В герметичном объеме на Земле проверили пути расселения космических микробов

Коллектив ученых из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» (далее - ФИЦ КНЦ СО РАН) и Института медико-биологических проблем РАН, подведомственных ФАНО России, совместно с коллегами из Финляндии, Бельгии и Франции определили возможные очаги бактериального заражения в замкнутом пространстве близком по конфигурации к замкнутой экосистеме космического назначения.

В ходе наземного эксперимента ученые выяснили, что бактерии скапливаются в местах, где возникают завихрения воздушных потоков и застои. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Environmental Sciences.

Распространение микроорганизмов, например, бактерий, грибковых спор, вирусов, в замкнутых пространствах представляет серьезную опасность для находящихся там людей. В случае космической станции микробы могут стать одной из угроз для здоровья экипажа и успешности космической миссии. Чтобы избежать таких проблем в космосе, ученые исследуют этот вопрос на близких по свойствам и конфигурации объектах на Земле. Для подобных экспериментов идеально подходит созданная в Красноярске замкнутая система жизнеобеспечения БИОС-3. В комплексе БИОС-3 не раз проводились длительные эксперименты по замыканию экологического цикла, включающего человека.

В рамках проекта, поддержанного Европейским союзом, БИОС-3 был использован для оценки распространения микроорганизмов внутри герметичного пространства. Ученые рассчитали, как частицы будут распределяться в воздушных потоках внутри замкнутого герметичного объекта. Выяснилось, что основными очагами их скопления являются зоны, в которых возникают завихренные воздушные потоки либо наблюдается полное отсутствие движения воздуха.

Исследователи показали, что основная информация, которая требуется для оценки скорости и направленности распространения микробов, а также мест их концентрации в замкнутом пространстве – это направление воздушных потоков и характеристика начального распределения микрофлоры внутри системы. В качестве имитатора бактерий ученые использовали мелкодисперсные частицы, соответствующие по размеру, весу и объему бактериям. В ходе проекта была разработана математическая модель, имитирующая распределение частиц. Прогнозируемое в расчетах распределение механических частиц совпадало с наблюдениями в самой системе. Чтобы убедиться в адекватности модели внутри БИОС-3 были распылены культуры микроорганизмов, выделенные на МКС и доставленные на Землю. Наиболее распространенными бактериями и грибами из воздуха космических аппаратов являются виды Staphylococcus и Bacillus, а также Penicillium и Aspergillus.

«Эксперимент показал, что знаний о начальных условиях, силе и направлении воздушных потоков, и размерах частиц достаточно для того, чтобы посчитать, как они перемещаются. Расчетным путем можно определить зоны, куда попадают или где с наибольшей вероятностью скапливаются бактерии или любые другие механические частицы, аналогичные по размеру микробам. Обладая этой информацией, специалисты смогут предсказать и принять профилактические меры, включая оперативную обработку потенциально зараженных пространств», - рассказал доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН Александр Тихомиров.

В целом вопрос распространения микробов или взвешенных частиц в замкнутых пространствах важен не только для космических, но и земных ситуаций. Например, часто возникает необходимость предсказать распространение микрофлоры в самолете или в крупных общественных помещениях, таких как детские сады или кинотеатры. Использованные в проекте подходы можно использовать для выработки регламентов проветривания помещений. Речь может идти даже об изменении конфигурации пространств, с целью уменьшения возможности контакта людей со скоплениями микрофлоры. Подобные сценарии заражения можно заранее просчитать на математической модели, а затем модифицировать при необходимости внутреннюю конфигурацию пространства.

Напомним, в системе жизнеобеспечения БИОС-3 были проведены первые в мире эксперименты по замыканию биологического круговорота с экипажами из двух и трех человек. Самый длительный эксперимент, проведенный в 1972 году, продолжался 180 дней. В результате, ученым удалось достичь полного замыкания системы по газу и воде. При этом система воспроизводила до 70% потребностей экипажа в пище.

Сейчас при поддержке Российского научного фонда красноярские ученые ведут эксперимент по отработке новых технологий замыкания цикла и жизнеобеспечения человека в космосе. Красноярские биофизики в настоящее время запустили годичный эксперимент с малой замкнутой экологической системой жизнеобеспечения, рассчитанный на небольшую долю присутствия человека. Участники эксперимента, не нарушая герметизации камер, с помощью специального шлюза, периодически «заходят» в камеры для взятия проб и ухода за растениями.

В результате таких исследований планируется разобраться в механизмах поддержания круговоротных процессов, которые необходимо знать для создания систем жизнеобеспечения человека с высокой степенью автономности. Подобные системы можно использовать как для создания внеземных баз при колонизации Луны или Марса, так и в труднодоступных регионах на Земле.