Исследовательская группа по сдерживанию биопленки в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА построила собственный испытательный стенд для проведения многомесячной оценки различных природных и химических соединений и стратегий по устранению образования биопленки бактериями и грибами в резервуаре для сточных вод Международной космической станции. Испытания помогут НАСА продлить жизненный цикл устройств для сбора и переработки воды и гарантировать, что астронавты смогут поддерживать запасы чистой и здоровой воды во время длительных миссий в космосе и на других мирах. Фото предоставлено: НАСА/Эрик Бейтл.
Небольшая группа ученых из группы по уменьшению воздействия биопленки в Космическом центре НАСА имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама, изучает решения по борьбе с быстро растущими колониями бактерий или грибков (так называемыми биопленками) для будущих космических миссий.
Биопленка образуется, когда группа бактерий или грибов образует слизистую матрицу из «внеклеточных полимерных веществ», чтобы защитить себя от вредного воздействия окружающей среды. Биопленка может возникнуть практически где угодно: от серо-зеленой накипи на стоячей воде пруда до розового кольца остатков в грязной ванне.
Биопленка часто является дорогостоящей проблемой в медицине, производстве продуктов питания и очистке сточных вод. Однако за пределами Земли биопленка оказывается еще более устойчивой.
«Бактерии бросают вызов многим проблемам, с которыми люди сталкиваются в космосе, включая микрогравитацию, колебания давления, ультрафиолет, уровень питательных веществ и даже радиацию», — сказала Йо-Энн Велес-Джустиниано, микробиолог и инженер по системам контроля окружающей среды в Marshall.
«Биопленка грубая, липкая, и ее трудно уничтожить», — говорит Лизель Келлнер, инженер-химик и стажер NASA Pathways в Университете штата Северная Каролина в Роли. Кёлльнер использовал сложную эпифлуоресцентную микроскопию и 3D-визуализацию 2D-изображений, снятых в разных фокальных плоскостях, для уточнения исследований команды.
Осознавая потенциальные препятствия, которые биопленка может создать для будущих космических кораблей эпохи Артемиды и лунных обиталищ, НАСА наняло инженеров и химиков в Маршалле для изучения методов смягчения последствий. Маршалл создал и обслуживает систему экологического контроля и жизнеобеспечения Международной космической станции (ECLSS) и разрабатывает технологии следующего поколения для восстановления и переработки воздуха и воды, включая сборку резервуаров для сточных вод системы.
«Резервуар для сточных вод расположен «перед» большинством наших встроенных систем очистки воды. Поскольку это резервуар для сточных вод, там процветают бактерии и грибки, которые образуют достаточно биопленки, чтобы засорить пути потока и трубы вдоль маршрута», — сказал Эрик Бейтл, инженер-испытатель ECLSS в Marshall.
Раньше решением было снять старое оборудование и заменить его, как только детали забились биопленкой. Однако инженеры хотят избежать такой тактики.
Йо-Энн Велес-Джустиниано (слева) и Коннор Мерфи (справа), инженеры систем экологического контроля и жизнеобеспечения в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, готовят слайды для изучения культивированной бактериальной биопленки на испытательном стенде центра. Фото предоставлено: НАСА/Эрик Бейтл.
«Даже если можно производить запасные части на Луне или Марсе с помощью 3D-печати, имеет смысл в первую очередь разработать стратегии, предотвращающие образование биопленок», — говорит Велес-Юстиниано.
Команда сделала первый шаг в июне 2023 года, опубликовав полную последовательность генома нескольких бактериальных штаммов, выделенных из системы восстановления воды космической станции, каждый из которых способствует образованию биопленок.
Затем они построили испытательный стенд, который имитирует условия в резервуаре для сточных вод на высоте около 400 километров и позволяет одновременно проверять несколько вариантов смягчения последствий. На объекте располагалось восемь биопленочных реакторов Центров по контролю и профилактике заболеваний — цилиндрических устройств размером с бутылку с водой, каждый из которых составлял 1/60 размера реального резервуара.
Каждый биореактор содержит до 21 уникального тестового образца на предметных стеклах, которые постоянно погружаются в поток реальных или искусственных сточных вод, синхронизируются и измеряются автоматизированной системой и внимательно контролируются командой. Из-за компактных размеров биореактора испытательному стенду требовалось 2,1 галлона искусственного потока в неделю, при этом в каждый из восьми биореакторов непрерывно капало 0,1 миллилитра в минуту.
«По сути, мы создали серию крошечных систем, которые должны были обеспечивать минимальные изменения температуры и давления, поддерживать стерильную среду, обеспечивать функциональность автоклавирования и работать в гармонии в течение нескольких недель с минимальным вмешательством человека», — сказал Бейтл. «Одна фаза серии испытаний длилась 65 дней без перерыва, другая — 77 дней. С технической точки зрения это была уникальная задача».
В каждом биореакторе были реализованы различные стратегии смягчения воздействия на поверхность, предварительные противоядия, антимикробные покрытия и уровни температуры. В одном из многообещающих испытаний использовалась ряска, растение, уже признанное в качестве естественной системы очистки воды, а также за ее способность связывать токсины и контролировать запах сточных вод. Пожирая питательные вещества перед биореактором, ряска лишает бактерии того, что им необходимо для развития, и снижает рост биопленок до 99,9%.
В течение трехмесячного периода тестирования команды периодически собирали образцы из каждого биореактора и готовили их к исследованию под микроскопом, чтобы детально подсчитать колониеобразующие единицы биопленки на каждой пластине.
«Бактерии и грибы умны», — сказал Велес-Джустиниано. «Они адаптируются. Мы знаем, что для решения этой проблемы нам нужна комбинация эффективных методов сдерживания биопленки».
Биопленка представляет собой барьер для длительных космических полетов и расширенных миссий в другие миры, где запасные части могут быть дорогими или труднодоступными. Команда по сдерживанию биопленки продолжает оценивать и публиковать результаты вместе с академическими и отраслевыми партнерами и продолжит свои исследования с помощью крупномасштабного эксперимента в резервуаре в Маршалле. Они надеются вскоре провести летные испытания и поэкспериментировать с различными методами сдерживания в реальных условиях микрогравитации на орбите, чтобы найти решения, которые сохранят поверхности чистыми, воду пригодной для питья и будущими исследователями здоровыми.
