Разработка системы жизнеобеспечения человека для длительных космических миссий – один из наиболее известных проектов красноярских ученых. Очередным этапом в создании технологии полного замыкания биологического цикла стала работа по оптимизации переработки растительных остатков. Ученые предложили использовать полностью окисленную солому пшеницы для восполнения минеральных элементов в почвоподобном субстрате. Показано, что такой подход обеспечивает растения необходимыми питательными веществами и повышает урожайность. Результаты исследования опубликованы в журнале Life Sciences in Space Research.

Биолого-технические замкнутые системы жизнеобеспечения (СЖО) человека предназначены для создания и поддержания благоприятных условий для жизни на других планетах или в длительных космических полетах без зависимости от доставки грузов. Такие системы работают на принципах организации внутреннего круговорота с регенерацией кислорода, очисткой воды и производством пищи в результате биологических процессов.

Одним из главных источников питания и углеводов в системах жизнеобеспечения человека может быть пшеница, однако довольно большая часть биомассы этого растения не потребляется человеком. В результате, в уже проведенных экспериментах с СЖО БИОС-3 в России и «Лунный дворец» в Китае солома пшеница стала одним из основных растительных отходов. Солому довольно сложно переработать из-за ее химического состава и высокого содержания лигнина – «одеревеневших» растительных клеток, что является серьезным препятствием для повторного использования содержащихся в ней минеральных элементов для питания растений.

В замкнутых системах жизнеобеспечения растительные остатки можно использовать для создания почвоподобного субстрата. Предварительные эксперименты показали, что такой субстрат поддерживает жизнь растений, если сохраняется баланс между скоростями потребления минеральных элементов растениями из субстрата и их восстановления микроорганизмами из растительных остатков. Однако в условиях СЖО такой баланс трудно контролировать из-за биологических особенностей субстрата.

Исследователи из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» предложили использовать полностью окисленную до растворимых минеральных элементов солому пшеницы в качестве минеральной добавки к почвенному субстрату. Это позволило повысить продуктивность растений и стало основой для новой стратегии переработки растительных отходов в замкнутых системах жизнеобеспечения.

Перед добавлением соломы в почвоподобный субстрат её окисляли до усваиваемых форм под действием электрического тока в водном растворе перекиси водорода. Исследователи проверили разные степени разложения соломы. Добавление недостаточно окисленной соломы привело к девятикратному снижению урожайности культивируемых растений. По мнению ученых, это произошло из-за образования недоокисленных продуктов реакции, имеющие ингибирующее, подавляющее, воздействие на растения. И чем больше была недоокислена солома, тем выше их концентрация таких веществ в продуктах окисления. Полностью окисленная солома увеличила урожайность в три раза. Это связано с повышением содержания доступного азота в субстрате, а также таких минеральных питательных веществ как калий, фосфор и сера.

Такой подход при создании неограниченно долго работающей замкнутой системы порождает еще одну проблему. Для окисления большого количества соломы требуется много перекиси водорода, производство которой энергоемко. К тому же добавление полностью окисленной соломы может повредить основу почвоподобного субстрата, поскольку он состоит из смеси растительных отходов на различных стадиях своего разложения.

«Мы думаем о том, чтобы разделить солому на две части: одну можно полностью минерализовать перекисью водорода, а другую добавлять в субстрат для сохранения его структуры. Реализация этой стратегии станет целью дальнейших исследований по улучшению корневого питания растений, культивируемых на многократно используемых субстратах в системах жизнеобеспечения», – поделился планами Владимир Величко, кандидат биологических наук, научный сотрудник Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН.

Справочная информация:

Научно-исследовательский комплекс «Замкнутые экосистемы - БИОС» создан в рамках реализации программы «Биологические системы» в Институте биофизики СО РАН. Установка не имеет аналогов, она получила признание всех ведущих космических агентств и впервые в мире позволила в автономном режиме обеспечить жизнь экипажа из 2-3 человек в системе жизнеобеспечения в течение 4-6 месяцев за счет замыкания цикла по воде и газу почти на 100% и пище более чем на 50%.