Forschung

Lebenserhaltungssystem mit Cyanobakterien

23.02.2021 - Mars-ähnliche Bedingungen erweisen sich als durchaus geeignet zur Produktion von Sauerstoff.

Führende Raumfahrtbehörden streben zukünftig astronautische Missionen zum Mars an, die für einen längeren Aufenthalt konzipiert sind. Die Herausforderung: Neben einem Lebensraum müssen zum Beispiel die wenigen von der Erde mitgebrachten Materialien zur Ausstattung und Verpflegung der Astronauten effizient und nachhaltig genutzt werden. Humboldt-Stipendiat Cyprien Verseux vom ZARM an der Universität Bremen hat nun erste Forschungs­ergebnisse veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass sich Cyano­bakterien unter Mars-Bedingungen hervorragend vermehren und damit die Basis für biologische Lebens­erhaltungs­systeme bilden können. 
 

Zum Mars fliegt ein Raumfahrzeug je nach Planeten­konstellation mindestens neun Monate. Neben der langen Anreisezeit machen es zudem die hohen Sicherheitsaspekte und Transport­kosten schwierig, Astronauten auf dem Mars kontinuierlich mit lebens­erhaltenden Verbrauchs­materialien zu versorgen. Für eine langfristige Explorations­mission müssen also die Ressourcen auf dem Mars produziert und recycelt werden. Eine Lösung dafür wären biologische Systeme, genauer bioregenerative Lebens­erhaltungs­systeme (BLSS). Mit einem BLSS auf Basis von Cyano­bakterien könnte die Crew auf lokale Ressourcen zurückgreifen und damit die Abhängigkeit von der Erde stark reduzieren, so Verseux. 

Bekannt sind Cyanobakterien vor allem als Blaualgen, die im Sommer unsere Seen befallen. Die Bakterien, die zu ältesten Lebewesen unserer Erde gehören, passen sich vielen Extrem­bedingungen gut an und wachsen, indem sie Stickstoff und Kohlenstoff aus der Luft aufnehmen und dem Wasser etwa durch Land­wirtschaft zugeführte Nährstoffe entziehen. Wenn im Sommer die Rahmen­bedingungen für die fälschlicher­weise als Algen bezeichneten Bakterien ideal sind, vermehren sich die Bakterien. Wenn die Konzentration zu hoch ist, sind einige Arten für den Menschen ungesund, da sie bei Kontakt mit der Haut Allergien auslösen können. Auf dem Mars kommt allerdings ihr volles Potential zum Tragen, da sie durch Photosynthese Sauerstoff produzieren – ein überlebens­wichtiges und außerhalb der Erdatmosphäre rares Gut. Diese Fähigkeit findet man zwar bei fast allen Pflanzen, aber Cyanobakterien können darüber hinaus auf Basis der Nährstoffe wachsen, die auf dem Mars vorhanden sind. Gespeist mit Marsgestein und -atmosphäre eignen sie sich als die Grundlage für ein cyano­bakterien-basiertes Lebens­erhaltungs­system (CyBLiSS). 

Um sich Cyanobakterien auf anderen Planeten zu Nutzen zu machen, wird zunächst im Labor erforscht, wie sie auf unter­schiedliche Umgebungs­bedingungen reagieren: Man muss ein Kompromiss finden zwischen mars­ähnlichen Bedingungen (die den Bau und Betrieb eines Kultivierungs­systems erleichtern würden) und Bedingungen, die das Wachstum von Cyanobakterien am besten unterstützen. „Atmos“ (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) ist ein atmosphären­gesteuerter Unterdruck-Photo­bioreaktor, der im „Laboratory for Applied Microbiology“ (LASM) am ZARM entwickelt wurde. Mit Hilfe von Atmos arbeitete das Forschungs­team in den letzten Monaten daran, die optimalen atmosphärischen Bedingungen für das Wachstum der Cyano­bakterien der Gattung Anabaena sp zu bestimmen und dabei zugleich die technische Umsetz­barkeit auf dem Mars zu berücksichtigen. 

Die Erdatmosphäre setzt sich aus Stickstoff und Sauerstoff sowie jeweils einem kleinen Anteil an Argon und Kohlenstoff zusammen. Die Mars­atmosphäre hingegen besteht zwar aus den gleichen Stoffen, setzt sich aber nahezu gegen­sätzlich zusammen, da sie haupt­sächlich aus Kohlendioxid (95%) und nur kleinen Anteilen von Stickstoff und Argon besteht sowie nur Spuren von Sauerstoff enthält. In Atmos wurden nun in verschiedenen Durchläufen die Anteile der Gase sowie der Umgebungs­druck verändert und die entsprechende Entwicklung der Bakterien beobachtet. Ziel der Unter­suchungen war es, sich so weit wie möglich der Mars­atmosphäre anzunähern, während gleichzeitig noch ein starkes Wachstum der Cyano­bakterien erhalten bleibt. 

Als Ergebnis ihrer Forschung der letzten Monate erhielt das Forschungs­team viel­versprechende Antworten: Hauptsächlich konnten sie nachweisen, dass sich die Cyanobakterien hervorragend vermehrten, wenn sie einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die der Mars­atmosphäre nicht unähnlich ist – und zwar sowohl im Hinblick auf die Gase (4 Prozent Kohlendioxid; 96 Prozent Stickstoff) als auch dem atmosphärischen Druck (100 hPa). Das erreichte Wachstum hat die Erwartungen sogar deutlich übertroffen. Dies ist insofern vielversprechend, als dass es die technisch-logistische Umsetzung eines auf der Marsoberfläche befindlichen CyBLiSS erheblich erleichtert. Zum einen, da dann der Druck­unterschied zwischen Innen- und Außenseite des Photo­bioreaktors nur gering ist und somit weniger hohe Ansprüche an die Statik der Konstruktion gestellt werden. Zum anderen, weil es möglich wäre, die benötigte Gasphase mit minimaler Verarbeitung aus der lokalen Atmosphäre zu erzeugen. 

Sonstige fehlende Nährstoffe für das Wachstum der Bakterien können ebenfalls vor Ort aus Marsgeröll (Regolith) gewonnen werden: Das Team zeigte, dass die Cyanobakterien in der modifizierten Atmosphäre in Wasser auf einem simulierten Marsboden ohne zusätzliche Nährstoffe wachsen konnten. Als weiteres Forschungs­ergebnis haben die Untersuchungen der entstandenen Biomasse gezeigt, dass diese als Substrat für nachfolgende Module von Lebens­erhaltungs­systeme geeignet ist, um auf dem Mars weitere Ressourcen zu generieren. Damit rückt die Umsetzung eines CyBLiSS weiter ins Zentrum der potentiellen Mars-Lebens­erhaltungs­systeme bei zukünftigen Mars-Missionen. 

Mit diesen ersten Ergebnissen beginnt die Arbeit im LASM allerdings erst so richtig. In den nächsten Monaten werden Cyprien Verseux und sein Team das CyBLiSS-Design verfeinern, um sowohl die Fähigkeiten, Cyano­bakterien auf dem Mars zu züchten, als auch ihre Verwendung zur Produktion von Nährstoffen für biologische Organismen in nach­folgenden BLSS-Modulen zu verbessern.

ZARM / DE

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