Лунный нут: модификация лунного реголита для выращивания растений

Научный и технологический прогресс были бы невозможны без двух основополагающий качеств человека — лени и любопытства. Второе особенно проявляется в исследованиях неизведанных доселе территорий, будь то поиски прохода через Арктику или далеких планет. Независимо от пункта назначения, подготовка к экспедиции имеет решающее значение для успеха миссии и выживания ее участников. Говоря о длительном пребывании за пределами нашей планеты, например на Луне, одним из важнейших ресурсов будет пища. Конечно, можно собрать необходимый провиант заранее, но его транспортировка и хранение сопряжены с рядом сложностей в и без того сложном путешествии. Для более длительных экспедиций может потребоваться выращивать еду на месте, но почва Луны не пригодна для выращивания растений, по крайней мере была раньше. Ученые из Техасского университета в Остине (США) смогли модифицировать почву Луны, используя специальные удобрения и грибок, что позволило им вырастить урожай нута. Что именно потребовалось для изменения лунной почвы, как протекал процесс роста нута, и насколько урожайным был результат? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Для возвращения человека на Луну и создания лунного присутствия необходимо максимально использовать имеющиеся ресурсы и лунный реголит (LR от Lunar regolith) и регенеративные процессы для обеспечения устойчивого субстрата для выращивания сельхоз культур. Использование LR в качестве единственной среды для выращивания сопряжено с трудностями из-за токсичных элементов, воздействия космической и солнечной радиации, недостатка органических материалов, отсутствия ризосферных микроорганизмов и плохих структурных свойств. Однако LR содержит необходимые питательные вещества для роста растений, включая фосфор (Р), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg) и железо (Fe). Кроме того, кремний (Si) и титан (Ti), в большом количестве содержащиеся в LR, могут принести пользу растениям, повышая структурную целостность и устойчивость к стрессам. Азот (N), являющийся ключевым питательным веществом, встречается редко, а потому должен быть добавлен извне. Хотя лунный реголит содержит необходимые питательные вещества, большая их часть связана в минеральных формах, которые плохо усваиваются растениями. Введение микроорганизмов ризосферы земного происхождения может улучшить растворение питательных веществ за счет биологического выветривания, образования органических кислот и активности ферментов, тем самым повышая пригодность реголита в качестве среды для выращивания растений.

Эксперименты с образцами лунного реголита, доставленными во время миссий «Аполлон», показали, что семена могут успешно прорастать после кратковременного воздействия облученных лунных образцов. Исследования с использованием Arabidopsis thaliana показали, что, хотя растения могут прорастать в лунном реголите, они демонстрируют более медленное развитие и сильно выраженные стрессовые морфологические изменения. Длительное воздействие металлов, содержащихся в лунном реголите, таких как железо (Fe), алюминий (Al), цинк (Zn) и медь (Cu), может способствовать токсичности для растений, серьезно изменяя физиологические процессы и вызывая окислительное повреждение. Хотя кальций (Ca) и магний (Mg) необходимы для роста растений, их концентрации необходимо тщательно контролировать, поскольку избыточные уровни могут нанести вред растениям. Кроме того, лунный реголит обладает плохими физическими и структурными свойствами. Водопроницаемость лунного реголита на один-два порядка ниже, чем у мелкозернистого кремнеземного песка, из-за неправильной и угловатой формы и гидрофобности частиц лунного реголита. Эти свойства, а также размер частиц (медианный размер частиц от 40 до 130 мкм) и плохое развитие агрегатов создают проблемы для удержания воды, доступности питательных веществ и газообмена. Кроме того, лунный реголит лишен микробиома, имеющего решающее значение для преобразования питательных веществ и их усвоения растениями, что препятствует эффективному преобразованию питательных веществ и их доступности для растений. Эти факторы в совокупности подчеркивают некоторые ограничения выращивания растений на лунном субстрате.

Для использования LR в качестве питательной среды необходимо сначала инициировать трансформацию матрицы LR для улучшения ее структуры и снижения токсичности элементов. Можно добавлять стабильные органические добавки для улучшения структурных свойств реголита и внедрения микробиома. Исследования с использованием смесей компоста и имитаторов лунного реголита (LRS от Lunar regolith simulant) показали, что добавки могут улучшить марсианский и лунный реголит в качестве питательной среды для растений, увеличивая доступность питательных веществ и улучшая гидравлические свойства. Из-за своих физических свойств LRS оказался сложной питательной средой, даже в смесях с компостом. Для успешного использования LR в качестве питательной среды необходимо изменить его химические и физические свойства, чтобы облегчить создание микробиома.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые поставили перед собой задачу преодолеть эти ограничения путем создания плодородной поддерживающей матрицы для поддержания жизни растений и микроорганизмов с использованием арбускулярных микоризных грибов (AMF от arbuscular mycorrhizal fungi) и вермикомпоста (VC от vermicompost).

AMF способны очищать почвы, загрязненные тяжелыми металлами, посредством фиторемедиации и защищать растения. Экссудаты из внекорневого мицелия используются для связывания тяжелых металлов в ризосфере, снижая их биодоступность и предотвращая их поглощение растением-хозяином. Вместе внеклеточные полимерные вещества на поверхности гиф (тонкие нитевидные структуры, являющиеся составными элементами тела гриба) работают совместно с другими соединениями, предотвращая проникновение тяжелых металлов в кончики корней. Вторичный механизм позволяет AMF накапливать тяжелые металлы в своей грибной биомассе и корнях растения-хозяина. Это позволяет им стимулировать устойчивость растений, снижать негативное воздействие токсичности тяжелых металлов и способствовать росту растений в условиях металлического стресса.

AMF играют важную роль в регулировании продуктивности ризосферы, улучшая круговорот питательных веществ и способствуя агрегации почвы, тем самым влияя на организацию, структуру и стабилизацию частиц. AMF действуют на разных уровнях, повышая стабильность почвы. Гифы AMF могут переплетать частицы, образуя агрегаты, а также вызывать морфологические изменения в корнях, создавая сжимающие напряжения, которые приводят к сжатию почвы и переориентации частиц. AMF могут изменять углеродный метаболизм растений, приводя к ризодепозиции и стимулируя образование агрегатов. Кроме того, AMF продуцируют гломалин, гликопротеин, который действует как связующее вещество, улучшая стабильность агрегатов и уменьшая эрозию почвы.

Вермикомпостирование — это биоокислительный процесс, возникающий в результате синергетического действия дождевых червей Eisenia fetida и их кишечной микробиоты, разлагающих биоотходы. Полученный биостимулятор богат необходимыми для растений питательными веществами и минералами и обладает разнообразным микробиомом. Дождевые черви производят водорастворимые питательные вещества и гумус, одновременно улучшая образование почвенных агрегатов, снижая плотность, изменяя структуру почвы и улучшая влагоудержание. Вермикомпостирование — это эффективный способ переработки одежды, предметов гигиены и пищевых отходов, используемый в проекте NASA по сокращению и повторному использованию логистических ресурсов для производства устойчивого удобрения, богатого микроорганизмами.

Изображение №1

В качестве модельного растения был использован нут из-за его питательной ценности, способности к симбиозу с AMF и устойчивости к стрессам. Нут — это бобовая культура, богатая белком, углеводами, железом, фосфором, кальцием, витамином B и другими питательными веществами, и не требует больших затрат воды или азота. Нут используется во всем мире в качестве питательного заменителя белка и применялся в исследованиях по оценке эффективности очистки радиоактивных и загрязненных металлами почв. Ученые предполагают, что симбиоз, созданный с помощью AMF, вермикомпоста и нута, обеспечит устойчивую опорную среду для выращивания лунных культур (схема выше). Данная гипотеза была проверена в экспериментах по выращиванию растений нута в различных концентрациях LRS и вермикомпоста (LRS/VC), с AMF или без них.

Результаты исследования

Нут выращивали в смесях вермикомпоста и LRS до 100% LRS, чтобы определить, создает ли взаимодействие между нутом, AMF и вермикомпостом плодородную матрицу LRS, способную поддерживать рост нута до созревания. В качестве вариантов обработки использовались следующие смеси LRS и вермикомпоста (VC): 25% LRS / 75% VC (LRS25), 50% LRS / 50% VC (LRS50), 75% LRS / 25% VC (LRS75) и 100% LRS (LRS100) с инокуляцией AMF или без нее. Рост, развитие и состояние растений в LRS сравнивались с растениями, выращенными в контрольной почвенной смеси, с инокуляцией AMF или без нее.

Измерения приживаемости растений проводились на 28-й день, через 21 день после появления 50% всходов в контрольных образцах почвенной смеси. Приживаемость составила 100% в контрольных образцах и во всех вариантах обработки LRS как для семян, обработанных AMF, так и для необработанных семян. Это указывает на то, что контакт с LRS не влиял на ранние стадии развития сеянцев. В период с 28-го по 56-й день у растений, обработанных AMF и необработанных в 50%, 75% и 100% LRS, появились признаки стресса, включая замедление роста, уменьшение площади листьев и уменьшение или отсутствие ветвления побегов. Кроме того, было отмечено, что пожелтение листьев было более выраженным у растений, выращенных в более высоких концентрациях LRS. Эти реакции, вероятно, связаны с дефицитом питательных веществ, присущим LRS, включая недостаток азота и ограниченную растворимость фосфора. Такой дефицит может нарушить синтез хлорофилла, уменьшить рост листьев и ограничить ветвление побегов, что соответствует наблюдаемым симптомам. Эти результаты согласуются с предыдущими экспериментами с использованием образцов анортозита и лунного реголита, доставленных во время миссий «Аполлон».

К 56-му дню наблюдалась явная разница в визуальном состоянии растений, инокулированных AMF, и необработанных растений, что свидетельствует об успешной колонизации AMF. Разница была наиболее заметна между обработанными AMF и необработанными растениями, выращенными в 100% LRS: обработанные AMF растения были зеленее и более упругими, чем необработанные. Все растения, выращенные в 100% LRS, погибли до конца эксперимента, хотя обработка AMF продлила жизнь растений. Необработанные AMF растения начали стареть к 61-му дню, тогда как обработанные AMF растения начали стареть только к 75-му дню. Это демонстрирует, что инокуляция AMF продлила рост растений в 100% LRS на две недели.

Изображение №2

Цветение и образование семян наблюдались исключительно у контрольных растений и у растений, инокулированных AMF, выращенных в смесях с 25%, 50% и 75% LRS (2A–2C). Это демонстрирует, что инокуляция AMF позволила получить семена в смесях LRS/VC. В этих вариантах обработки первые цветки наблюдались на 70–77 день. По сравнению с контрольными растениями, обработанными AMF, у растений, обработанных AMF и выращенных в смесях LRS, наблюдалась задержка в образовании семян и времени до полного созревания (100 против 120 дней соответственно).

Измерение количества и веса семян позволяет оценить урожайность и качество (график выше). Для долгосрочного выращивания растений в условиях ограниченного пространства необходимо, чтобы растения производили не только семена, но и семена достаточного размера и жизнеспособности для обеспечения многопоколенного выращивания. За исключением контрольных образцов почвенной смеси, семена производились только в смесях LRS/VC, инокулированных AMF. Производство семян в контрольных образцах с AMF и без них было сопоставимым. В отличие от этого, урожайность семян в LRS25, LRS50 и LRS75 была значительно ниже, что указывает на то, что более высокое содержание LRS ограничивает размножение. Уровень пустых стручков существенно не различался между вариантами обработки. Это говорит о том, что после начала образования семян наполнение стручков происходило с одинаковой скоростью. Главным ограничением было начало образования семян, а не сам процесс наполнения.

Стандартизированная масса 100 семян различалась только для LRS25. Семена из контрольной группы, LRS50 и LRS75 существенно не отличались. Это означает, что, хотя более высокие концентрации LRS уменьшили общее количество семян, образовавшиеся семена по весу были аналогичны семенам из контрольной группы. Однако в будущих исследованиях необходимо проверить содержание металлов в собранных семенах, чтобы определить, безопасны ли они для употребления в пищу. Эти результаты предполагают, что ранние стрессовые факторы, такие как дефицит питательных веществ, плохая структура субстрата и водный стресс, ограничивали репродуктивное развитие. Колонизация AMF, возможно, способствовала усвоению питательных веществ на более поздних стадиях, обеспечивая нормальное наполнение семян и стабилизацию массы семян в разных группах.

Изображение №3

Рост растений сильно зависел от состава субстрата (3A). Контрольные растения имели большую высоту, массу корней и массу побегов по сравнению со всеми вариантами обработки, и эти различия были значительными как для неинокулированных, так и для инокулированных AMF субстратов. Инокулированные AMF субстраты имели значительно большую сухую массу корней по сравнению с неинокулированными растениями, а LRS50+ и LRS75+ показали значительно большую сухую массу побегов по сравнению с неинокулированными смесями (3B, 3C). Эти закономерности свидетельствуют о том, что инокуляция AMF улучшила рост. Напротив, ростовые реакции в LRS25+ были слабее, что может быть связано с избытком питательных веществ, приводящим к перенасыщению питательными веществами, а также с высокой влагоудерживающей способностью вермикомпоста, создающей неоптимальные условия.

Соотношение корней к побегам оставалось близким к 1 в большинстве вариантов обработки, демонстрируя пропорциональное распределение между надземными и подземными тканями (3D). Поддержание сбалансированного распределения важно, поскольку оно обеспечивает эффективное использование ресурсов и устойчивый рост. Исключением стал вариант LRS100 без AMF, где это соотношение было значительно повышено, отражая стрессовую реакцию, которая благоприятствовала росту корней при ограничении субстрата. Это говорит о том, что, хотя LRS ограничивал рост, растения в целом поддерживали сбалансированное распределение до тех пор, пока стресс не стал достаточно сильным, чтобы сместиться в сторону более активного развития корней. Эти ограничения вегетативного роста переносятся и на размножение, где снижение биомассы, вероятно, способствовало снижению урожайности семян при более высоких уровнях LRS. При сборе урожая оценка колонизации AMF подтвердила, что все растения, инокулированные AMF, успешно микоризировались, включая растения, выращенные на 100% LRS, в то время как в неинокулированных вариантах колонизация не наблюдалась. Эти результаты демонстрируют, что микоризация AMF происходит в LRS.

Показатели трансформации почвы, такие как pH, имеют важное значение для оценки LRS как среды для выращивания растений. pH почвы определяет растворимость и биодоступность необходимых питательных веществ, а также подвижность потенциально токсичных металлов. Большинство растений хорошо растут в почве со слабокислой или нейтральной реакцией (6.0–7.5) благодаря биодоступности макроэлементов в этом диапазоне pH. Однако в земных почвах металлы, содержащиеся в больших концентрациях в LR, такие как железо (Fe), алюминий (Al), цинк (Zn) и медь (Cu), становятся более доступными для растений в слабокислых условиях (pH 6.0–6.5), а растворимость этих металлов резко возрастает в более кислых или восстановительных условиях. Например, алюминий считается токсичным для корней при pH ниже 5.5. Неясно, как LR влияет на биодоступность этих металлов; однако, учитывая высокие уровни металлов в LR, кислотность может повысить их концентрацию до такой степени, что они будут считаться токсичными. В начале исследования pH 100% LRS был сильно щелочным (pH 9.9). В отличие от этого, pH смесей LRS25, LRS50 и LRS75 был слегка кислым (5.9–6.4), что демонстрирует эффект снижения pH вермикомпостом на LRS. После сбора урожая смеси LRS/VC без инокуляции AMF сместились в сторону более нейтральных значений (6.5–7.3), в то время как смеси с инокуляцией AMF показали меньшее повышение pH и, по-видимому, стабилизировались в более узком, слегка кислом диапазоне pH (6.2–6.6). Таким образом, инокуляция AMF поддерживала смеси LRS в пределах диапазона pH, где доступность макроэлементов, вероятно, высока, но загрязняющие металлы, вероятно, растворимы и биодоступны для растений и AMF. Остается неясным, в какой степени эти металлы были включены в ткани растений или секвестрированы AMF, — это различие требует дальнейшего исследования.

Изображение №4

Одним из главных ограничений лунного реголита является его структура, которая приводит к плохому удержанию воды, ограниченной подвижности питательных веществ и структурной нестабильности. Известно, что на Земле арбускулярные микоризные грибы (AMF) улучшают структуру почвы за счет гифальных сетей и выработки экссудатов — процессов, которые непосредственно способствуют формированию агрегатов. Стабильность агрегатов, измеренная с помощью теста SLAKES, была значительно выше во всех вариантах обработки с нутом, инокулированным AMF (график выше). Эти результаты демонстрируют, что симбиоз AMF-растение не только успешно формируется в лунном реголите, но и улучшает его структурную целостность, устраняя ключевой барьер на пути превращения реголита в функциональную питательную среду в течение одного поколения растений.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученым удалось модифицировать лунный реголит, сделав его пригодным для выращивания нута.

Для достижения такого результата в лунный реголит было добавлено несколько важных «ингредиентов», которые восполняли его недостатки с точки зрения пригодности для роста и развития растений: арбускулярные микоризные грибы (AMF от arbuscular mycorrhizal fungi) и вермикомпост (VC от vermicompost). Результаты испытаний показали, что инокуляция AMF значительно улучшает здоровье растений и облегчает подготовку лунного реголита для сельского хозяйства. Микоризация, т. е. симбиоз грибов и корней высших растений, произошла во всех вариантах обработки лунного реголита с инокуляцией AMF, включая 100% лунный реголит. Кроме того, удалось добиться цветения в смесях с инокуляцией AMF, содержащих 25/75, 50/50 и 75/25 AMF/VC. Хотя количество семян уменьшалось с повышением концентрации лунного реголита, масса отдельных семян не изменялась. Хотя все растения, инокулированные AMF и выращенные в 100% лунном реголите, погибли до цветения, инокуляция AMF продлила жизнь растений на 14 дней по сравнению с неинокулированными растениями, выращенными в 100% лунном реголите.

Было обнаружено, что образцы, обработанные AMF, демонстрировали значительно более высокую агрегатную стабильность по сравнению с необработанными образцами. Это подтверждает роль биологических добавок в улучшении структуры почвы. Эти результаты дают ценные сведения об адаптивных реакциях, подчеркивая потенциал AMF в повышении устойчивости растений и улучшении структурной целостности «лунных» корней.

Результаты данного исследования далеки от идеальных, о чем говорят сами авторы. До создания абсолютно нормальных условий для выращивания растений в лунном реголите еще далеко, но первые шаги уже сделаны. Любые планы, связанные с колонизацией или длительными экспедициями на Луне или других планетах, должны быть основаны на подготовке необходимых ресурсов, в том числе и пищи. Выращивание растений на месте является единственно верным вариантом обеспечения пищи, учтивая сложности, связанные с альтернативой — транспортировкой провианта с Земли.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?