Stworzymy ekosystem w kosmosie

Stworzymy ekosystem w kosmosie
Długoterminowe ekspedycje kosmiczne, takie jak loty na Księżyc czy
Marsa, oprócz ogromnych nakładów energii, wymagają odpowiedniego
systemu podtrzymującego życie załogi, którego zadaniem jest
zagospodarowanie odpadów, zapewnienie pożywienia i odpowiedniej
atmosfery oraz ochrona przed promieniowaniem. Podczas planowanej
trzyletniej podróży na Marsa zapewnienie takich podstawowych elementów
jak woda, jedzenie i tlen dla sześcioosobowej załogi oznacza dodatkowy,
trzydziestotonowy bagaż i konieczność jego przechowywania. Okazuje się,
że problem ten można rozwiązać zabierając ze sobą… ekosystem.
MELiSSA (ang. Micro-Ecological Life Support Alternative) to interdyscyplinarny,
międzynarodowy projekt wykorzystujący sztucznie stworzony ekosystem złożony z
mikroorganizmów i roślin wyższych jako narzędzie do stworzenia odtwarzalnego
systemu podtrzymującego życie podczas długoterminowych misji kosmicznych.
Główne zadania MELiSSA to odtworzenie jadalnej biomasy z odpadów i ścieków w
procesie fotosyntezy, a także tworzenie atmosfery i oczyszczanie wody. Działanie
systemu opiera się na zasadach funkcjonowania ekosystemów wodnych, gdzie
poszczególne grupy organizmów tworzą naturalną pętlę zależności. W skład tak
zwanej pętli MELiSSA wchodzi pięć kompartmentów zamieszkałych kolejno przez
termofilne bakterie beztlenowe, bakterie fotoheterotroficzne, nitryfikujące,
fotosyntetyzujące, rośliny wyższe oraz załogę.
W kompartmencie I, zwanym skraplającym, następuje biodegradacja ścieków i
stałych odpadów, które rozkładane są do amoniaku, wodoru, dwutlenku węgla
oraz kwasów tłuszczowych i minerałów. W skład tego przedziału wchodzą
konsorcja beztlenowych termofilnych mikroorganizmów wyizolowanych z
naturalnych środowisk, rozkładające między innymi białka, cukry, celulozę i
ksylan. W celu zwiększenia wydajności degradacji lignin do mieszanki dodano
także grzyby z rodzaju Pleurotus. Kompartment II, zwany mineralizującym,
zawiera fotoheterotroficzną niesiarkową bakterię purpurową Rhodospiryllum
rubrum i odpowiedzialny jest za eliminację produktów pochodzących z
poprzedniego przedziału. Kompartment III, inaczej utleniający, zawiera bakterie
nitryfikujące z rodzaju Nitrosomonas i Nitrobacter, które utleniają otrzymany
wcześniej amoniak do azotanów będących przyswajalnym źródłem azotu dla
występujących w kompartmencie IVb roślin wyższych. W części IVa znajdują się
dodatkowo fotosyntetyzujące sinice Arthrospira platensis. Kompartment IV
odpowiada za wykorzystanie dwutlenku węgla, produkcję pożywienia, uzdatnianie
wody oraz regenerację tlenu dla załogi. Przedział IVb zawiera 8 jadalnych roślin:
pszenicę, pomidory, ziemniaki, soję, ryż, szpinak, cebulę i sałatę. Sinice również
stanowią część jadalnej biomasy. Arthrospira od wieków wykorzystywana jest jako
źródło pożywienia w wielu regionach świata, a także dostępna jest w aptekach
pod nazwą Spirulina.
Pierwsza faza projektu stanowi część badawczo-rozwojową, w czasie której
optymalizowany jest skład poszczególnych kompartmentów, badany jest obieg
pierwiastków, a także opracowywane są parametry poszczególnych bioreaktorów
oraz zwiększana jest wydajność zachodzących procesów (która w każdym
kompartmencie wynosi dziś ponad 70%). Warunki panujące w ekosystemie w
przestrzeni kosmicznej, mimo wielu przystosowań, różnią się od warunków
naturalnych, ze względu na ograniczony skład i objętość poszczególnych nisz,
ściśle regulowany dopływ i odpływ substancji, a także sztuczną grawitację i inny
zakres promieniowania UV i promieniowania jonizującego. Wstępna ocena
wpływu warunków pozaziemskich na działanie systemu dokonywana jest w
przebiegającej równolegle fazie drugiej projektu. Faza trzecia obejmuje
konstrukcję i testowanie rozwiązań fazy pierwszej w warunkach ziemskich i
pozaziemskich, między innymi w ośrodkach w Barcelonie i na Antarktyce. Faza
czwarta to etap doskonalenia technologii, takich jak nowoczesne techniki
tworzenia biofilmu czy sensory biomasy.
Swój wkład w badaniach systemu MELiSSA ma także polska grupa naukowców z
Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii w Gdańsku, zajmująca się analizą
genomu sinic użytych w projekcie. Obecnie trwają badania nad wpływem
środowiska pozaziemskiego na strukturę genomu Arthrospira. Zwiększone
promieniowanie jonizujące i UV oraz mikrograwitacja mogą być przyczyną
potencjalnych mutacji i zaburzać metabolizm sinic oraz innych użytych
organizmów. Dlatego bardzo ważne staje się badanie podłoża genetycznego
czynników istotnych dla bezpieczeństwa załogi, czyli jakości substancji
odżywczych, potencjalnych zmian toksycznych i zdolności do produkcji tlenu. W
tym celu konieczne jest poznanie kompletnej sekwencji genomu Arthrospira.
Sekwencjonowanie genomu sinic z użyciem dwóch równoległych metod – metody
Sangera i pirosekwencjonowania, jakkolwiek niełatwe ze względu na trudności w
izolacji DNA tych organizmów, dobiega końca. Obecnie bakterie poddawane są
testom w warunkach lotu kosmicznego.
To ogromne przedsięwzięcie, skupiające laboratoria z całego świata, ma szansę
zaowocować planowanym lotem na Marsa około 2030 roku.
Monika Kossakowska
Źródła:
http://www.esa.int/SPECIALS/Melissa/index.html
http://nauka.trojmiasto.pl/Sinice-wyslemy-na-Marsa-i-zjemy-je-n35644.html
Bioreaktor do hodowli sinic
Data publikacji: 16.08.2011r.