Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2015
Ключевые слова: системы жизнеобеспечения человека, замкнутость массообмена, физико-химическое окисление, фотосинтетическая продуктивность, космическое растениеводство, биорегенерация среды, космические станции
Аннотация: Завершено создание блоков экспериментальной модели замкнутой экосистемы (ЭМЗЭ) и выполнены тестовые эксперименты по их сопряжению. ЭМЗЭ состоит из следующих основных блоков: блок фотосинтезирующего звена, блок гетеротрофного окисления отходов, блок физико-химического окисления органических отходов, блок технического обеспечения рабПоказать полностьюоты системы. Для уменьшения зависимости динамики продуцирования кислорода фитоценозами от их возраста, все виды растений выращивали в виде конвейеров разновозрастных ценозов со специально определенными «возрастными шагами», регламентирующими время их уборки. Для чуфы каждый такой «шаг» составлял 14 суток, а для остальных культур – 7 суток. В расчете на сухое вещество, наибольший вклад в ежесуточную диету для человека составил для пшеницы примерно 66%, для чуфы- 15%, общий вклад овощных и салатных культур составил около19%. Растения фотосинтезирующего звена культивировали на ирригационном растворе, полученном за счет использования минерализованных органических отходов. Этим обеспечивалось их вовлечение во внутрисистемный массообмен. Было использовано три метода культивирования растений в конвейерном режиме: метод гидропоники на керамзите, выращивание растений на почвоподобном субстрате (ППС) и методом водной культуры. В блоке с растениями на керамзите (пшеница, соя) и на водных растворах использовали технологию культивирования растений на питательных растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека. Ряд видов растений выращивали методом водной культуры с добавлением минерализованных на специальной физико-химической установке экзометаболитов человека. Результаты проведенных исследований показали, что в искусственных условиях растения солероса европейского (Salicornia europaea L.) и водяного кресс-салата (Nasturtium officinale R. Br.), выращиваемые методом водной культуры, являются наиболее перспективными зеленными видами для включения в фототрофное звено при использовании минерализованных экзометаболитов человека в качестве источников минерального питания. В состав фототрофного звена были также дополнительно включены растения сои, семена которой (соевые бобы) богаты белками и жирами. Для этого была проведена селекция сортов сои, способных расти и завязывать плоды при непрерывном освещении на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека. Для растений, выращиваемых на ППС, он одновременно использовался как биологический окислитель, в который вносили по специально разработанной технологии несъедобную биомассу ряда растений фотосинтезирующего звена, которая окислялась в ППС за счет микрофлоры и калифорнийских червей. Несъедобную биомассу растений, выращенных на ППС, возвращали обратно в ППС, чем обеспечивалось ее постоянное вовлечение в круговоротный процесс. Проведенные методом хромато-масс-спектрометрии исследования по оценке аллелопатического взаимодействия растений показали, что корневые выделения чуфы в составе ирригационного раствора влияют на рост и урожай других видов растений, что проявляется в снижении высоты и биомассы растений. Поэтому для чуфы, выращиваемой на ППС, использовали отдельный блок полива. Общая площадь фотосинтезирующего звена составила 1,86 м2 при объеме всей ЭМЗЭ 6 м3. При этом доля посевной площади для пшеницы составляла 34,5%, для чуфы -13,8% , для салатных и овощных растений - 48,3% , для сои - 3,4%. Основными продуцентами общей и съедобной биомассы в ЭМЗЭ были пшеница и чуфа. Эксперименты показали, что для коротко вегетирующих культур вклад в общий газообмен составлял 32%, для длинно вегетирующих культур - 68%. ?Был выполнен цикл исследований по завершению отработки технологий, связанных с физико-химическим окислением и обессоливанием минерализованных органических отходов и сопряжением этих процессов с блоком фотосинтезирующего и гетеротрофного звеньев ЭМЗЭ. Получили успешное развитие работы по более глубокому окислению экзометаболитов человека, связанные с эффективным растворением большей части труднорастворимого осадка, который образовывался после завершения процесса физико-химической переработки экзометаболитов. С этой целью была разработана технология дополнительного пережигания осадка, полученного после окисления отходов, в смеси H2O2 и HNO3. Выбор HNO3 связан с тем, что эта кислота получается, как побочный продукт физико-химического окисления экзометаболитов человека и ее использование не сказывается на степени замкнутости системы. Соотношение H2O2 и HNO3 составляло 1:1. Время минерализации осадка составляло порядка 2 ч. Для быстрой инициации реакции использовали переменный ток с напряжением 80 В и силой тока 7 А в течение первых двух минут. В дальнейшем напряжение снизили для поддержания нормального хода процесса, и оно составляло 40 В при колебаниях тока в пределах 3-5 А. После пережигания осадка в смеси H2O2 и HNO3, его масса уменьшилась приблизительно в 3,5 раза. Чтобы проверить вероятность выпадения минеральных элементов обратно в осадок, вытяжку из растворенного осадка развели в воде с раствором минерализованных экзометаболитов в соответствующей пропорции (чтобы сохранить рН ирригационного раствора). Выпадение осадка обнаружено не было. Таким образом, удалось добиться выведения из осадка в раствор ~ 97 % Ca, Mg, P и ~89 % Fe, которые ранее были практически недоступны для минерального питания растений. Это позволило выполнить эксперименты по выращиванию растений на ирригационном растворе с добавкой вытяжки растворенного осадка. Эксперименты показали, что урожай растений салата, выращенного на обновленном ирригационном растворе, почти в 2,5 раза выше, чем на ирригационном растворе без добавления растворенного осадка. Использование вновь разработанной технологии позволит увеличить степень замкнутости ЭМЗЭ за счет вовлечения в круговорот дополнительных минеральных элементов, высвобождающихся при растворении осадка.?Были продолжены работы по извлечению NaCl из жидких выделений человека физико-химическими методами. Эксперименты показали, что наиболее эффективно процесс электродиализа протекает в случае пятикратного разбавления рабочего раствора и при токе 50 мА. При этом образуется NaHCO3 как продукт для дальнейшего получения NaCl. Установлено, что стехиометрически образующегося при электродиализе Cl2 не хватит для образования NaCl с выделенным из раствора Na в форме NaHCO3. Поэтому были проведены опыты по предварительному выделению Cl2 из минерализованных экзометаболитов в процессе электрокаталитического окисления мочевины на аноде с использованием платиновых электродов. После того, как были проведены эксперименты по разложению мочевины, к газоотводным путям реактора разложения мочевины был подключен платиновый катализатор для проведения экспериментов по синтезу HCl из выделяющихся газообразных Cl2 и H2. Выделяющуюся газовую смесь разбавляли барботирующим воздухом и синтез HCl протекал без детонации. Далее воздушная смесь, уже содержащая в своем составе HCl, проходила два водных уловителя объемами 0,5 и 1 л для фиксации HCl. В данных уловителях был растворен NaHCO3. После реакции соды с HCl получали водный раствор NaCl. Загрязненность водного раствора NaCl кислотными остатками значительно затрудняет его дальнейшее использование для получения пригодного в пищу NaCl и требует дополнительной очистки. Таким образом, представляется технически крайне трудным и нецелесообразным понижение концентрации NaCl в ирригационном растворе только физико-химическим методом. Его использование представляется целесообразным для понижения концентрации NaCl до уровней, приемлемых для дальнейшего использования соленакапливающих съедобных растений, которые поглощают NaCl и таким образом возвращают его человеку. Процесс такого выращивания съедобных солеросов (Salicornia europaea L.) был успешно реализован.?Выполнены кратковременные тестовые эксперименты по оценке работы ЭМЗЭ как целостной системы. Было проведено 3 цикла последовательного замыкания системы длительностью 7, 7 и 10 суток соответственно. Проведен анализ соотношения поданной в систему СО2 (имитация дыхания человека) с количеством СО2, выдыхаемой человеком среднего возраста массой 70 кг. Подачу СО2 проводили, поддерживая концентрацию газа в системе в определенных пределах. В зависимости от состояния фототрофного звена и ППС в системе усваивалось от 1% до 4% от суточных выделений СО2 человеком. Замыкание массообменных процессов в системе на 7 суток в ходе первых 2 циклов привело к повышению концентрации кислорода на 0,57 и 0,77% соответственно. Замыкание массообменных процессов в ходе 3-его цикла привело к более значительному росту концентрации кислорода (от 21,07% до 24,02%), что связано с подключением и подачей газа из реактора установки физико-химического сжигания экзометаболитов. Кислород в реакторе образуется при частичном разложении перекиси водорода на водород и кислород. При этом часть образовавшегося кислорода в дальнейшем идет на окисление водорода на платиновом катализаторе до воды. Оставшаяся часть не прореагировавшего кислорода предназначена для последующего использования в реакции синтеза перекиси водорода. Поэтому в реальной системе увеличения концентрации кислорода за счет разложения перекиси водорода происходить не будет. Определение содержания окислов азота и оксида углерода не выявило увеличения их содержания в ходе каждого цикла замыкания. Содержание метана в системе до подачи реакторного газа находилось на уровне 4,4 ppm. После подачи газа из реактора содержание метана на 10-е сутки цикла увеличилось до 15,5 ppm. В планируемых длительных (несколько месяцев) экспериментах по замыканию массообмена в созданной ЭМЗЭ метан можно исключить из выделяющегося газа путем окисления до CO2 и H2O на напыленном палладиевом катализаторе. Также за период подачи газа из реактора происходило увеличение содержания аммиака, который планируется улавливать и/или с помощью нитрификации переводить в HNO3 с последующим использованием для получения азотных удобрений. Проанализирован водный баланс системы и проведен расчет расхода воды на выращивание растений и на потребление человека. При общем содержании воды в системе около 240 л, на долю воды, входящую в состав растений, приходилось всего 2%. Расход воды на прирост 1 г сухого вещества составил 247 мл.?Создана компьютеризированная автоматическая система сбора информации параметров среды в ЭМЗЭ. Реализована автоматическая ирригация растительного конвейера путем использования стандартных программируемых таймеров и насосов, подключенных к бакам с питательным раствором. ЭМЗЭ оснащена светодиодными облучателями белого света повышенной мощности, прошедшими успешные фотобиологические испытания. Созданная ЭМЗЭ, в целом, подготовлена для длительного (несколько месяцев) режима функционирования для определения скорости и направленности массообменных процессов, их сопряжения, а также оценки и по возможности устранения потенциальных лимитов, препятствующих этим процессам.???