact of the integration of the photosynthetic compartments into the MPP has been evaluated using a static mass balance model for assessing the nitrogen, CO2 and O2 balances, while determining the conditions under which the closure of the mass balances can be expected.

Les challenges posés par les missions d’exploration du système solaire sont très différents de ceux de la Station Spatiale Internationale, puisque les distances sont beaucoup plus importantes, limitant la possibilité de ravitaillements réguliers. Les systèmes support-vie basés sur des plantes supérieures et des micro-organismes, comme le projet de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) permettront aux équipages d’être autonomes en termes de production de nourriture, revitalisation de l’air et de recyclage d’eau, tout en fermant les cycles de l’eau, de l’oxygène, de l’azote et du carbone, pendant les missions longue durée, et deviendront donc essentiels.La croissance et le développement des plantes et autres organismes biologiques sont fortement influencés par les conditions environnementales (par exemple la gravité, la pression, la température, l’humidité relative, les pressions partielles en O2 et CO2). Pour prédire la croissance des plantes dans ces conditions non-standard, il est crucial de développer des modèles de croissance mécanistiques, permettant une étude multi-échelle des différents phénomènes, ainsi que d’acquérir une compréhension approfondie de tous les processus impliqués dans le développement des plantes en environnement de gravité réduite et d’identifier les lacunes de connaissance.En particulier, les échanges gazeux à la surface de la feuille sont altérés en gravité réduite, ce qui pourrait diminuer la croissance des plantes dans l’espace. Ainsi, nous avons étudié les relations complexes entre convection forcée, niveau de gravité et production de biomasse et avons trouvé que l’inclusion de la gravité comme paramètre dans les modèles d’échanges gazeux des plantes nécessite une description précise des transferts de matière et d’énergie dans la couche limite. Nous avons ajouté un bilan d’énergie au bilan de masse du modèle de croissance de plante déjà existant et cela a ajouté des variations temporelles sur la température de surface des feuilles.Cette variable peut être mesurée à l’aide de caméras infra-rouges et nous avons réalisé une expérience en vol parabolique et cela nous a permis de valider des modèles de transferts gazeux locaux en 0g et 2g, sans ventilation.Enfin, le transport de sève, la croissance racinaire et la sénescence des feuilles doivent être étudiés en conditions de gravité réduite. Cela permettrait de lier notre modèle d’échanges gazeux à la morphologie des plantes et aux allocations de ressources dans une plante et ainsi arriver à un modèle mécanistique complet de la croissance des plantes en environnement de gravité réduite. / Challenges triggered by human space exploration of the solar system are different from those of the International Space Station because distances and time frames are of a different scale, preventing frequent resupplies. Bioregenerative life-support systems based on higher plants and microorganisms, such as the ESA Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project will enable crews to be autonomous in food production, air revitalization, and water recycling, while closing cycles for water, oxygen, nitrogen, and carbon, during long-duration missions and will thus become necessary.The growth and development of higher plants and other biological organisms are strongly influenced by environmental conditions (e.g. gravity, pressure, temperature, relative humidity, partial pressure of O2 or CO2). To predict plant growth in these non-standard conditions, it is crucial to develop mechanistic models of plant growth, enabling multi-scale study of different phenomena, as well as gaining thorough understanding on all processes involved in plant development in low gravity environment and identifying knowledge gaps.Especially gas exchanges at the leaf surface are altered in reduced gravity, which could reduce plant growth in space. Thus, we studied the intricate relationships between forced convection, gravity levels and biomass production and found that the inclusion of gravity as a parameter in plant gas exchanges models requires accurate mass and heat transfer descriptions in the boundary layer. We introduced an energy coupling to the already existing mass balance model of plant growth and this introduced time-dependent variations of the leaf surface temperature.This variable can be measured using infra-red cameras and we implemented a parabolic flight experiment, which enabled us to validate local gas transfer models in 0g and 2g without ventilation.Finally, sap transport needs to be studied in reduced gravity environments, along with root absorption and leaf senescence. This would enable to link our gas exchanges model to plant morphology and resources allocations, and achieve a complete mechanistic model of plant growth in low gravity environments.