Первую научно-исследовательскую установку «Замкнутая экосистема — БИОС» создали в 60-х годах прошлого века в Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН (г. Красноярск). Установка получила признание ведущих космических агентств — она впервые в мире позволила в автономном режиме поддерживать жизнь экипажа из трёх человек в течение полугода. В 1972 году в БИОС-3 был проведён эксперимент по жизнеобеспечению людей в условиях практически полного замыкания системы. Импровизированный отряд из трёх «бионавтов» — сотрудников Института биофизики СО РАН — изолировали в жилом модуле на протяжении шести месяцев. Кислород и вода, необходимые для жизни участникам, полностью производились внутри системы. Научно-исследовательский комплекс регенерировал атмосферу и возвращал в круговорот до 95% воды с помощью специальных устройств очистки. По продуктам питания система была замкнута частично. Бионавты выращивали овощи и пшеницу, из которой пекли хлеб. Растительная пища составляла до 50% «космической» диеты. Нехватку рациона восполняли животным белком — запасами консервов. Результаты испытаний оказались успешными: люди смогли жить в условиях искусственной замкнутой микробиосферы без какого-либо вреда для здоровья.
Эксперимент показал, что одним из главных источников питания в системах жизнеобеспечения человека может быть пшеница. Период её выращивания — около 70 дней. Поскольку свежие продукты нужны постоянно, посадки проводят «делянками»: сегодня посадили пшеницу на первой делянке, через две недели — на второй, ещё через две недели — на третьей. В результате урожай можно собирать каждые три дня. Полученное зерно экипаж перемалывает ручной мельницей в муку и выпекает хлеб. Вместо растительного масла в него добавляют чуфу (земляной миндаль), выращенную на той же станции. Однако довольно большая часть биомассы этого растения не потребляется человеком. Причём солома пшеницы — один из основных растительных отходов жизни в замкнутой экосистеме. Это подтвердил и 370-дневный китайский эксперимент «Лунный дворец», завершившийся в мае 2018 года. При этом пшеничную солому довольно сложно перерабатывать из-за особого химического состава и высокого содержания лигнина — «одеревеневших» растительных клеток. То есть повторное использование содержащихся в соломе минеральных элементов, необходимых растениям, оказалось весьма проблематичным. И вот теперь красноярские исследователи нашли оригинальное решение проблемы утилизации твёрдых пищевых отходов.
В замкнутых системах жизнеобеспечения растительные остатки можно использовать для создания почвоподобного субстрата. Обыкновенно он состоит из несъедобных растительных отходов, таких как солома и листья высших растений, и специальной микробиологической среды, созданной бактериями. В результате растения выращиваются без почвы как таковой. Предварительные эксперименты показали, что такой субстрат поддерживает жизнь растений, если сохраняется баланс между скоростями потребления минеральных элементов растениями из субстрата и их восстановления микроорганизмами из растительных остатков. Однако в условиях замкнутых систем жизнеобеспечения этот баланс трудно контролировать из-за биологических особенностей субстрата и медленного процесса его разложения до минеральных солей, доступных для растений.
Кандидат биологических наук Владимир Величко и его коллеги из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» предложили использовать полностью окисленную солому пшеницы в качестве минеральной добавки к почвенному субстрату. В процессе окисления солома разлагается до растворимых неорганиче-ских соединений, которые содержат необходимые для развития растений минеральные вещества: азот, фосфор, кальций, калий и другие химические элементы.
Окисляют солому безопасным для человека методом, разработанным в Институте биофизики Красноярского научного центра СО РАН. В специальный отсековый реактор помещается раствор перекиси водорода. Под действием электрического тока перекись водорода даёт активные радикалы, которые окисляют органические вещества, в данном случае вещества пшеничной соломы.
Биологи проверили разные степени разложения соломы. Добавление недостаточно окисленной соломы, где не вся органика перешла в состояние неорганических минеральных веществ, привело к девятикратному снижению урожайности культивируемых растений. По мнению исследователей, это произошло из-за образования недоокисленных продуктов реакции. Солома пшеницы содержит фенольные соединения, которые замедляют рост и фотосинтез растений. При этом полностью окисленная солома увеличила урожайность в три раза. Этот эффект обусловлен повышенным содержанием в субстрате доступного азота, а также минеральных питательных веществ — калия, фосфора и серы.
Благодаря использованию перекиси водорода разложение соломы происходит во много раз быстрее, чем в природе, позволяя получить минеральную добавку, повышающую продуктивность растений. Однако, несмотря на все плюсы, этот метод порождает другую проблему в замкнутой системе жизнеобеспечения. Для окисления большого количества соломы требуется много перекиси водорода, производство которой энергоёмко. К тому же добавление полностью окисленной соломы в почвоподобный субстрат может повредить его основу. Субстрат состоит из смеси растительных отходов, а при их полной минерализации его структура будет постепенно разрушаться и со временем полностью исчезнет.
Исследователи нашли выход. Они предложили разделить солому пшеницы на две части: одну полностью минерализовать, а другую добавлять без предварительной обработки, чтобы сохранить структуру субстрата. Теперь сотрудникам Красноярского научного центра СО РАН предстоит реализовать этот подход и проверить, как он поможет улучшить корневое питание растений, культивируемых в системах жизнеобеспечения.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Life Sciences in Space Research».
Фото из архива Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ.
