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. 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 человека предназначены для создания и поддержания благоприятных условий жизни на других планетах или в длительных космических полетах без зависимости от доставки грузов. Такие системы работают на принципах 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 БИОС-3 в России и «Лунный дворец» в Китае солома пшеница стала одним из основных растительных отходов. Её 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.
В замкнутых системах жизнеобеспечения растительные остатки можно употреблять для создания почвоподобного субстрата. Предварительные эксперименты показали, что он поддерживает жизнь растений, если сохраняется баланс между скоростями потребления минеральных элементов растениями из субстрата и их восстановления микроорганизмами из растительных остатков. Однако в условиях системы жизнеобеспечения 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 усвояемых 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 подавляющее воздействие на растения. И чем больше была недоокислена солома, тем выше концентрация таких веществ. Полностью окисленная солома увеличила урожайность в три раза. Это связано с повышением содержания доступного азота в субстрате, а также калия, фосфора и серы.
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 научный сотрудник Института биофизики Красноярского научного центра СО РАН кандидат биологических наук Владимир Владимирович Величко.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
Фото: Ирина Билай
