согласовано - Координационный научно

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
«Культивирование микроводорослей в условиях микрогравитации»
Шифр «Фотобиореактор»
1.Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса
В настоящее время во всех развитых странах, обладающих космическими
технологиями, ведутся исследования и разработки стратегических технологий в интересах
развития пилотируемых космических комплексов для полетов к Луне, Марсу, другим телам
Солнечной системы и работы человека на планетных базах.
Одной из самых сложных систем пилотируемых комплексов является система
обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажей. Используемые в настоящее время СОЖ
основаны на физико-химических процессах регенерации атмосферы, воды, поддержания
ряда других параметров атмосферы.
Создание замкнутой компактной системы жизнеобеспечения космонавтов с
многократным оборотом основных её элементов и достаточно высоким коэффициентом их
регенерации является актуальной научной и инженерной задачей.
К настоящему времени большинство зарубежных и отечественных ученых пришло к
выводу, что для осуществления длительных полетов человека необходимо создание
системы обеспечения жизнедеятельности экипажей на основе биологического круговорота
веществ
за счет
совокупной
метаболической
деятельности животных, растений,
микроорганизмов и самого человека как части такой системы – биологической СОЖ
(БСОЖ), как некоторого подобия земного биоценоза.
За рубежом в настоящее время весьма активные работы по созданию компонентов
систем обеспечения жизнедеятельности с использованием биотехнологий (БСОЖ) ведутся
в рамках программы MELISSA Европейского космического агентства (ЕКА). Проект ЕКА
«Мелисса» представляет
разработку искусственной
экосистемы,
создаваемой
для
отработки регенеративной системы жизнеобеспечения долгосрочных полетов людей в
космос. Целями проекта являются получение пищевой биомассы, двуокиси углерода и
минералов из отходов, свет используется как источник энергии для биологического
фотосинтеза. Для реализации этих исследований в Испании в 2006-2010 годах построены
специальные
комплексы,
оснащенные
необходимым
оборудованием
как
для
культивирования организмов в условиях гермообъема, так и для их детального
исследования.
Аппаратура «Мелисса» имеет 5 отсеков, содержащих термофильные анаэробные
бактерии, фотогетеротрофные бактерии, нитрифицирующие бактерии, фотосинтетические
бактерии и более высокие растения.
В фотоавтотрофном отсеке осуществляется получение пищевой биомассы,
регенерация воды и кислорода. Этот отсек разделен на фотоавтотрофный отсек бактерий и
отсек высших растений, которые и усваивают диоксид углерода. В настоящее время
получено всего более 20 урожаев кандидатных продуцентов проекта «Мелисса».
В Японии работы по созданию БСОЖ ведутся с начала 80-х годов. В 2004 году в
Японии построен экспериментальный комплекс, предназначенный для создания замкнутого
цикла трансформации веществ на основе сочетания передовых физико-химических и
биологических технологий.
В Канаде в Университете Гвэлфа в 2005 году создан комплекс для проведения
исследований возможности культивирования высших растений в условиях пониженного
давления.
В США с 80-х годов ведутся работы по программе СELSS (Система поддержки
жизни с контролируемой экологией). В Космическом центре им. Дж.Кеннеди NASA были
начаты работы по созданию звена высших растений для БСОЖ. На базе Космического
центра им. Л.Джонсона NASA в 90-х годах были проведены экспериментальные
исследования с участием человека на основе разработанных технологий культивирования
высших растений в гермозамкнутых объемах.
Проблема
утилизации
угольной
кислоты,
образующейся
в
процессе
жизнедеятельности космонавтов, и пополнения кислорода в атмосфере корабля является
актуальной в процессе обеспечения длительных пилотируемых полетов. Показано, что
использование низших растений решает поставленные задачи.
В 2011-2012гг проведены исследования по созданию научно-технического задела по
БСОЖ нового поколения (инв. № 2344).
Показано, что использование низших растений решает задачу утилизации угольной
кислоты, образующейся в процессе жизнедеятельности космонавтов, и пополнения
кислорода в атмосфере корабля. Имеются данные , что среди массы микроводорослей,
применявшихся для исследований в качестве продукции кислорода для космических
полетов, подходят хлорелла и спирулина. Однако применение хлореллы в качестве
продукта питания для космонавтов не находит подтверждения.
В связи с имеющимися данными наиболее вероятным продуктом, для обеспечения
кислородом и продутом питания экипажа космического корабля при длительных полетах,
может служить спирулина.
2
В земных условиях
отработана технология получения спирулины платенсис в
качестве пищевой добавки, как источник белка и витаминов. Также проведены
эксперименты в земных условиях, которые показали, что в замкнутой по газу и воде
экосистеме
микроводоросли
могут обеспечивать человека кислородом и поглощать
Из экспериментальных
и литературных данных следует, что эффективное
углекислоту.
культивирование микроводоросли S.platensis в составе каскада аппаратов БСОЖ может
решить задачи обеспечения экипажей ПКК кислородом и полезным растительным
продуктом питания.
Показано, что величины продуктивности спирулины хорошо воспроизводятся даже в
примитивных условиях эксперимента. Более того, как следует из результатов: накопление
биомассы и выделение кислорода продолжается и в темные промежутки фотопериода.
Сформулированы основные требования к
микроводорослей.
Массогабаритные
аппаратуре для культивирования
характеристики
биотехнологического
аппарата,
пригодного к эксплуатации в составе СОЖ, а также его техническое и технологическое
оснащение требуют детальной конструкторской и экспериментальной проработки.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического полета
КЭ «Фотобиореактор» требуется для проверки правильности выбора технических,
технологических
и конструкционных решений
осуществления
культивирования
микроводорослей в условиях микрогравитации.
В лаборатории на Земле практически невозможно воспроизвести или смоделировать
условия,
необходимые
для
проверки
работоспособности
опытных
образцов
фотобиореактора и получения количественных параметров техпроцесса фотобиокатализа,
для последующего сопряжения и встраивания этого аппарата в систему СОЖ.
Для успешного решения задачи обеспечения экипажей ПКК кислородом и полезным
растительным продуктом питания, продвижения работ по созданию нового поколения
БСОЖ с использованием микроводоросли Spirulinium platensis необходимо:
- на первом этапе для быстрого достижения желаемых характеристик прототипа
аппарата, пригодного для использования в БСОЖ, целесообразно изготовить несколько
принципиально отличающихся экспериментальных образцов;
-отработать техпроцесс накопления биомассы спирулины для сравнительных
испытаний
фотобиореактора (штаммы микроводорослей, состав питательной среды,
световой спектр, баланс подачи и отбора газов, температурный режим);
3
- провести
наземные испытания
и отработку технологии получения биомассы
микроводорослей в условиях микрогравитации;
- на втором, используя результаты сравнительной оценки их работоспособности на
Земле и в Космосе, создать экспериментальный прототип аппарата, коммутируемый с
различными подсистемами СОЖ.:
- провести испытания
проведения
многократного
и изготовить опытный образец фотобиореактора для
культивирования
в
жидкой
питательной
среде
микроводорослей.
3. Описание КЭ
Основной
целью
эксперимента
«Фотобиореактор»
является
создание
фотобиореактора для проведения биотехнологических экспериментов и получения
продуктов питания и кислорода путём культивирования микроводорослей в условиях
микрогравитации.
3.1.Порядок проведения КЭ
Для проведения КЭ на борт доставляется
и используется
аппаратура
«Фотобиореактор» в составе: укладка «Биоплатформа» ; укладка «Биомодуль; укладка
«Питательная среда»; укладка «Кабели».
В ходе эксперимента член экипажа обеспечивает размещение содержимого укладки
«Биомодуль» и укладки «Питательная среда» на хранение в термостате ТБУ-В
при
температуре + 4 ± 2 0С и перенос на место проведения эксперимента и размещение внутри
устройства «Биоплатформа, активация процесса ; визуальный контроль за ходом процесса
(2 -20 дней в зависимости от циклограммы КЭ). После проведения каждого сеанса КЭ на
Землю возвращается: укладка «Биомодуль»; укладка «Питательная среда».
3.3.Технические особенности НА
Конструкция аппаратуры «Фотобиореактор» должна предусматривать возможность
дезинфекционной
обработки всех внешних поверхностей и отвечать требованиям по
герметичности.
4.Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными
отечественными и зарубежными исследованиями
Специалисты немецкого космического агентства DLR начали разработку модуля
космической оранжереи, который в будущем станет частью обитаемых космических
станций, находящихся на поверхности Марса, Луны и других космических тел.
Можно отметить, что идея создания космических оранжерей далеко не нова, ее, еще
4
в 1926 году в своих трудах выдвигал К.Э. Циолковский. С той поры, несмотря на
достаточно бурную деятельность человечества в космосе, идея создания космической
оранжереи так и не была реализована, все, что касается космического "сельского
хозяйства" ограничилось несколькими экспериментами по выращиванию растений на
борту Международной космической станции и других космических аппаратов. Новая
"биорегенеративная система жизнеобеспечения" DLR будет отличаться высоким уровнем
автоматизации и использованием большого количества самых современных технологий.
Опытный образец модуля космической оранжереи, согласно планам, будет проходить
испытания в жестких климатических условиях Антарктики в 2014 году.
В рамках программы Google Lunar X Prize, корпорация Paragon Space Development
разрабатывает проект герметичной мини-оранжереи, которая позволит вырастить на
поверхности луны первые растения. Важность этого проекта в рамках программы изучения
и колонизации Луны, которая уже освещалась на страницах нашего портала, трудно не
оценить. Ведь растения являются источником необходимого для дыхания кислорода и
утилизатором углекислого газа.
В России в области создания СОЖ ведутся разрозненные исследования в основном
для
текущего
сопровождения
пилотируемых
полетов
на
Российском
сегменте
международной станции.
В основном спирулина применяется в качестве биологической добавки в смеси с
различными компонентами. В сыром виде с некоторой натяжкой можно говорить о
потреблении микроводоросли при проведении в Институте биофизики (ОАН ССС при
создании экспериментального комплекса «Биос-3»).
В
экспериментальном
комплексе
«Биос-3»
проведен
ряд
гермо-камерных
экспериментов таких, как 45 – и суточный эксперимент с двухзвенной системой «человекмикроводоросли», 5-месячный эксперимент с двухзвенной системой «человек-высшие
растения», эксперимент длительностью 1,5 года с трехзвенной системой «человек –
микроводоросли - высшие растения».
В результате проведенных медико-технических экспериментов было показано, что
биологическая система жизнеобеспечения на основе одноклеточных водорослей и высших
растений полностью обеспечили экипаж кислородом, водой и растительной пищей.
Отрицательного воздействия среды обитания на организм испытателей не обнаружено.
Зарубежными учеными также проведены обширные наземные исследования по
обоснованию и созданию биолого-технических систем жизнеобеспечения экипажей
космических летательных аппаратов.
Создание пилотируемых комплексов для освоения космического пространства за
5
околоземными орбитами потребует объединения возможностей наиболее развитых стран.
Создание БСОЖ в России по собственным технологиям позволит дополнять
зарубежные
БСОЖ,
что
обеспечит
более
высокую
надежность
и
безопасность
пилотируемых полетов.
5.Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
5.1.Основными результатами КЭ будут следующие:
- данные о влиянии космического полета на параметры биотехнологического
процесса культивирования микроводоросли;
данные по производительности предлагаемой модели биореактора по биомассе и
-
кислороду;
- данные по применимости предлагаемой модели биореактора для культивирования
микроводорослей в условиях микрогравитации.
5.2. Полученные
исходные данные будут положены в
биотехнологического модуля обеспечения
продуктами питания и
основу создания
кислорода длительных
экспедиций .
6.
Обоснование
технической
возможности
создания
НА
с
заданными
характеристиками
Техническая возможность создания аппаратуры «Фотобиореактор» обосновывается
имеющимися образцами оборудования для культивирования микроорганизмов.
7.Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
7.1.Проведение эксперимента на борту МКС не должно создавать опасных ситуаций
для экипажа и МКС. На всю аппаратуру для проведения КЭ, включая биопрепараты,
доставляемую на МКС, должны быть оформлены сертификаты по безопасности.
7.2. Работы с микроводорослями должны проводиться в боксе.
Список цитируемой литературы
1. Тамбиев А.Х., Киримова Н.Н.,
селенсодержащего препарата
Мазо В.К., Скальный
А.В. Способ получения
биомассы спирулины. Патент № 96106889/13 .
11.20.1977. Общество с ограниченной ответственностью «Молекулярный центр
биологической медицины.
2. Малоземов В.В., Рожков В.Ф. , Правицкий В.Н. Система жизнеобеспечения
экипажей летательных аппаратов.//Изд. Машиностроение, 1986г. УДК 629.786.048.
6
3. Семенко В.Е. Молекулярно-биологические аспекты
эндогенной регуляции
фотосинтеза. //Физиология растений. 1978, 921 с.
4. Сычев В.Н. Результаты экспериментов с активной культурой
космическом
комплексе
«Салют-Союз»
//
Космическая
хлореллы на
биология
и
авиакосмическая медицина . Калуга, 1982, с. 192.
5. Терсков И.А., Гительзон И.И., Ковров Б.Г, и др. Замкнутая система: человек –
высшие растений. Новосибирск, «Наука», 1979.
6. Семенко В.Е. Фотосинтез и продукционный процесс.// Наука. М. 1976, с 68-81.
7. Шевцов А.А.
Ситников Н.Ю. Понамарев А.В. Конструкция фотобиореактора
пленочного типа для культивирования микроводоросли хлорелла.// Материалы
XLVIII отчетной научной конференции за 2009г. Воронеж, 2010г, с. 207.
8. Семенко В.Е., Владимирова М.Г. Влияние условий космического полета на корабле
–спутнике на сохранение жизнеспособности культуры
хлореллы. //Физиология
растений, 1961, 8 (6), с. 743- 749.
9. Ситников
Н.Ю.
культивирования
Управление
микроводоросли
автотрофным
(Spirulina
биосинтезом
platensis).
//Серия
в
процессе
«Технология
хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», 2011 № 4 , с. 1
10. Живая Спирулина. Киев. 2011. «Контекс», с.221.
11. Киселева Е.В., Нефедова Л.В., Чернова Н.И. Природно географические условия
промышленного
культивирования микроводоросли спирулины. //Материалы
междунар. конф., Курск, 1999 т. 3. ч. 8,9,10, с. 157-160 ISBN5-900071-01-4 .
12. Шевцов А.А.
Шевцова Е.С., Дранников А.В., Понамарев А.В. Моделирование
процесса культивирования микроводорослей в биореакторах при турбулентном
истечении жидкости.// Вестник ВГТА, 2008, № 1, с.80-85.
13. Бочачер Ф.М., Борисенко
О.Н.
Семенко В.Е.,
Цоглин Л.Н. Установка для
турбодистатного культивирования микроорганизмов. Авторское свидетельство №
326874 22.10.1971
14. Иванов Е.А. и др. Биологический реактор. Авторское свидетельство № 201137.
15.D6. 1967.
15. Авсиян А.Л., Леков А.С. Влияние светового режима на продуктивность культуры
Spirulina platensis. //Материалы научной конференции за 2010г. Институт биологии
южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины, 2011, с. 180.
16. ГОСТ
28040-89
«Система
жизнеобеспечения
космонавта
в
пилотируемом
космическом аппарате» М., Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.
7
17. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом
космическом
аппарате». Общие медико-технические требования. М. Госстандарт России, 1995.
18. Хамфриз
В.Р.,
Сезанн
П.К.
Эванич
П.Л.
Физико-химические
системы
жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина. Совместное российско–
американское издание в пяти томах, //Наука, 1994. с.461-499.
19. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А. и др. Системы жизнеобеспечения
экипажей длительных межпланетных экспедиций.// Изв. РАН. Энергетика, 2007г,
№ 3, с.57-74
20. Яздровский В.И. Искусственная биосфера. М., «Наука», 1976.
21. Мелещко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (Замкнутые
экологические системы). // Под ред. Академика О.Г. Газенко, М., «Синтез», 1994.
22. Шепелев Е.Я. Системы жизнеобеспечения
в кабине космических кораблей на
основе биологического круговорота веществ// Космическая биология и медицина,
М., 1966. с 330-362.
23. Киренский
Л.В. Терсков И.А., Гительзон И.И. и др. Биологическая система
жизнеобеспечения с
низшими и высшими растениями. //В к.: Управляемый
биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всесоюзное совещание. Красноярск,, 1969г.
24. Терсков
И.А., Гительзон И.И., Лисовский Г.М.
и др. Экспериментальные
экологические системы, включающие человека // Проблемы космической биологии.
М., «Наука», т 28, 1975г.
25. Drusdale A., Ewert M., Hanpord A. Equitant System mass studies of Missions and
Concepts, 1999, SAE technical paper. 1999-1-2081.
26. Терсков И.А., Гительзон И.И., Ковров Б.Г, и др. Замкнутая система: человек –
высшие растений. Новосибирск, «Наука», 1979.
27. Сычев В.Н. Результаты экспериментов с активной культурой
космическом
комплексе
«Салют-Союз»
//
Космическая
хлореллы на
биология
и
авиакосмическая медицина . Калуга, 1982, с. 192.
28. Б. Ш. Исмаилхаджаев, Б. А. Халмурзаева. Морфобиологические особенности
перспективных видов и штаммов водорослей из рода Chlorella, Scenedesmus
и
Spirulina. Охрана биоразнообразия “Blog.Archive. htpp://biologtext.ru”.
29. Ю. Е. Синяк. Системы жизнеобеспечения обитаемых космических объектов
(прошлое, настоящее, будущее). Актовая речь Синяка Ю. Е. на заседании Ученого
Совета. Москва. Октябрь 2008 г.
30. Малоземов В.В., Рожков В.Ф. , Правицкий В.Н. Система жизнеобеспечения
экипажей летательных аппаратов.//Изд. Машиностроение, 1986г. УДК 629.786.048.
8
31. Складнев А.А. Очерк эволюции фотобиоректоров. //Интернет журнал «Космическая
биотехнология» http://www.cbio.ru.
32. Шевцов А.А.
Ситников Н.Ю. Понамарев А.В. Конструкция фотобиореактора
пленочного типа для культивирования микроводоросли хлорелла.// Материалы
XLVIII отчетной научной конференции за 2009г. Воронеж, 2010г, с. 207.
33. Семенко В.Е., Владимирова М.Г. Влияние условий космического полета на корабле
–спутнике на сохранение жизнеспособности культуры
хлореллы. //Физиология
растений, 1961, 8 (6), с. 743- 749.
34. Ситников
Н.Ю.
культивирования
Управление
микроводоросли
автотрофным
(Spirulina
биосинтезом
platensis).
в
//Серия
процессе
«Технология
хранения и переработки сельскохозяйственной продукции», 2011 № 4 , с. 1
35. Шевцов А.А.
Шевцова Е.С., Дранников А.В., Понамарев А.В. Моделирование
процесса культивирования микроводорослей в биореакторах при турбулентном
истечении жидкости.// Вестник ВГТА, 2008, № 1, с.80-85.
36. Бочачер Ф.М., Борисенко
О.Н.
Семенко В.Е.,
Цоглин Л.Н. Установка для
турбодистатного культивирования микроорганизмов. Авторское свидетельство №
326874 22.10.1971
37. Иванов Е.А. и др. Биологический реактор. Авторское свидетельство № 201137.
15.D6. 1967.
38. Авсиян А.Л., Леков А.С. Влияние светового режима на продуктивность культуры
Spirulina platensis. //Материалы научной конференции за 2010г. Институт биологии
южных морей им. А.О. Ковалевского НАН Украины, 2011, с. 180.
39. ГОСТ
28040-89
«Система
жизнеобеспечения
космонавта
в
пилотируемом
космическом аппарате» М., Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.
40. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом
космическом
аппарате». Общие медико-технические требования. М. Госстандарт России, 1995.
41. Синяк
Ю.Е.
Система
жизнеобеспечения
космических
объектов
(Прошлое,
настоящее, будущее). Актовая речь на заседании Ученого совета Института медикобиологических проблем РАН РФ. М. Октябрь 2008г.
42. Хамфриз
В.Р.,
Сезанн
П.К.
Эванич
П.Л.
Физико-химические
системы
жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина. Совместное российско–
американское издание в пяти томах, //Наука, 1994. с.461-499.
43. Самсонов Н.Н. , Бобе Л.С., Гаврилов Л.И. и др. Опыт работы регенерационных
систем газообеспечения экипажей на космических станциях «Салют» , «Мир» и
МКС // Материалы международной конференции « Системы жизнеобеспечения –
9
как средство освоения человеком дальнего Космоса». М 24-27 сентября 2008г, с.8081
44. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А. и др. Системы жизнеобеспечения
экипажей длительных межпланетных экспедиций.// Изв. РАН. Энергетика, 2007г,
№ 3, с.57-74
45. Яздровский В.И. Искусственная биосфера. М., «Наука», 1976.
46. Мелещко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (Замкнутые
экологические системы). // Под ред. Академика О.Г. Газенко, М., «Синтез», 1994.
47. Шепелев Е.Я. Системы жизнеобеспечения
в кабине космических кораблей на
основе биологического круговорота веществ// Космическая биология и медицина,
М., 1966. с 330-362.
48. Киренский
Л.В. Терсков И.А., Гительзон И.И. и др. Биологическая система
жизнеобеспечения с
низшими и высшими растениями. //В к.: Управляемый
биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всесоюзное совещание. Красноярск,, 1969г.
49. Drusdale A., Ewert M., Hanpord A. Equitant System mass studies of Missions and
Concepts, 1999, SAE technical paper. 1999-1-2081.
10