Астронавты используют бактерии и грибы для добычи металлов в космосе

Общеизвестно, что если человечество хочет исследовать дальний космос и жить и работать на других планетах, нам необходимо взять с собой земную среду. Это включает в себя системы жизнеобеспечения, использующие биологические процессы — так называемые биорегенеративные системы жизнеобеспечения (БЛЖС), — а также множество видов микроорганизмов, необходимых для жизни. Люди уже берут с собой микробы, когда отправляются в космос, в частности, на Международную космическую станцию (МКС). Эти микробы становятся частью естественной среды, прилипая к поверхностям, размножаясь в укромных местах и проникая повсюду.

Учитывая их постоянное присутствие, крайне важно понимать, как они выживают в космосе. Кроме того, у них есть потенциальные области применения, которые могли бы обеспечить большую самодостаточность в космосе. Например, некоторые виды бактерий и грибов извлекают минералы из горных пород в качестве источника питательных веществ. В недавнем исследовании на борту МКС ученые из Корнельского университета и Эдинбургского университета изучали, как эти виды можно использовать для извлечения платины из метеорита в условиях микрогравитации. Результаты показывают, что это может быть эффективным методом получения минеральных ресурсов в космосе и снижения зависимости от Земли.

Исследование возглавили Роза Сантомартино из Корнельского университета и Алессандро Стирпе из Корнельского и Эдинбургского университетов. К ним присоединились исследователи из Медицинского университета Граца в Австрии, Университета Райса, организации Cancer Research UK, Британского центра астробиологии при Эдинбургском университете, компании Kayser Space Ltd и Kayser Italia. Результаты их исследования были опубликованы в журнале npj Microgravity.

Данная работа являлась частью проекта BioAsteroid  совместного проекта Эдинбургского университета и Европейского космического агентства (ESA). Руководит этим проектом Чарльз Кокелл, профессор астробиологии Эдинбургского университета и один из ведущих авторов исследования. Кокелл и его коллеги разработали «биохимические реакторы», которые были развернуты на МКС в конце 2020/начале 2021 года для исследования того, как гравитация влияет на взаимодействие микробов и горных пород в условиях микрогравитации.

В этих реакторах содержались образцы L-хондритового астероида, обработанные бактерией Sphingomonas desiccabilis и грибом Penicillium simplicissimum. Эти микроорганизмы перспективны для добычи ресурсов, поскольку они продуцируют карбоновые кислоты, которые связываются с минералами и высвобождают их из горных пород. Однако механизм действия этого процесса до сих пор остается неясным. В связи с этим эксперимент также включал метаболомный анализ, в ходе которого часть жидкой культуры была экстрагирована и проанализирована на наличие биомолекул и вторичных метаболитов. 

«Это, вероятно, первый в своем роде эксперимент на Международной космической станции с метеоритом. Мы хотели сохранить подход, адаптированный под конкретные условия, но в то же время сделать его более универсальным, чтобы повысить его эффективность. Это два совершенно разных вида микроорганизмов, и они будут извлекать разные вещества. Поэтому мы хотели понять, что именно и как, но при этом сохранить результаты актуальными для более широкой перспективы, поскольку о механизмах, влияющих на поведение микроорганизмов в космосе, известно немного», - сказал Сантомартино.

Эксперимент проводился на борту МКС астронавтом НАСА Майклом Скоттом Хопкинсом, в то время как исследователи проводили свой собственный контрольный эксперимент в лаборатории. Это позволило им изучить, как эксперимент будет работать в условиях микрогравитации по сравнению с земной гравитацией. Затем Сантомартино и Стирпе проанализировали данные эксперимента, которые показали, что из 44 различных элементов 18 были извлечены в результате биологических процессов.

«Мы разделили анализ на отдельные элементы и начали задаваться вопросом: отличается ли процесс извлечения в космосе от земного? Извлекаются ли эти элементы эффективнее, когда присутствует бактерия или гриб, или когда присутствуют и то, и другое? Это просто шум, или мы можем увидеть что-то, что имеет смысл? Мы не видим существенных различий, но есть несколько очень интересных», - сказал Стирпе.

Их анализ показал, что микробы демонстрировали стабильные результаты как в условиях земной гравитации, так и в условиях микрогравитации. Однако он также выявил отчетливые изменения в микробном метаболизме, особенно в образцах грибов. В условиях микрогравитации грибы увеличили производство карбоновых кислот и других молекул, что привело к извлечению большего количества палладия, платины и других элементов. Между тем, эксперимент по небиологическому выщелачиванию оказался менее эффективным в условиях микрогравитации, чем на Земле.

«В этих случаях микроб сам по себе не улучшает экстракцию, а скорее поддерживает её на стабильном уровне, независимо от условий гравитации. И это справедливо не только для палладия, но и для других типов металлов, хотя и не для всех. Действительно, ещё один сложный, но, на мой взгляд, очень интересный результат заключается в том, что скорость экстракции сильно варьируется в зависимости от рассматриваемого металла, а также от микроба и условий гравитации», - сказал Сантомартино.

Этот эксперимент успешно продемонстрировал потенциал «биоминирования», которое может быть использовано будущими астронавтами при исследовании Луны и Марса. В дополнение к системам жизнеобеспечения, использующим цианобактерии и другие фотосинтезирующие организмы для очистки воздуха и выращивания съедобных водорослей, микробы и грибы могут быть использованы для извлечения минералов из местного реголита. Эти минералы, в свою очередь, могут быть использованы для производства строительных материалов для сооружений и инструментов, что позволит сократить количество поставок с Земли.

Кроме того, биодобыча имеет потенциальные применения здесь, на Земле, предоставляя биологический способ извлечения металлов в условиях ограниченных ресурсов или из отходов горнодобывающей промышленности. Эта технология также может привести к созданию биотехнологий, способствующих формированию безотходной, замкнутой экономики. Однако команда предупреждает, что необходимы дополнительные исследования, поскольку существует множество переменных и неопределенностей относительно влияния космоса на микроорганизмы.

«В зависимости от вида микроорганизмов, от условий в космосе, от методов, используемых исследователями, всё меняется», — сказал Сантомартино. «Бактерии и грибы настолько разнообразны, и условия в космосе настолько сложны, что в настоящее время нельзя дать однозначный ответ. Поэтому, возможно, нам нужно копнуть глубже. Я не хочу быть слишком поэтичным, но для меня в этом и заключается прелесть. Это очень сложно. И мне это нравится».