Биорегенеративная система жизнеобеспечения

Биорегенеративные системы жизнеобеспечения (БСЖО, Bioregenerative Life Support Systems, BLSS) — комплекс биологических и технических компонентов, предназначенный для замкнутого цикла ресурсов в космических миссиях. Основу таких систем составляют высшие растения, выполняющие многофункциональную роль: в процессе фотосинтеза они производят кислород, поглощают углекислый газ и обеспечивают экипаж пищей. Расчёты показывают, что 20–25 м² посевов могут покрыть потребность одного человека в кислороде, а 50 м² — в калориях. Микробные организмы в биореакторах перерабатывают отходы и регенерируют питательные вещества, как в системе ACLS Европейского космического агентства (ЕКА) на МКС, которая извлекает 50% кислорода из выдыхаемого CO₂, сокращая зависимость от земных поставок воды. В большинстве существующих БСЖО лишь часть ресурсов (например, 20–30% пищи) производится внутри системы, остальное доставляется с Земли^[1]. Разработкой БСЖО занимаются в рамках космической биологии.

Перспективные разработки включают альтернативные источники пищи, например, съедобных насекомых и культивируемое мясо, для повышения устойчивости длительных миссий. Концепция БСЖО имитирует природные экосистемы, создавая искусственные среды с симбиотическими взаимосвязями между растениями, микроорганизмами и, возможно, насекомыми для достижения саморегуляции. Ключевые технологические вызовы связаны с эффективной утилизацией отходов, биодоступностью рециклированных нутриентов, стабильностью атмосферы и надёжностью работы компонентов в экстремальных условиях космоса. Несмотря на прогресс в отдельных элементах, интеграция их в полностью замкнутую систему остаётся приоритетом исследований, требующим совершенствования методов контроля и понимания долгосрочной динамики искусственных экосистем^[2][3][4][1].

Для полностью автономных миссий, исключающих дозаправку, необходимы системы с почти полным циклом регенерации. Примером служат: концепция MELiSSA (Европейское космическое агентство), включающая пять взаимосвязанных модулей с различными организмами: от анаэробных бактерий, разлагающих отходы, до фотосинтезирующих водорослей, производящих кислород; проекты NASA — Биосфера-2 (1991), Breadboard и тесты BioPlex с участием экипажей); китайский эксперимент «Лунный дворец 365» (2017), достигший 98% автономности за год. Международное сотрудничество NASA, ESA и других агентств направлено на переход от физико-химических систем к биологическим, что позволит минимизировать зависимость от земных ресурсов. Этот подход, предполагающий регенерацию воды, воздуха и пищи in situ, критически важен для лунных баз и марсианских экспедиций, где полная замкнутость цикла становится технологическим императивом^[1].

Системы жизнеобеспечения в космосе представляют собой комплекс технологий, обеспечивающих поддержание жизни человека в экстремальных условиях космического пространства. В неблагоприятной среде космоса человеку необходимо дышать, питаться, пить и сохранять здоровье физического и психического состояния на расстоянии миллионов километров от Земли. Решением этих задач служат сложные системы контроля среды обитания и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support Systems, ECLSS)^[5]. В основе этих систем лежат две основные парадигмы: физико-химические системы жизнеобеспечения (Physicochemical Life Support Systems, PCLSS) и биорегенеративные системы жизнеобеспечения (BLSS). Каждая из них характеризуется собственным набором методологий, преимуществ и недостатков. Перспективным ответвлением BLSS являются замкнутые экологические системы жизнеобеспечения (Closed Ecological Life Support Systems, CELSS)^[5].

• Контроль атмосферы. Регулирование интенсивности фотосинтеза представляет решение для управления составом и давлением атмосферы, однако растения способны удалять только незначительные количества газообразных загрязнителей при низкой концентрации.
• Генерация кислорода. Кислород производится в процессе фотосинтеза растений в специальных камерах роста или, что более эффективно, в фотобиореакторах с водорослями.
• Удаление углекислого газа. Растения и водоросли поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, который затем может быть связан в биомассе или продуктах питания.
• Восстановление воды. Жидкие отходы жизнедеятельности применяются в качестве удобрения для растений или фотобиореакторов с водорослями в чистом или разбавленном виде. Дополнительно используется фильтрация с помощью механических и биологических систем.
• Управление отходами. Твердые отходы подвергаются компостированию или разложению аэробными (требующими кислород) или анаэробными (не требующими кислород) бактериями в специальных биореакторах — "дигесторах", с последующим использованием продуктов разложения для питания растений.
• Контроль температуры и влажности. Биологические решения для поддержания температуры и влажности ограничены. Растения осуществляют процесс транспирации — выделения водяного пара через устьица листьев, повышая влажность воздуха.
• Обеспечение пищей. Продукты питания выращиваются непосредственно на борту космического корабля в контролируемых условиях с использованием гидропоники (выращивание в питательном растворе) или аэропоники (выращивание в воздушной среде) для максимальной эффективности.
• Защита от радиации. Для радиационной защиты предлагается использование биологических материалов, включая грибы, однако более эффективным решением является применение воды в качестве радиационного экрана.

BLSS воспроизводят ключевые процессы земных экосистем. Фотосинтез в высших растениях и водорослях генерирует кислород, а биологические фильтры на основе микробов минерализуют органические отходы, преобразуя их в питательные вещества. Системы рециркуляции воды обеспечивают её многоступенчатую очистку через корневые зоны растений и биореакторы^[6]. Такая автономность сокращает необходимость в поставках ресурсов с Земли, что критически важно для долгосрочных миссий на Марс или лунные базы^[7].

В отличие от физико-химических аналогов, BLSS способны выращивать съедобную биомассу (зерновые культуры, овощи, спирулину), дополняя рацион экипажа. Гидропонные и аквапонные технологии позволяют культивировать растения без почвы, используя минерализованные растворы или симбиоз с водными организмами. Это не только решает проблему питания, но и поддерживает психологическую стабильность участников экспедиций за счёт контакта с живыми растениями^[6][7].

Для миссий длительностью свыше четырёх лет гибридные системы (биорегенеративные + физико-химические методы) превосходят полностью зависимые от внешних поставок аналоги по массе. Оптимизация достигается за счёт компактных светодиодных установок для фотосинтеза, автоматизации процессов и повышения урожайности культур^[8]. Экономические модели демонстрируют снижение удельной стоимости жизнеобеспечения на 20-40% в многолетних проектах^[9].

BLSS совместимы с роботизированными комплексами и системами ИИ, которые непрерывно отслеживают параметры среды (CO₂, влажность, pH) и корректируют режимы выращивания. Микробные биореакторы нового поколения ускоряют переработку отходов, извлекая до 98% полезных соединений. Для стабилизации экосистемы применяются алгоритмы машинного обучения, прогнозирующие дисбалансы и предотвращающие критические сбои^[3].

БСЖО требуют точного поддержания баланса между биологическими и физико-химическими процессами. Взаимодействия газов и жидкостей в условиях микрогравитации, стабильность микробного сообщества и риски биологического загрязнения (включая формирование биопленок) остаются нерешёнными задачами. Аварии в системе, связанные с нарушением герметичности или метаболического равновесия, могут привести к катастрофическим последствиям при отсутствии резервных модулей^[10].

Современные прототипы БСЖО потребляют значительные ресурсы для обеспечения искусственного освещения (до 85% энергозатрат), климат-контроля и автоматизированного мониторинга. По предварительным оценкам NASA, даже при использовании светодиодов с улучшенной энергоэффективностью (плотность излучения ≥700 мкмоль·м⁻²·с⁻¹) подобные системы станут рентабельными для лунных и марсианских миссий только через 4-5 лет после начала эксплуатации на поверхности небесных тел^[8].

Экспериментальные фотореакторы, испытанные на МКС (объёмом от 100 мл до 83 л), не способны обеспечить полное удовлетворение потребностей экипажа в кислороде (≈0,84 кг/чел/сутки) и биомассе (≥500 г/чел/сутки). Отсутствие подтверждённых данных о возможности экспоненциального наращивания производительности при сохранении функциональной надёжности в космической среде ставит под сомнение перспективы их практического применения^[10].

Фотосинтезирующие организмы и микросимбионты требуют поддержания строгих параметров среды: температуры (20-28°С), влажности (60-80%) и фотопериодичности (14-16 часов освещения). На Луне и Марсе неравномерность естественной инсоляции (периоды темноты до 14 земных суток) и радиационный фон вынуждают использовать энергозатратные системы климат-контроля и аккумулирования энергии (КПД современных БСЖО не превышает 30-40% от наземных аналогов)^[10].

• Ускоренная деградация полимерных мембран под воздействием космической радиации
• Кумулятивный эффект фитотоксинов при длительной эксплуатации (>3 лет)
• Психологическая нагрузка на экипаж от замкнутого биотехнического комплекса

В контексте долгосрочных пилотируемых космических миссий (например, на Марс) и создания поселений на других небесных телах, снабжение экипажа кислородом, водой и пищей с Земли становится технически и экономически нецелесообразным. Решением является интеграция биологических элементов в системы жизнеобеспечения (LSS), что трансформирует их в биорегенеративные системы (BLSS). Высшие растения выступают в качестве ключевого компонента («продуцентов»), выполняя следующие критические функции:

• Регенерация атмосферы: Растения поглощают диоксид углерода (CO₂​), выдыхаемый экипажем, и выделяют кислород (O₂​) в процессе фотосинтеза^[11][12].
• Производство пищи: Культивация растений обеспечивает экипаж свежей пищей, богатой питательными веществами. Это критически важно, так как витамины (например, C, B1​, A, B6​, B12​) в предварительно упакованных продуктах разрушаются при длительном хранении (более 3 лет) ^[12].
• Очистка воды: Растения участвуют в круговороте воды через транспирацию, что позволяет получать чистую питьевую воду из конденсированной влаги^[13][12].
• Психологическая поддержка: Присутствие растений и уход за ними («садовая терапия») благотворно влияют на психическое здоровье экипажа в условиях изоляции и замкнутого пространства ^[13][12].

Выбор видов растений зависит от длительности миссии и доступных ресурсов (энергии, объема, массы).

• Краткосрочные миссии и низкая околоземная орбита (НОО): Приоритет отдается быстрорастущим культурам с высокой питательной ценностью и малым занимаемым объемом, таким как листовая зелень (салат-латук, капуста кейл), микрозелень и карликовые сорта томатов. Эти культуры служат функциональной добавкой к рациону, обеспечивая антиоксидантами и пребиотиками^[12]. Исследования подтверждают, что салат-латук (Lactuca sativa L.) является наиболее предпочтительной культурой для экипажей космических станций^[13].
• Долгосрочные миссии и планетарные базы: Для обеспечения калорийности рациона (углеводы, белки, жиры) необходимо выращивание основных культур, таких как пшеница, картофель, рис и соя. Также включаются овощи с более длительным циклом роста (около 100 дней), например, томаты, перец и ягоды^[12].

В стехиометрических моделях (например, для системы MELiSSA) используется концепция «идеального растения», представляющего собой усредненные питательные характеристики мягкой пшеницы, твердой пшеницы, картофеля и сои. Расчетная калорийность такой биомассы составляет около 4000 ккал/кг сухого веса. Состав съедобной биомассы «идеального растения» в сухом весе оценивается как: 70% углеводов, 20% белков и 10% липидов^[14].

Функционирование растений в космосе сопряжено с необходимостью строгого контроля параметров среды.

• Световой режим: Свет является энергозатратным ресурсом. Исследования шести сортов салата (Baby Romaine, Green Salanova, Lollo verde и др.) показали, что снижение интенсивности света с оптимальных 420 мкмоль м⁻²с⁻¹ до субоптимальных 210 мкмоль м⁻²с⁻¹ приводит к значительному снижению урожайности свежей биомассы (от 36,8% до 65,4% в зависимости от сорта). Однако сорт Baby Romaine продемонстрировал наилучшую эффективность использования света (LUE) в условиях дефицита освещения^[13].
• Гидропонные системы: Для выращивания часто используется метод питательного слоя (NFT) в закрытых системах без почвы, где контролируются pH (5,7–6,1) и электропроводность питательного раствора^[13].
• Газообмен: В моделях BLSS (например, MELiSSA) растения потребляют нитраты (HNO₃​), воду и CO₂​, производя съедобную биомассу, несъедобную биомассу и кислород. Стехиометрические расчеты показывают, что для обеспечения одного члена экипажа пищей и кислородом требуется производство около 675 г сухой биомассы высших растений в день (при условии, что 90% калорий поступает от растений, а 10% — от микроводорослей Limnospira)^[14].

Культивирование высших растений в космосе сталкивается с рядом существенных биологических и технологических вызовов.

• Управление отходами и индекс урожайности: Одной из главных проблем является наличие несъедобной биомассы (корни, стебли). В моделях принимается индекс урожайности (Harvest Index) равным 50%, что означает, что половина выращенной биомассы является отходом. Эти отходы требуют переработки (например, в анаэробных биореакторах, таких как C1 в системе MELiSSA) для возвращения углерода и нутриентов в цикл. Накопление трудноразлагаемых веществ (целлюлоза, лигнин) может снижать степень замкнутости системы ^[14].
• Влияние микрогравитации и отсутствия конвекции: Отсутствие гравитационно-обусловленной конвекции нарушает газообмен и потоки воды вокруг листьев, что требует принудительной вентиляции. Микрогравитация также влияет на развитие пыльцевых трубок, что создает риски для репродуктивного цикла растений («от семени к семени»), необходимого для автономности миссии^[12].
• Качество продукции при дефиците энергии: Снижение интенсивности света для экономии энергии негативно сказывается на качестве продукции. При субоптимальном освещении в листьях салата снижается содержание липофильных антиоксидантов, аскорбиновой кислоты и каротиноидов, а также повышается концентрация нитратов, особенно у сортов Green Salanova и Lollo verde^[13].
• Дисбаланс газообмена: Существует стехиометрическое несоответствие между потреблением кислорода человеком и производством кислорода растениями при полном обеспечении пищей. Выращивание достаточного количества растений для покрытия калорийных потребностей приводит к избыточному производству кислорода, так как человек потребляет меньше O₂​ (около 24,29 моль/день), чем выделяется при фотосинтезе необходимого объема пищи. Этот избыток кислорода должен быть утилизирован (например, для окисления отходов или сжигания избыточного водорода)^[14].
• Радиация: Воздействие космической радиации на активно растущие ткани растений изучено недостаточно, так как большинство экспериментов проводилось с сухими семенами. Существует потребность в определении требований к экранированию с учетом различной радиочувствительности видов и стадий развития^[12].

Для отработки технологий выращивания высших растений для БСЖО создавались различные наземные и летные эксперименты:

• Наземные комплексы: Biomass Production Chamber (NASA) успешно функционировала более 1200 дней, выращивая пшеницу, сою, салат и картофель на площади 20 м². Biosphere 2 (Аризона) представляла собой масштабную попытку создания замкнутой экосистемы объемом 480 м3, однако столкнулась с проблемой истощения кислорода. Также известны системы БИОС-3 (Россия) и CEEF (Япония)^[11].
• Космические эксперименты: Миссия Eu:CROPIS (DLR) включала выращивание томатов (Micro-Tina) с использованием фильтра для переработки мочи в удобрение. В системе MELiSSA разрабатываются технологии для интеграции высших растений в замкнутый цикл с использованием нитрифицирующих бактерий для переработки отходов в доступные формы азота ^[11][12].

Биорегенеративные системы жизнеобеспечения на основе микроводорослей представляют собой искусственные экосистемы, предназначенные для генерации кислорода, производства пищи и переработки отходов в длительных пилотируемых космических миссиях. Исследования в этой области начались в 1950-х годах, а уже в 1961 году была предпринята первая попытка использования одноклеточных водорослей для регенерации атмосферы в герметичной камере. В период с 1970-х по 1980-е годы ученые СССР, США и Германии разработали различные модели фотобиореакторов и исследовали возможность замены искусственных сред на морскую воду или жидкие отходы. Значимым этапом стало испытание экосистемы на основе Chlorella на борту космического корабля «Шэньчжоу-8» (Китай) в 2011 году.

В 2011 году рамках китайско-германского сотрудничества на борту космического корабля «Шэньчжоу-8» в модуле SIMBOX (Science in Microgravity Box) проведен эксперимент длительностью 17,5 суток. Объектом изучения стала водная экосистема объемом 60 мл, включающая улиток Bulinus australianus, а также микроорганизмы Euglena gracilis и Chlorella pyrenoidosa. Данный эксперимент является первым в мире систематическим анализом миниатюрной замкнутой водной экосистемы на основе микроводорослей в условиях космического полета и микрогравитации.

Экспериментальная установка объемом около 60 мл состояла из двух камер, разделенных газопроницаемой мембраной: нижняя была инокулирована клетками Euglena gracilis, а верхняя содержала культуру Chlorella и три улитки. По истечении 17,5 суток полета в космическом модуле выжила только одна улитка, тогда как в наземном контрольном образце сохранились все три особи. Данные анализа показали, что в условиях невесомости снизились общее количество клеток, содержание растворимых белков и углеводов, а также уровень ассимиляции питательных веществ (азота и фосфора). Исследователи предполагают, что микрогравитация угнетает первичную продуктивность экосистемы, и для поддержания ее стабильности целесообразно снижение интенсивности фотосинтеза и увеличение популяции Chlorella при сокращении доли Euglena^[15].

Микроводоросли обладают значительно более высокой скоростью фотосинтеза по сравнению с высшими растениями: их годовой выход масла может достигать от 500 до 20 000 галлонов на акр, тогда как у традиционных культур этот показатель составляет лишь 18–635 галлонов. Высокая продуктивность обеспечивается механизмом концентрирования углекислого газа (CCM), который позволяет клеткам усваивать неорганический углерод даже при его низком содержании в атмосфере. Для оптимизации энергопотребления в современных системах применяют технологию светодиодов, значительный вклад в развитие которой внес нобелевский лауреат Сюдзи Накамура (2014). Использование красного и синего спектров света стимулирует рост биомассы и синтез целевых соединений, таких как фикоцианин и астаксантин. Теоретические расчеты показывают, что при максимальной производительности Chlorella sp., составляющей 11,52 г л⁻¹ сут⁻¹, для обеспечения кислородом одного астронавта требуется около 63 литров культуры^[16].

Микроводоросли видов Chlorella sp., Scenedesmus sp., Dunaliella salina и Haematococcus pluvialis рассматриваются как перспективная альтернатива традиционным продуктам питания благодаря сбалансированному аминокислотному профилю и наличию полиненасыщенных жирных кислот. Для повышения пищевой ценности биомассы применяют двухступенчатое культивирование с регулированием температуры и азотного питания, что способствует накоплению липидов без снижения темпов роста. Особое внимание исследователи уделяют технологии выращивания на биопленках, которая позволяет достичь продуктивности биомассы до 104,4 г м⁻² сут⁻¹. Системы на основе биопленок обладают меньшей массой по сравнению с суспензионными фотобиореакторами и упрощают процесс сбора урожая, что критически важно для снижения логистических затрат^[16].

Микроводоросли демонстрируют высокую эффективность в утилизации жидких отходов экипажа: зафиксировано удаление химического потребления кислорода (ХПК) из мочи на уровне 96,6%. Использование альго-бактериальных консорциумов повышает биодоступность питательных веществ, так как бактерии разлагают твердые органические фракции и выделяют необходимый для водорослей углекислый газ. Однако технология сталкивается с рядом ограничений, включая необходимость больших объемов оборудования: для жизнеобеспечения одного человека требовалась система объемом 1,5 м³. Дополнительными проблемами остаются низкое содержание углеводов в биомассе (10–30%), риск бактериального загрязнения и генетическая нестабильность штаммов под воздействием космической радиации. Для успешного внедрения BLSS необходимо дальнейшее повышение плотности культивирования и разработка надежных методов защиты от мутаций в условиях космоса^[16].

Микроорганизмы играют ключевую роль в создании устойчивых биорегенеративных систем жизнеобеспечения, использовании ресурсов на месте (ISRU) и поддержании здоровья экипажа.

По данным исследования NASA, использование систем Advanced Plant Habitat (APH) и Vegetable Production System (Veggie) на МКС подтвердило возможность культивирования салата, китайской капусты, горчицы мизуна и цветов циннии. Однако гидропонные методы сопряжены с риском микробного загрязнения, что подтверждается поражением растений Zinnia hybrida грибом Fusarium oxysporum вследствие высокой влажности. В качестве альтернативы рассматривается применение лунного и марсианского реголита, дефицит реактивного азота в котором компенсируется введением азотфиксирующих бактерий Sinorhizobium meliloti. Эксперименты показали, что инокуляция имитата реголита этими микроорганизмами увеличивает биомассу клевера (Melilotus officinalis) до 0,29 г по сравнению с 0,01 г у контрольных образцов. Использование бактериального консорциума с Pseudomonas sp. IMBG163 и Paenibacillus sp. IMBG156 при выращивании бархатцев (Tagetes patula) снижает накопление токсичных ионов натрия и хрома в тканях растений до 50%^[17].

Микроорганизмы способны очищать реголит от токсинов. Перхлораты, содержащиеся в марсианской почве в высоких концентрациях, подавляют рост растений. Бактерии Pseudomonas stutzeri и Azospirillum brasilense продемонстрировали способность удалять перхлораты из имитата реголита с эффективностью 100% (до 5 мМ и 10 мМ соответственно). Для удаления тяжелых металлов (свинца, кадмия, хрома) эффективно применяются штаммы E. coli и B. subtilis, удаляющие 60–70% загрязнителей. Штаммы Klebsiella varicola показали эффективность удаления кадмия до 99,4% при pH 7^[17].

Цианобактерии, такие как Nostoc sp., могут служить биоудобрением и кондиционером почвы, повышая ее влагоудерживающую способность. В условиях засухи растения, обработанные Nostoc sp., достигли биомассы на 150% больше, чем растения, получавшие только мочевину^[17].

В системе MELiSSA Европейского космического агентства термофильные, фотогетеротрофные и нитрифицирующие бактерии обеспечивают многоступенчатую переработку органических соединений. По данным исследования, использование мембранного биореактора в ходе 108-дневного эксперимента позволило достичь 100% регенерации воды и переработки 87,7% твердых отходов. Применение уреазопродуцирующих микроорганизмов родов Bacillus и Sporosarcina повышает эффективность извлечения азота из мочи до 79,33%. Для ревитализации атмосферы применяются цианобактерии Spirulina platensis и Limnospira indica, способные поддерживать уровень кислорода на отметке 20,3% при питании нитратами или мочевиной. Отдельные виды цианобактерий, использующие хлорофилл-f, осуществляют фотосинтез в дальнем красном спектре, что обеспечивает их рост в условиях низкой освещенности^[17].

Технологии биологического использования ресурсов "на месте" включают применение микробных топливных элементов (МТЭ) для генерации энергии и биомайнинг для добычи полезных ископаемых. Исследователи зафиксировали мощность МТЭ 1300 мВт/м² и 240 мВт/м² при переработке мочи и фекалий соответственно, а интеграция устройств с посевами риса обеспечила выработку 330 Вт/га. Эксперименты на МКС с бактерией Rhodoferax ferrireducens подтвердили возможность работы технологии в космосе с показателем 0,02 мА. В ходе исследования BioRock бактерия Sphingomonas desiccabilis в условиях микрогравитации извлекла 32,52 нг редкоземельных элементов, при этом эффективность добычи ванадия превысила контрольные значения более чем на 200 %^[17].

Синтетическая биология позволяет использовать микроорганизмы для производства лекарственных препаратов и нутриентов. В ходе миссии STS-77 гриб Humicola fuscoatra увеличил выработку антибиотика монордена на 190%, а Streptomyces plicatus на МКС повысил синтез актиномицина D на 577%. В рамках проекта NASA BioNutrients дрожжи Saccharomyces cerevisiae и S. boulardii были модифицированы для получения зеаксантина и бета-каротина, при этом споры B. subtilis сохраняют жизнеспособность до 4,7 лет. Инженерные штаммы E. coli функционируют как биосенсоры, уничтожая патоген Pseudomonas aeruginosa с эффективностью до 99%^[17].

В сфере производства материалов цианобактерии Synechocystis применяются для синтеза полигидроксиалканоатов, а меланизированные грибы Cryptococcus neoformans обеспечивают защиту от радиации. Бактерии Sporosarcina pasteurii используются для микробиологически индуцированного осаждения кальцита при создании бетона. Включение цианобактерий Synechococcus в смесь увеличивает осаждение кальция на 38%. Использование бактерии Deinococcus radiodurans повышает прочность строительного раствора на 42% и способствует самовосстановлению трещин^[17].

Условия микрогравитации усиливают вирулентность патогенов и стимулируют образование биопленок бактерией, что приводит к коррозии оборудования, наблюдавшейся на станции «Мир» и МКС. Исследование зафиксировало стократное увеличение горизонтального переноса генов, способствующего росту антибиотикорезистентности.

• Усиление патогенности. Условия космического полета могут усиливать вирулентность условно-патогенных микроорганизмов. Исследования показали повышенную летальность Salmonella typhimurium, Serratia marcescens и Aspergillus fumigatus, выращенных в космосе или в условиях моделируемой микрогравитации, для модельных организмов. Ключевым фактором часто является снижение экспрессии регулятора транскрипции Hfq. Однако некоторые исследования (например, изолятов Burkholderia с МКС) не выявили значительных изменений вирулентности, что указывает на видоспецифичность реакций^[17].
• Образование биопленок. Микрогравитация стимулирует образование биопленок, которые угрожают здоровью экипажа и целостности оборудования. В исследованиях NASA Micro-2 и Micro-2A бактерия P. aeruginosa формировала на МКС биопленки с уникальной архитектурой «колонна-купол» и увеличенной биомассой. Биопленки вызывают микробиологически индуцируемую коррозию (MIC), что приводило к повреждению навигационных иллюминаторов на станции «Мир» и засорению систем рекуперации воды на МКС^[17].
• Горизонтальный перенос генов (ГПГ). В условиях космоса наблюдается интенсификация горизонтального переноса генов, что способствует распространению устойчивости к антибиотикам. Зафиксировано примерно 100-кратное увеличение ГПГ между Acinetobacter pittii и S. aureus в условиях моделируемой микрогравитации. Изоляты Enterobacter bugandensis с МКС содержали кластеры генов антибиотикорезистентности, отсутствующие у земных штаммов, что исследователи связывают с ГПГ^[17].

Для минимизации рисков разрабатываются стратегии, включающие использование антимикробных покрытий (например, AGXX, медь), фотодинамическую инактивацию и технологии CRISPR/Cas для таргетированного уничтожения патогенов или ингибирования конъюгации. Успешное освоение дальнего космоса требует баланса между использованием полезных свойств микроорганизмов для обеспечения автономности и строгим контролем их негативного воздействия на экипаж и технику^[17].

Константин Эдуардович Циолковский впервые разработал концепцию применения биосферных механизмов для создания замкнутой системы жизнеобеспечения в космических аппаратах, предусматривающей воспроизводство кислорода, снабжение питанием, регенерацию воды и утилизацию отходов. Эти идеи, отражённые в его научных трудах, философских работах и фантастических произведениях, получили научное обоснование благодаря исследованиям Владимира Ивановича Вернадского, установившего роль живых организмов в круговороте веществ земной биосферы (1909-1910). В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1911) Циолковский, опираясь на принципы экологии и труды Вернадского, предложил модель искусственной атмосферы, где растения выполняют функции биологической регенерации по аналогии с земными процессами. Учёный также детализировал проект автономного космического поселения для тысячи жителей (рукопись 1903-1933 гг.) с замкнутым циклом ресурсов: система регулировала влажность холодильными установками, направляла продукты жизнедеятельности в оранжереи для переработки и обеспечивала 87% освещённости через оконные поверхности цилиндрического модуля. Незавершённая рукопись содержит технические расчёты и описание принципов взаимодействия жилых модулей с биорегенерационными системами.^[18]

Биорегенеративные системы жизнеобеспечения одно из наиболее устойчивых направлений исследований в области науки о жизни с начала космической эры в 1950-х годах^[19]. Центральное место в этой концепции занимает использование фотосинтезирующих организмов для производства пищи и кислорода, а также удаления углекислого газа и обработки воды. В 1962 году начались обсуждения относительно выбора сельскохозяйственных культур для космических миссий. Однако возможности тестирования БСЖО в соответствующем масштабе в космосе были ограничены из-за ограничений по объему и массе космических аппаратов^[19].

Посмертная публикация незавершённой рукописи К.Э. Циолковского «Жизнь в межзвёздной среде» (1964), инициированная академиком С.П. Королёвым, стала катализатором практических исследований замкнутых экосистем для космических полётов. В 1962 году Королёв, опираясь на успехи советской космонавтики, предложил создать модульную оранжерею с автономным круговоротом веществ, поручив разработку Институту физики Сибирского отделения АН СССР. Руководство проектом, переданное отделу простейших организмов под руководством Л.В. Киренского, привело к нестандартному решению: базой системы стала хлорелла обыкновенная, способная регенерировать кислород и воду. В 1964 году стартовали эксперименты с установкой «Биос-1» (объём гермокабины — 12 м³, культиватора — 20 л), созданной И.И. Гительзоном и И.А. Терсковым. Семь тестов длительностью до 45 суток подтвердили возможность полного замыкания газообмена (поглощение CO₂, выделение O₂) и водооборота, обеспечивающего потребности человека. Этот успех заложил основы биофизического направления в создании искусственных экосистем космического назначения^[18].

В 1966 году советская замкнутая экосистема "БИОС-1", где предыдущие эксперименты не превышали 45 суток из-за остановки роста микроводорослей, подверглась модернизации. К герметичному кабинету (гермокабине) присоединили фитотрон — техническое устройство объёмом 8 м³ с регулируемым микроклиматом и искусственным освещением, предназначенное для культивирования высших растений (овощных культур и пшеницы). Обновлённый комплекс, получивший название "БИОС-2" (работал до 1970 году), комбинировал низшие и высшие растения: последние выполняли двойную функцию — обеспечивали экипаж питанием и участвовали в регенерации воздуха за счёт фотосинтеза. Благодаря этому в 1966–1970 годах удалось провести серию экспериментов с участием двух испытателей длительностью 30, 73 и 90 суток. Система продемонстрировала возможность поддержания газового баланса и частичной регенерации ресурсов, что стало этапом в разработке замкнутых экосистем для космических миссий^[18].

«БИОС-3» — экспериментальная замкнутая экосистема, созданная в 1972 году в Институте биофизики СО РАН (Красноярск). Расположенный в подвальном помещении герметичный комплекс объёмом 315 м³ включал четыре изолированных отсека: две фитотронные оранжереи с гидропонным выращиванием растений (без использования почвы), модуль культивации водоросли хлореллы для регенерации воздуха и воды, а также жилой блок с койками, кухней, санузлом и пультом управления. Для автономного питания экипаж культивировал карликовые сорта пшеницы с минимальным содержанием несъедобных частей, овощи (лук, огурцы, морковь и др.), а также масличную чуфу как источник растительных жиров, дополняя рацион консервированными белковыми продуктами. В 1970-1980-х гг. проведено 10 экспериментов, включая шестимесячное изолированное пребывание трёх исследователей (декабрь 1972 — июнь 1973), организованное поэтапно с ротацией участников: М.П. Шиленко, Н.И. Петров и Н.И. Бугреев находились внутри по 4 месяца каждый, тогда как В.В. Терский участвовал во всех этапах^[18].

В 1984 году компания Space Biospheres Ventures приступила к реализации проекта «Биосфера-2» — замкнутой экосистемы, расположенной в пустыне штата Аризона (США). Научными руководителями эксперимента выступили Марк Нельсон и Джон Аллен, чья концепция базировалась на учении В.И. Вернадского о биосфере. Основной целью создания комплекса стало моделирование условий длительного автономного существования искусственной экосистемы с участием человека. «Биосфера-2» – это конструкция из стекла, бетона и стали, расположившаяся на территории 1,27 га, площадь комплекса составил более 200 тыс. м³. Эксперимент стартовавший 26 сентября 1991 года, представлял собой масштабное исследование замкнутой экосистемы, в котором участвовали восемь человек (четверо мужчин и четверо женщин), включая идеолога проекта Марка Нельсона. Участники («бионавты») занимались традиционным сельским хозяйством: выращивали 46 видов растений (рис, пшеницу, бататы, свеклу, бананы, папайю) и разводили животных (кур, коз, свиней, рыб, креветок), используя инструменты, работавшие исключительно за счёт мускульной силы. Однако уже в первую неделю возникли проблемы: снижение уровня кислорода (с 21% до 14% за два года) и рост концентрации углекислого газа, что привело к закислению искусственного океана, гибели кораллового рифа и вымиранию фауны в саванне и джунглях. Сельскохозяйственная ферма обеспечивала лишь 83% необходимого рациона, а нашествие вредителей в 1992 году уничтожило посевы риса. Дополнительным фактором кризиса стала облачная погода, сократившая фотосинтез. После двухлетней изоляции эксперимент закончился в 1993 году и был признан неудачным, продемонстрировав уязвимость искусственных экосистем: истощение ресурсов, загрязнение среды и снижение биоразнообразия^[18].

CEEF (Closed Ecological Experimental Facility) — экспериментальная установка замкнутого типа, созданная в 1998-2001 гг. японскими учёными К. Нитта и М. Огучи для моделирования систем жизнеобеспечения внеземных баз, включая газообмен, водооборот и пищевые циклы в условиях Марса и Луны. Комплекс объединял фитотронный блок (150 м²) для культивации растений, животноводческий модуль (30 м²) с козами, геогидросферный блок, имитирующий наземно-водные экосистемы, и жилой отсек (50 м²) для двух человек, расположенный в г. Роккасё на о. Хонсю. Основные опубликованные исследования связаны с анализом последствий глобального потепления и миграции радионуклидов, тогда как данные о длительной изоляции экипажей в установке отсутствуют^[18].

В рамках проекта «Марс-500» международный экипаж из шести мужчин (Россия, Италия, Франция, Китай) находился в изоляции 520 суток (июнь 2010 – ноябрь 2011), используя оранжерею площадью 14,7 м² как дополнительный источник витаминов. Комплекс отличается от биорегенеративной системы «Биос-3» применением физико-химических методов регенерации кислорода и воды при сохранении запасов консервированного питания^[18].

Значимым этапом развития БСЖО на основе микроводорослей стало стало испытание системы на борту космического корабля «Шэньчжоу-8» (Китай) в 2011 году, где оценивалась эффективность подачи кислорода улиткам в реальных условиях космического полета.

Китайский экспериментальный комплекс «Юэгун-1» («Лунный дворец»), разработанный в 2013 году Пекинским университетом аэронавтики и астронавтики под руководством профессора Ли Хуна при участии российских специалистов, имитирует условия замкнутой экосистемы для будущих лунных баз. Комплекс площадью 160 м² включает три полуцилиндрических модуля: жилой блок с системами жизнеобеспечения и две оранжереи, обеспечивавшие 40% рациона экипажа за счёт выращивания растений, при замкнутости среды по воздуху и воде на 99%. В ходе успешного 105-суточного эксперимента (3 февраля – 20 мая 2014 г.) экипаж из трёх участников, включая студентов университета, подтвердил работоспособность системы, что стало значимым этапом в исследованиях автономных космических станций^[20].

В 2015 году астронавты на Международной космической станции (МКС) впервые употребили в пищу салат-латук, выращенный непосредственно в космических условиях.

В 2017 году на МКС введена в эксплуатацию крупнейшая полностью автоматизированная система для исследований в области биологии растений – Advanced Plant Habitat (APH). Оборудование, интегрированное в нижнюю половину стеллажа EXPRESS (EXpedite the PRocessing of Experiments to Space Station) и стандартизированный отсек ISIS (International Sub-rack Interface Standard), представляет собой замкнутую систему жизнеобеспечения с контролируемой средой, позволяющую проводить фундаментальные и прикладные эксперименты продолжительностью до 135 суток. Система функционирует при минимальном участии экипажа, ограниченном установкой образцов, подачей воды и плановым техническим обслуживанием^[21].

BioHome — экспериментальный объект NASA, созданный в 1989 году, интегрирующий биогенеративные компоненты для замкнутого цикла переработки воздуха, воды и питательных веществ из человеческих отходов в единой среде обитания. Система использовала водные и полуводные растения для переработки сточных вод в компост, который впоследствии применялся для выращивания сельскохозяйственных культур, включая томаты, сорго, кукурузу и картофель. Питьевая вода в "BioHome" добывалась из конденсата воздуха, а растения дополнительно выполняли функцию очистки атмосферы от вредных веществ, таких как формальдегид, бензол и толуол^[22].

Проект NASA CELSS Breadboard Project, запущенный в 1986 году, направлен на разработку замкнутых систем жизнеобеспечения для длительных космических миссий. Ключевым элементом проекта стала камера производства биомассы (BPC) – герметичное сооружение диаметром 3,5 метра и высотой 7,5 метра, предназначенное для выращивания различных сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, сою, картофель, батат и другие продовольственные растения. Исследования в рамках проекта включали разработку методов переработки растительных отходов в питательные вещества, что позволило продемонстрировать принципиальную возможность создания автономных систем жизнеобеспечения для космических станций и долгосрочных миссий.

«Биосфера-2» — экспериментальное сооружение для моделирования замкнутой экологической системы, построенное компанией «Space Biosphere Ventures» и финансистом Эдвардом Бассом в пустыне Аризона (США) в 1991 году. Основная исследовательская задача комплекса заключается в изучении возможности длительного существования и функционирования человека в искусственно созданной замкнутой экосистеме. Название проекта указывает на то, что планета Земля считается «Биосферой-1», а потенциальное применение подобных систем связано с созданием автономных космических поселений или обеспечением выживания в случае экологических катастроф.

В рамках эксперимента «Lunar Palace 365», начатого в 2017 году, проведено 370-суточное моделирование в модернизированном наземном комплексе «Lunar Palace 1» с участием восьми добровольцев, разделённых на две группы. Первая группа находилась в модуле 60 дней, вторая — рекордные 200 дней, после чего первая завершила цикл, пробыв дополнительно 110 суток. Система продемонстрировала устойчивость к внешним воздействиям за счёт регулирования фотопериода сои и активности реактора переработки твёрдых отходов. БСЖО обеспечила 100% регенерацию кислорода и воды, полное удовлетворение потребности экипажа в растительной пище, а также восстановление 99,7% мочи и 67% твёрдых отходов. Общий коэффициент рециклинга жизненно важных ресурсов достиг 98,2%, что подтвердило возможность создания стабильных систем для лунных баз. Результаты эксперимента представляют ценность для оптимизации БСЖО и её компьютерного моделирования^[23].

BIO-Plex — биорегенеративный комплекс жизнеобеспечения, строящийся в Космическом центре Джонсона (Хьюстон), предназначенный для моделирования условий лунной или планетарной базы и тестирования систем жизнеобеспечения. Продовольственная система комплекса включает две подсистемы: транзитную, функционирующую в условиях микрогравитации с использованием упакованных продуктов длительного хранения, и планетарную, позволяющую перерабатывать выращенные культуры (пшеница, соя, рис, картофель) в условиях частичной гравитации. Система обработки пищи выполняет функцию связующего звена между выращиваемыми культурами и потребностями экипажа, учитывая требования к питательности рациона, безопасности и интеграции в замкнутую саморегенерирующуюся экосистему.

В рамках проекта Evolving Asteroid Starships (E|A|S) разработана новая модель, симулирующая поток веществ для экипажа из шести человек. Сбалансированная система демонстрирует 100%-ное обеспечение пищей и кислородом при минимальных потерях CO₂ (0,03%) и O₂ (0,3%) между циклами. Данная стехиометрия легла в основу агент-ориентированной модели, расширяющей возможности проектирования самоподдерживаемых космических станций^[1].

Камера производства биомассы, Biomass Production Chamber, расположенная в Космическом центре имени Кеннеди (США), представляет собой замкнутую систему площадью 20 м² и объемом 113 м³, используемую для тестирования выращивания сельскохозяйственных культур в рамках программы NASA по созданию контролируемых экологических систем жизнеобеспечения (CELSS). С лета 1988 года в ходе практически непрерывной эксплуатации продолжительностью более 1200 дней было получено пять урожаев пшеницы (цикл 64–86 дней), три урожая сои (90–97 дней), пять урожаев салата (28–30 дней) и четыре урожая картофеля (90–105 дней). Суммарно произведено 481 кг сухой растительной и 196 кг съедобной биомассы, выработано 540 кг кислорода, собрано 94 700 кг водного конденсата и фиксировано 739 кг углекислого газа. По данным исследования, общий выход биомассы соответствовал расчетным значениям для заданного уровня освещенности, тогда как показатели съедобной части и индекс урожая оказались несколько ниже ожидаемых. В процессе экспериментов проводился мониторинг фотосинтеза, дыхания, транспирации, поглощения питательных веществ и концентрации этилена, а также фиксировались трудозатраты на обслуживание оборудования, что формирует основу для будущих испытаний с применением систем переработки отходов и мультивидовых посевов^[24].

Спутниковая миссия Eu:CROPIS, инициированная DLR Programmdirektion Weltraum и успешно стартовавшая 19 ноября 2018 года, направлена на изучение замкнутых систем жизнеобеспечения в космосе. Аппарат массой 230 кг вращается вокруг продольной оси на орбите высотой около 575 км, что позволяет моделировать гравитацию Луны (0,16 земной) и Марса (0,38 земной). Основная полезная нагрузка состоит из двух герметичных теплиц с камерами и датчиками, предназначенных для наблюдения за ростом томатов в течение 16 месяцев. В качестве дополнительных экспериментов на борту находятся проект по синтетической биологии «PowerCells in Space» от Центра Эймса (NASA), радиометр RAMIS и вычислительная платформа SCORE. Полный цикл разработки и управления спутником осуществляет Институт космических систем DLR (Бремен) при научном сопровождении Института аэрокосмической медицины DLR и Университета Эрлангена^[25].

Строительство герметичного комплекса «БИОС-3» объемом около 315 кубических метров, разделенного на четыре функциональных отсека, завершилось в 1972 году в подвале Института биофизики в красноярском Академгородке. В рамках проекта было проведено десять экспериментов с участием экипажей от одного до трех человек, причем самый длительный этап продолжался 180 дней в период с 1972 по 1973 год. Исследователям удалось достичь полного замыкания системы по газообмену и водопотреблению, а также обеспечить до 80 % потребностей экипажа в пище за счет внутренних ресурсов. Для питания использовались различные культуры, включая выведенную профессором Г. М. Лисовским карликовую пшеницу с урожайностью 200–300 центнеров с гектара, и чуфу, служившую источником растительного масла. Инженер Николай Бугреев провел в комплексе суммарно 13 месяцев, установив рекорд пребывания, однако в период перестройки эксперименты были приостановлены, а объект законсервирован.

• The Spring Institute for Forests on the Moon
• Институт медико-биологических проблем РАН (Москва)
• Китайское национальное космическое управление
• NASA
• Гуэлфский университет
• Аризонский университет
• Неаполитанский университет имени Фридриха II

• Космическая биология
• Микрогравитация