Космонавты испытали добычу металлов из руды в космосе при помощи бактерий и грибов

Если человечество намерено осваивать дальний космос, жить и работать на других планетах, нам придётся взять с собой земную среду. Это включает системы жизнеобеспечения, использующие биологические процессы (так называемые биорегенеративные системы), а также множество видов микробов, необходимых для нормальной жизнедеятельности. Люди уже берут с собой микробы, отправляясь в космос, в частности на Международную космическую станцию (МКС). Эти микробы становятся частью естественной среды, прилипая к поверхностям, разрастаясь в укромных уголках и проникая повсюду.

Учитывая их постоянное присутствие, крайне важно понять, как они выживают в космосе. Кроме того, их способности потенциально могут обеспечить бо́льшую 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 учёные из Корнеллского университета и Эдинбургского университета изучали, как эти виды можно использовать для извлечения платины из метеорита в условиях микрогравитации. Их результаты показывают, что это может быть эффективным методом получения минеральных ресурсов в космосе и уменьшения зависимости от Земли.

Исследование проводилось под руководством Розы Сантомартино, доцента кафедры биологической и экологической инженерии Корнеллского колледжа сельского хозяйства и биологических наук, и Алессандро Стирпе, научного сотрудника по микробиологии в Корнелле и Школе биологических наук Эдинбургского университета. К ним присоединились исследователи из Медицинского университета Граца (Австрия), Университета Райса, Cancer Research UK, Британского центра астробиологии при Эдинбургском университете, Kayser Space Ltd и Kayser Italia. Их исследование ^[1] было опубликовано в журнале npj Microgravity.

Эта работа была частью проекта BioAsteroid ^[2] — совместного проекта Эдинбургского университета и Европейского космического агентства (ESA). Проект возглавляет Чарльз Кокелл, профессор астробиологии Эдинбургского университета и старший автор исследования. Кокелл с коллегами разработали «биодобывающие реакторы» [biomining reactors], которые были установлены на МКС в конце 2020 — начале 2021 года для изучения влияния гравитации на взаимодействие микробов и горных пород в условиях микрогравитации.

Эти реакторы содержали образцы астероида L-хондритного ^[3] типа, которые были обработаны бактерией Sphingomonas desiccabilis и грибом Penicillium simplicissimum. Эти микробы перспективны для добычи ресурсов, поскольку они производят карбоновые кислоты, которые связываются с минералами и высвобождают их из горных пород. Однако до сих пор остаётся неясным, как именно работает этот механизм. С этой целью в эксперимент был также включён метаболомный анализ: часть жидкой культуры извлекли и проанализировали на наличие биомолекул и вторичных метаболитов. Как сказала Сантомартино в пресс-релизе ^[4] Cornell Chronicle:

«Это, вероятно, первый подобный эксперимент на Международной космической станции с метеоритом. Мы хотели, чтобы подход был в некоторой степени адаптированным, но в то же время общим, чтобы увеличить его влияние. Это два совершенно разных вида бактерий, и они будут извлекать разные вещи. Поэтому мы хотели понять, что и как работает, но при этом сохранить результаты актуальными с более широкой точки зрения ^[5], потому что о механизмах, влияющих на поведение ^[6] микроорганизмов в космосе, известно не так много».

Эксперимент провёл на борту МКС астронавт НАСА Майкл Скотт Хопкинс, а исследователи параллельно выполнили контрольную версию в лаборатории. Это позволило изучить, как эксперимент будет работать в условиях микрогравитации по сравнению с земной гравитацией. Затем Сантомартино и Стирпе проанализировали полученные данные, которые показали, что из 44 различных элементов 18 были извлечены с помощью биологических процессов. Стирпе сказал:

«Мы разделили анализ на отдельные элементы и начали задаваться вопросом: отличается ли процесс извлечения в космосе по сравнению с Землёй? Извлекаются ли эти элементы в большей степени, когда у нас есть бактерии или грибки, или когда у нас есть и те, и другие? Это просто шум, или мы можем увидеть что-то, что, возможно, имеет некоторый смысл? Мы не видим значительных различий, но есть некоторые очень интересные отличия».

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

«В этих случаях микробы не улучшают саму экстракцию, но поддерживают её на стабильном уровне, независимо от условий гравитации. И это верно не только для палладия, но и для различных типов металлов, хотя и не для всех. Действительно, ещё один сложный, но, на мой взгляд, очень интересный результат заключается в том, что скорость извлечения сильно варьируется в зависимости от рассматриваемого металла, микроорганизмов и условий гравитации».

Этот эксперимент успешно продемонстрировал потенциал «биодобычи», которой смогут заниматься будущие астронавты, исследуя Луну и Марс. В дополнение к системам жизнеобеспечения, использующим цианобактерии и другие фотосинтезирующие организмы для очистки воздуха и производства съедобных водорослей, микробы и грибы можно использовать для выщелачивания минералов из местного реголита. Эти минералы, в свою очередь, пригодятся для производства строительных материалов для сооружений и инструментов, что позволит сократить объём поставок, которые необходимо отправлять с Земли.

Кроме того, биодобыча имеет потенциальные применения и на Земле, предоставляя биологические средства для добычи металлов в условиях ограниченных ресурсов или из отходов горнодобывающей промышленности. Эта техника также может привести к появлению биотехнологий, способствующих развитию экономики с нулевым уровнем отходов и замкнутым циклом. Однако команда предупреждает, что необходимы дополнительные исследования, поскольку существует много переменных и неопределённостей в отношении влияния космоса на микроорганизмы.

«В зависимости от вида микроорганизмов, от условий в космосе, от метода, который используют исследователи, всё меняется, — сказала Сантомартино. — Бактерии и грибы настолько разнообразны, что в настоящее время невозможно дать однозначного ответа. Поэтому, возможно, нам нужно копать глубже. Я не хочу быть слишком поэтичной, но для меня в этом и заключается часть красоты. Это очень сложно. И мне это нравится».