Mikrober kan hjælpe astronauter med at omdanne menneskeligt affald til mad

Menneskeligt affald kan en dag blive en værdifuld ressource for astronauter på dybe rummissioner. Nu, et forskerhold fra Penn State har vist, at det er muligt hurtigt at nedbryde fast og flydende affald for at dyrke fødevarer med en række mikrobielle reaktorer, samtidig med at patogenvækst minimeres.

"Vi forestillede os og testede konceptet med samtidig behandling af astronauters affald med mikrober, mens vi producerer en biomasse, der er spiselig enten direkte eller indirekte afhængigt af sikkerhedshensyn, " sagde Christopher House, professor i geovidenskab, Penn State. "Det er lidt mærkeligt, men konceptet ville være lidt ligesom Marmite eller Vegemite, hvor du spiser en klat 'mikrobiel goo'."

Forskernes undersøgelse adresserer flere udfordringer, der står over for dybe rummissioner til Mars eller videre, hvilket sandsynligvis vil tage måneder eller år. At bringe nok mad fra Jorden optager volumen og øger rumfartøjets masse og brændstofomkostninger, mens dyrkning af mad undervejs ved hjælp af hydroponiske eller andre metoder ville være en energi- og vandintensiv proces, der optager værdifuld plads.

For at teste deres idé, forskerne brugte et kunstigt fast og flydende affald, der er almindeligt brugt i affaldshåndteringstest. De skabte en lukket, cylindrisk system, fire fod lang gange fire tommer i diameter, hvor udvalgte mikrober kom i kontakt med affaldet. Mikroberne nedbrød affald ved hjælp af anaerob fordøjelse, en proces, der ligner den måde, mennesker fordøjer mad på.

"Anaerob fordøjelse er noget, vi ofte bruger på Jorden til at behandle affald, " sagde House. "Det er en effektiv måde at få massebehandlet og genbrugt. Det, der var nyt ved vores arbejde, var at tage næringsstofferne ud af den strøm og med vilje putte dem i en mikrobiel reaktor for at dyrke mad."

Holdet fandt ud af, at metan nemt blev produceret under anaerob fordøjelse af menneskeligt affald og kunne bruges til at dyrke en anden mikrobe, Methylococcus capsulatus, som bruges som dyrefoder i dag. Holdet konkluderede, at en sådan mikrobiel vækst kunne bruges til at producere en nærende mad til dyb rumflyvning. De meldte ind Life Sciences in Space Research at de dyrkede M. capsulatus, der var 52 procent protein og 36 procent fedt, gør det til en potentiel kilde til ernæring for astronauter.

Fordi patogener også er et problem med voksende mikrober i et lukket, fugtigt rum, holdet undersøgte måder at dyrke mikrober i enten et alkalisk miljø eller et miljø med høj varme. De hævede systemets pH til 11 og blev overraskede over at finde en stamme af bakterien Halomonas desiderata, der kunne trives. Holdet fandt, at denne bakterie består af 15 procent protein og 7 procent fedt. Ved 158 grader Fahrenheit, som dræber de fleste patogener, de dyrkede den spiselige Thermus aquaticus, som bestod af 61 procent protein og 16 procent fedt.

"Vi undersøgte også dramatiske ændringer i, hvor meget affald der blev produceret, for eksempel, hvis rumfartøjet havde en større last end normalt, og systemet imødekom det godt, " sagde House.

Holdets kompakte design hentede inspiration fra akvarier, som bruger et filter med fast film til at behandle fiskeaffald. Disse filtre bruger en specialdesignet, bakteriedækket filmmateriale med stort overfladeareal.

"Vi brugte materialer fra den kommercielle akvarieindustri, men tilpassede dem til metanproduktion, " sagde House. "På overfladen af ​​materialet er mikrober, der tager fast affald fra strømmen og omdanner det til fedtsyrer, som omdannes til metangas af et andet sæt mikrober på den samme overflade."

Holdet fjernede 49 til 59 procent af faste stoffer på 13 timer under deres test. Dette er meget hurtigere end eksisterende affaldshåndtering, hvilket kan tage flere dage. House sagde, at deres system ikke er klar til anvendelse endnu - denne indledende undersøgelse udforskede de forskellige komponenter isoleret og ikke et fuldt integreret system.

"Hver komponent er ret robust og hurtig og nedbryder affald hurtigt, " sagde House. "Det er derfor, dette kan have potentiale for fremtidig rumflyvning. Det er hurtigere end at dyrke tomater eller kartofler."

I dag, astronauter ombord på den internationale rumstation genbruger en del vand fra urin, men processen er energikrævende, sagde House. Håndtering af fast affald har været en større hindring. Dette udsendes i øjeblikket ud i jordens atmosfære, hvor det brænder op.

"Forestil dig, hvis nogen skulle finjustere vores system, så du kunne få 85 procent af kulstof og nitrogen tilbage fra affald til protein uden at skulle bruge hydroponics eller kunstigt lys, " sagde House. "Det ville være en fantastisk udvikling for dyb rumfart."