Создание экспериментальной модели высокозамкнутой биолого-технической системы жизнеобеспечения человека для имитации круговоротных процессов применительно к автономным космическим станциям на Луне, Марсе и других небесных телах : отчет о НИР
Библиографическое описание:Создание экспериментальной модели высокозамкнутой биолого-технической системы жизнеобеспечения человека для имитации круговоротных процессов применительно к автономным космическим станциям на Луне, Марсе и других небесных телах : отчет о НИР / А. А. Тихомиров. - , 2018. - (Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами ; 17-14-00044). - Б. ц. - Текст : непосредственный.
Аннотация:В течение 2018 года основная задача работы по проекту заключалась в организации и поддержании длительного (до 11 месяцев) круговоротного процесса в экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ). С этой целью были использованы новые технологические приемы и методы разработанные и усовершенствованные за период работы по проекту в 2017 году. Перед началом длительных экспериментов по замыканию массообмена в ЭМЗЭ был выполнен комплекс работ по дальнейшему совершенствованию и расширению инженерно-технических возможностей автоматизации выполняемых операций, регистрации, контроля и хранения информационной базы данных. Все показатели параметров среды обитания в ЭМЗЭ были синхронизированы и доступны для экспорта в формате CSV файла для дальнейшего автоматизированного анализа. В процессе выполнения исследований был организован постоянный мониторинг состояния внутренней среды при использовании разработанных в 2017 году новых дополнительных технологий обеззараживания жидкой, твердой и газообразных фаз вещества, вовлекаемого в массообменный процесс в ЭМЗЭ. В частности, для профилактического обеззараживания питательного раствора для растений фототрофного звена был разработан режим его термической стерилизации. За счет использования этого метода было предотвращено заражение питательного раствора фитопатогенными грибами и бактериями в течение всего длительного эксперимента. Впервые при организации круговоротного процесса в замкнутой экосистеме был использован комбинированный корнеобитаемый почвоподобный субстрат (ППС) повышенной скважности. Такая скважность обеспечивалась включением в ППС стеклянных шариков, что обеспечило повышение аэрации корневой зоны растений и создало условия заметного повышения продуктивности растений. Для глубокой очистки газовой среды в ЭМЗЭ был создан специальный газовый контур, в котором за счет каталитической системы поллютанты углеводородной природы окислялись до воды и углекислого газа. В течение длительного эксперимента выполнялся мониторинг состояния растений, обеспечивающих основной вклад в поддержание круговоротных процессов по газообмену, водообмену, растительной пище, биогенным элементам. В результате анализа биохимического состава растений, выращенных в ЭМЗЭ в длительном эксперименте, было показано, что наиболее высокой питательной ценностью характеризовались зерно пшеницы и клубеньки чуфы. Главными источниками углеводов и липидов в ЭМЗЭ являлись растения пшеницы и чуфы по сравнению с остальными выращиваемыми культурами. Наряду с этим, наибольшее количество сырого протеина было в зерне пшеницы. Овощные культуры (редис, морковь и свекла) и салатные культуры (водяной кресс-салат, салат и солерос европейский), выращиваемые в ЭМЗЭ, характеризовались менее существенным вкладом в общее обеспечение исследуемыми биохимическими веществами. Растения, выращенные в ЭМЗЭ, могут обеспечить суточные потребности человека в углеводах на 5,8 %, в растительных жирах – на 15 %, в растительных белках – на 21,9 %. Проводился постоянный мониторинг круговорота воды в системе. Общее содержание воды в системе составляло 137, 6 л, а на долю воды, входящей в состав растений, приходилось около 6 %. Расход воды на прирост 1 г сухого вещества растений в ЭМЗЭ составлял 276 г H2O/г сухой массы. Поскольку часть растворов расходовалась на проведение анализов, количество воды, внесенной в блоки системы в сутки, было на 100 г больше по сравнению с количеством воды, выходящей с конденсатом.Особое внимание было уделено микробиологическому мониторингу воздушной среды ЭМЗЭ. Исследования показали, что выдыхаемый донорами воздух не содержал микроорганизмы, угрожающие функционированию системы и/или представляющие потенциальную опасность для человека. Численность культивируемых микроорганизмов в воздухе ЭМЗЭ в ходе эксперимента соответствовала типичному диапазону для жилых и общественных помещений. Главными источниками микрофлоры в воздухе служили микробное сообщество ППС, а также сапротрофные грибы, развивающиеся на отмершей биомассе пшеницы. Исследование статических и динамических характеристик микрофлоры в ЭМЗЭ показала, что общая численность бактерий в течение одного цикла выращивания варьировала в зависимости от фазы развития растений на 2 порядка (от 0,057 до 10,2 млн. клеток на 1 мл раствора из ризосферы, см. отчёт-2017). В течение цикла выращивания численность бактерий в ирригационном растворе, используемом для полива чуфы, варьировала в диапазоне 12,1-18,3 млн. клеток на 1 мл питательного раствора, численность бактерий в ирригационном растворе, используемом для полива овощей – в диапазоне 13,5-40,0 млн. клеток на 1 мл. Доля бактерий, способных к росту на стандартных питательных средах (культивируемых бактерий) на ППС составляет порядка 3-4% от общего числа бактерий, определяемого прямым счётом, что достаточно близко к аналогичному показателю для природных водных и почвенных экосистем. В растворах из ризосферы пшеницы доля культивируемых бактерий варьирует в диапазоне 10-37% от общей численности бактерий. Максимальная доля культивируемых бактерий наблюдается на ранних стадиях онтогенеза (14-суточные растения), затем она линейно падает, при этом минимум совпадает с максимумом общей численности бактерий в ризосфере, затем опять начинает расти. Молекулярно-генетические методы исследований микрофлоры в ЭМЗЭ показали, что культивируемые бактерии в ризосфере пшеницы представлены главным образом р.р. Acinetobacter, Pseudomonas, Micrococcus, Chryseobacterium, Kokuria. Культивируемые бактерии ризосфере овощей представлены в основном р.р. Paracoccus, Acinetobacter, Staphilococcus, Pseudomonas, в ризосфере чуфы – р.р. Bacillus, Enterobacter, Sphignomonas, Pseudomonas. Был исследован качественный и количественный состав соединений, жизненно важных для человека, которые были синтезированы в результате многократно повторяющегося массообменного процесса в ЭМЗЭ. В течение 45 недель эксперимента за счет периодического подключения дыхательной функции человека концентрация СО2 поддерживалась в диапазоне от 800 до 3000 ppm, средняя концентрация. СО2 за время проведения эксперимента была 1740 ppm, концентрация О2 менялась в пределах от 20,7 до 22,8%, средняя концентрация. О2 за время проведения эксперимента была 22%. Интенсивность видимого поглощения СО2 менялись от 700 до 2900 ммоль/сут, видимое выделение О2 находилось в пределах от 220 до 1500 ммоль/сут. Мониторинг состава газовых поллютантов в воздушной среде в первые 4 недели функционирования ЭМЗЭ показал превышение содержание метана, оксида азота, аммиака и этилена в воздушной среде ПДК в населенных пунктах (ГН 2.1.6.695-98 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. М.1998 г). При этом содержание этилена и аммиака превышало ПДК для ПКА (пилотируемые космические аппараты) (ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М. 1998 г.). Содержание СО было ниже ПДК в населенных пунктах. Содержание диоксида азота было ниже предела чувствительности газоанализатора для определения оксидов азота. После подключения физико-химической установки для очистки воздушной среды концентрация всех исследованных газов снизилась и стала или меньше ПДК в населенных пунктах (этилен и метан) или близка ПДК (аммиак). Исследования показали, что источниками газовых поллютантов в системе являются растения, воздух, выдыхаемый человеком, органические соединения, выделяющиеся при биоразложении растительных остатков в ППС, газовые выделения, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности червей и микроорганизмов. Кроме того, газовые поллютанты могут быть и техногенного характера. За счет предпринятого комплекса мер по совершенствованию технологических процессов удалось по ряду элементов и соединений увеличить коэффициенты замыкания у ряда элементов, которые в проекте 2014 имели пониженные значения. В частности, коэффициент замыкания для Na удалось повысить c 0,54 до 0,77, а для Р с 0,60 до 0,82.В целом, выполненные в 2018 году исследования по проекту показали успешные результаты по предотвращению развития негативных процессов в ЭМЗЭ, которые ведут к загрязнению газовой, жидкой и твердой фаз вещества, участвующего в массообменном процессе и препятствуют его высокой замкнутости, стабильности и долговременному функционированию.С публикацией средств массовой информации о работе по данному проекту можно ознакомиться на сайтах:http://www.vesti.ru/videos/show/vid/749172/cid/3201/https://chrdk.ru/sci/kosmicheskii-ogorod-svetyashchiesya-bakterii-i-peshekhodnoe-dvizhenie
