Группа учёных из Космического центра имени Маршалла NASA в Хантсвилле (штат Алабама), начала борьбу с быстрорастущими колониями бактерий или грибков, известных как биоплёнка, выступающими в качестве потенциальной угрозы будущим космическим миссиям.
Биоплёнка возникает, когда бактерии или грибки вырабатывают слизистую матрицу «внеклеточных полимерных веществ», чтобы защититься от неблагоприятных факторов окружающей среды. Она присутствует повсеместно — от прудов до ванн. Но в условиях космоса биопленка становится более устойчивой.
«Бактерии переносят многие сложности, с которыми люди сталкиваются в космосе, такие как микрогравитация, перепады давления, ультрафиолетовое излучение и даже радиация», — сказала Йо-Энн Велес-Хустиниано, микробиолог и инженер систем контроля окружающей среды в Маршалле.
Ввиду потенциальной угрозы биоплёнки для космических кораблей и лунных обиталищ NASA поручило инженерам и химикам в Маршалле найти способы её устранения. Этот центр отвечает за систему контроля окружающей среды и жизнеобеспечения МКС и разрабатывает технологии для очистки и переработки воздуха и воды, включая резервуар для сточных вод.
«Резервуар для сточных вод находится «выше по течению» от большинства систем очистки воды. Поскольку это резервуар подачи сточных вод, бактерии и грибки хорошо развиваются там, образуя достаточно биоплёнки, чтобы засорить протоки и трубы», — сказал Эрик Бейтл, инженер по испытаниям системы в Маршалле.
До сих пор решением была замена старого оборудования, когда биоплёнка образовывала засоры. Но инженеры хотят избежать такой необходимости.
«Даже при возможности печатать запасные части на 3D-принтере на Луне или Марсе, имеет смысл изначально найти стратегии, которые предотвращают образование биоплёнки», — сказала Велес-Хустиниано.
Первым шагом для группы стало опубликование в июне 2023 года полной последовательности генома нескольких штаммов бактерий из системы очистки воды космической станции, которые способствуют образованию биопленки.
Источник: NASA / Eric Beitle
В новой фазе исследований они спроектировали стенд, имитирующий условия резервуара сточных вод на высоте 403 метра (250 миль). Он позволяет одновременно изучать несколько вариантов. Стенд вмещает восемь биоплёночных реакторов CDC — цилиндрических устройств размером с бутылку для воды — каждый размером в 1/60 от фактического резервуара.
Каждый биореактор содержит до 21 уникального образца для тестирования на предметных стёклах, которые непрерывно промываются потоком настоящих или суррогатных сточных вод.
«По сути, мы построили набор миниатюрных систем, которые должны были допускать малейшие изменения температуры и давления, поддерживать стерильную среду и работать бесперебойно в течение нескольких недель с минимальным вмешательством человека», — сказал Бейтл.
В каждом биореакторе были испытаны различные стратегии смягчения, включая антимикробные покрытия и уровни температуры.
В одном многообещающем тесте использовалась ряска, — растение, известное своей способностью очищать воду и улавливать токсины. Пожирая питательные вещества выше по течению от биореактора, ряска лишала бактерии необходимого им для процветания, снижая рост биоплёнки до 99,9%.
За трёхмесячный период испытаний команды отбирали образцы из каждого биореактора и анализировали их под микроскопом, чтобы подсчитать количество единиц, образующих колонии биопленки.
«Бактерии и грибки могут приспосабливаться. Мы понимаем, что для преодоления этой проблемы потребуется сочетание эффективных методов», — сказала Велес-Хустиниано.
Биоплёнка представляет собой препятствие для длительных космических полётов и расширенных миссий на другие планеты, где запасные части могут быть дорогими или труднодоступными.
Команда продолжает оценивать результаты и публиковать их совместно с академическими и промышленными коллегами. Они также планируют провести полномасштабный эксперимент в резервуаре в Космическом центре имени Маршалла и лётные испытания в условиях микрогравитации на орбите.
Ключевой целью этих исследований является поиск решений, которые позволят сохранить поверхности чистыми, воду пригодной для питья и будущих участников длительных космических миссий здоровыми.