Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Целью работ по проекту в 2017 году являлась подготовка дополнительных технологий и устройств для их реализации, предназначенных для создания условий длительного (до 11 месяцев) круговоротного процесса в экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) с расчетной долей (около 6 %) присутствия человека. Такие условия должны обеспечить минимизацию накопления поллютантов в системе, симптоматика появления которых была зарегистрирована после нескольких месяцев работы ЭМЗЭ в режиме замыкания при выполнении проекта 2014, повысить степень замкнутости отдельных химических элементов, увеличить фотосинтез и продуктивность растений фототрофного звена. В этой связи работа по проекту в 2017 году была нацелена на разработку технологий, способных исключить факторы, которые могут нарушить протекание круговоротных процессов в течение длительного (до 11 месяцев) функционирования ЭМЗЭ. К таким факторам в первую очередь следует отнести развитие патогенной микрофлоры и образование токсикантов химической природы. В связи с этим были испытаны ультрафиолетовые (УФ) проточные облучатели, предназначенные для обеззараживания питательных растворов и воздуха при их пропускании через специальные кюветные отделения с УФ лампами. Тестовые испытания этих устройств с использованием фитопатогенных грибов р. Fusarium показали возможность полного уничтожения конидий грибов, а также бактериальных клеток. Зарегистрированное при выполнении проекта 2014 медленное накопление поллютантов, если не предпринять специальных мер, может привести к разрушению круговоротного процесса и гибели системы при длительном (более шести месяцев) режиме замыкания Для минимизации накопления в системе газовых поллютантов был разработан и изготовлен специальный газовый контур с системой каталитической очистки атмосферы ЭМЗЭ от летучих углеводородов. Эксперименты показали, что такая летучая органика за счет работы катализатора может окисляться до углекислого газа и воды, которые являются экологически чистыми соединениями и легко встраиваются в круговоротный процесс в ЭМЗЭ. Для исключения источников образования газов, сопутствующих анаэробному окислению органики в системе была разработана технология, обеспечивающая интенсивную аэрацию корневой зоны растений. В частности, были разработаны технологии, повышающие разрыхление почвенного субстрата с созданием системы принудительной вентиляции прикорневой зоны.Это исключило возможности образования газов анаэробного происхождения в почве и обеспечило благоприятные условия для фотосинтеза растений. Разработаны методические подходы для эффективного микробиологического мониторинга корневой зоны растений, растущих на нейтральном субстрате. Разработана техника регулярного отбора микробиологических проб раствора из ризосферной зоны растений, выращиваемых методом гидропоники на питательных растворах, приготовленных на основе жидких продуктов минерализации. Были выполнены исследования по поиску мест депонирования химических соединений, содержащих биогенные элементы, характеризующиеся пониженной степенью замкнутости в круговоротном процессе ЭМЗЭ. В частности, было экспериментально показано, что фосфор может накапливаться в порах керамзита и выпадать из круговоротного процесса, в связи с чем был апробирован нейтральный беспористый субстрат и проведено сравнение содержания фосфора в питательных растворах при выращивании растений пшеницы на беспористом субстрате и на керамзите. Исследования показали, что в связи с накоплением ионов фосфора в керамзите, условия минерального питания растений становятся неконтролируемыми, поскольку неизвестно, доступны ли ионы, находящиеся в порах керамзита, для поглощения растениями и в каком количестве. В этой связи для повышения коэффициента замыкания по фосфору целесообразно заменить используемый ранее субстрат керамзит на беспористый субстрат. В связи с низким коэффициентом замыкания по натрию в проекте 2014, был сделан вывод, что в проекте 2017 необходимо изменить технологическую цепочку по включению хлорида натрия в массообмен. Было предположено, что данную проблему можно решить за счет увеличения длительности вегетационного периода при выращивании соленакапливающих растений солероса европейского. С учетом этого, эксперименты показали, что растения смогли поглотить 93% натрия, 99 % калия и 97 % фосфора от его содержания в растворе. В результате проведенного эксперимента было показано, что увеличение длительности вегетационного периода растений солероса европейского приводит к повышению коэффициента замыкания по натрию, а также по калию по сравнению с проектом 2014. Таким образом, в процессе работ по проекту в 2017 году предложена методика проведения химических анализов, характерных для несменяемых питательных растворов на основании опыта их использования в ранее созданных биолого-технических системах. Предложена методика микробиологических анализов раствора из ризосферной зоны растений, выращиваемых методом гидропоники на питательных растворах, приготовленных на основе жидких продуктов минерализации органических отходов. Определён круг потенциально опасных микроорганизмов, способных к росту в ЭМЗЭ. Экспериментальным путём установлено, что наиболее опасным микробиологическим объектом с точки зрения продуктивности растений являются фитопатогенные грибы р. Fusarium. Поэтому все разрабатываемые установки и технологии обеззараживания тестировались при использовании этого объекта. Был выполнен комплекс инженерно-технических работ, расширивших возможности экспериментальных исследований в ЭМЗЭ. В частности, для повышения надежности работы системы сбора информации и в связи с переходом на более современную аппаратную платформу, была произведена замена сервера регистрации параметров систем и обновлено программное обеспечение. Для предотвращения потенциально возможного инфицирования растворов растений патогенной микрофлорой в установку были встроены специальные проточные ультрафиолетовые стерилизаторы Aquapro UV-S для дезинфекции питательного раствора с помощью УФ-излучения. Для защиты от потенциально возможного появления спор патогенной или условно патогенной микрофлоры в установку были встроены бактерицидные УФ-рециркуляторы (Сибэст - 20 с системой Ресурс), дезинфицирующие атмосферный воздух. Кроме того, более мощные бактерицидные УФ-рециркуляторы (Сибэст - 300 с системой Ресурс) были установлены вблизи вегетационных камер для профилактики и предотвращения заноса из внешней среды в ЭМЗЭ посторонней микрофлоры. В целом, ЭМЗЭ была подготовлена и обновлена для выполнения планов проекта в 2018 году. С этой целью разработанные в 2017 году методические подходы и технологии взяты за основу при работе с ЭМЗЭ в 2018 году, а их приборное обеспечение встроено в созданную в проекте 2014 ЭМЗЭ. Обновленная ЭМЗЭ апробирована в тестовом режиме эксплуатации в течение одной недели, при этом откорректированы отдельные технологические процессы, и ЭМЗЭ запущена в режим длительного функционирования (до 11 месяцев). С публикацией средств массовой информации о работе по данному проекту можно ознакомиться на сайтах: https://ria.ru/science/20171127/1509653794.html http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=2536f2bb-3cd4-4197-8432-7d9f77ee5815#content

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
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