Geowetenschappers van Penn State University zijn eindelijk aan het uitzoeken wat biologische boeren altijd hebben geweten: spijsverteringsafval kan helpen bij het produceren van voedsel. Maar terwijl boeren hier op aarde microben in de bodem afval kunnen laten omzetten in kunstmest, die vervolgens kan worden gebruikt om voedselgewassen te verbouwen, moeten de onderzoekers van Penn State een andere weg inslaan. Ze proberen erachter te komen hoe microben afval direct in voedsel kunnen veranderen.
Er zijn veel moeilijkheden met ruimtemissies van lange duur, of met langdurige missies naar andere werelden zoals Mars. Een van de meest uitdagende problemen is het innemen van voldoende voedsel. Voedsel voor een bemanning van astronauten op een reis van 6 maanden naar Mars, en genoeg voor een terugreis, weegt veel. En al dat gewicht moet door dure raketten de ruimte in worden getild.
Voldoende voedsel meenemen voor een lange reis in de ruimte is problematisch. Tot nu toe was de oplossing om dat voedsel te leveren gericht op het telen ervan in hydrocultuurkamers en kassen. Maar dat kost ook veel ruimte, water en energie. En tijd. Het is niet echt een oplossing.
"Het is sneller dan tomaten of aardappelen telen." - Christopher House, Penn State Professor of Geosciences
Wat de onderzoekers van Penn State, onder leiding van Professor of Geosciences Christopher House, proberen te ontwikkelen, is een methode om afval direct om te zetten in een eetbare, voedzame stof. Hun doel is om als het ware de tussenpersoon uit te schakelen. En in dit geval zijn de middelste mannen zelf planten, zoals tomaten, aardappelen of ander fruit en groenten.
"We hebben het concept bedacht en getest om tegelijkertijd het afval van astronauten te behandelen met microben, terwijl we een biomassa produceren die direct of indirect eetbaar is, afhankelijk van de veiligheid," zegt Christopher House, hoogleraar geowetenschappen, Penn State. "Het is een beetje vreemd, maar het concept lijkt een beetje op Marmite of Vegemite waarbij je een uitstrijkje van" microbiële klodder "eet."
Het Penn State-team stelt voor om specifieke micro-organismen te gebruiken om afval direct om te zetten in eetbare biomassa. En ze boeken vooruitgang.
De kern van hun werk zijn de zogenaamde microbiële reactoren. Microbiële reactoren zijn in feite vaten die zijn ontworpen om het oppervlak voor microben te maximaliseren. Dit soort reactoren wordt gebruikt om hier op aarde rioolwater te zuiveren, maar niet om een eetbare biomassa te produceren.
"Het is een beetje vreemd, maar het concept lijkt een beetje op Marmite of Vegemite waarbij je een uitstrijkje van 'microbiële klodder' eet." - Christopher House, Penn State Professor of Geosciences
Om hun ideeën te testen, construeerden de onderzoekers een cilindrisch vat van vier voet lang en vier centimeter in diameter. Binnenin lieten ze geselecteerde micro-organismen onder gecontroleerde omstandigheden in contact komen met menselijk afval. Het proces was anaëroob en vergelijkbaar met wat er in het menselijke spijsverteringskanaal gebeurt. Wat ze vonden was veelbelovend.
"Anaërobe vertering is iets dat we op aarde vaak gebruiken om afval te behandelen", aldus House. "Het is een efficiënte manier om massa behandeld en gerecycled te krijgen. Het nieuwe aan ons werk was dat we de voedingsstoffen uit die stroom haalden en ze opzettelijk in een microbiële reactor plaatsten om voedsel te verbouwen. ”
Een ding dat het team ontdekte, is dat het proces gemakkelijk methaan produceert. Methaan is licht ontvlambaar, dus erg gevaarlijk tijdens een ruimtemissie, maar het heeft andere wenselijke eigenschappen bij gebruik in de voedselproductie. Het blijkt dat methaan kan worden gebruikt om een andere microbe te laten groeien, genaamd Methylococcus capsulatus. Methylococcus capsulatus wordt gebruikt als diervoeder. Hun conclusie is dat het proces voor astronauten een voedzaam voedsel kan opleveren dat voor 52 procent uit eiwitten en voor 36 procent uit vetten bestaat.
"We gebruikten materialen uit de commerciële aquariumindustrie, maar pasten ze aan voor methaanproductie." - Christopher House, Penn State Professor of Geosciences
Het proces is niet eenvoudig. Het anaërobe proces kan pathogenen veroorzaken die zeer gevaarlijk zijn voor mensen. Om dat te voorkomen, bestudeerde het team manieren om microben te laten groeien in een alkalische omgeving of een omgeving met hoge temperaturen. Nadat ze de pH van het systeem tot 11 hadden verhoogd, vonden ze een bacteriestam die Halomonas desiderata gedijt. Halomonas desiderata bestaat voor 15 procent uit eiwitten en voor 7 procent uit vetten. Ze hebben het systeem ook opgevoerd tot een pathogeen die 158 graden Fahrenheit doodt, en ontdekten dat de eetbare Thermus aquaticus groeide, die voor 61 procent uit eiwitten en voor 16 procent uit vetten bestaat.
Hun systeem is gebaseerd op moderne aquariumsystemen, waarbij microben leven op het oppervlak van een filterfilm. De microben halen vast afval uit de stroom en zetten het om in vetzuren. Vervolgens worden die vetzuren door andere microben op hetzelfde oppervlak omgezet in methaan.
Snelheid is een factor in dit systeem. De bestaande behandeling voor afvalbeheer duurt doorgaans enkele dagen. Het systeem van het team heeft in 13 uur 49 tot 59 procent van de vaste stoffen verwijderd.
Dit systeem zal niet snel in de ruimte zijn. De testen zijn uitgevoerd op individuele componenten, als bewijs van haalbaarheid. Er moet nog een compleet systeem worden gebouwd dat samen functioneerde. "Elk onderdeel is vrij robuust en snel en breekt afval snel af", aldus House. 'Daarom kan dit potentieel hebben voor toekomstige ruimtevluchten. Het is sneller dan tomaten of aardappelen telen. "
De paper van het team is hier gepubliceerd, in het tijdschrift Life Sciences In Space Research.
