Как добывать полезные ископаемые в космосе: микробы на МКС умеют извлекать редкоземельные элементы из горных пород — bankruptcyhelp.ru

Экспериментальные ячейки программы BioRock на МКС. C. Cockell et al. Nat Commun 11, 5523 (2020).

Эксперименты на Международной космической станции показали, что некоторые микроорганизмы могут извлекать редкоземельные элементы из горных пород в условиях невесомости или пониженной силы тяжести, как на Марсе. В отдалённом будущем эти технологии могут использоваться для добычи полезных ископаемых в космосе и на других планетах или астероидах.

На Земле микроорганизмы играют важную роль в кругообороте веществ. Они участвуют в разрушении горных пород (биологическое выветривание) и способствуют химическим процессам с высвобождением различных элементов. Биодобыча, или биовыщелачивание — это целенаправленное использование микроорганизмов для извлечения полезных элементов из породы. Такие технологии уже достаточно распространены для промышленной добычи полезных ископаемых. Например, микробы используются как катализаторы при извлечении меди и золота — они могут окислять сульфидные руды, растворяя медь и железо, или помогать извлечению нерастворимого золота, «расчищая» окружающие минералы.

Некоторые микроорганизмы на Земле оказались эффективны для выделения редкоземельных элементов — в основном металлов группы лантана (Ln). Лантаноиды содержатся в определённых типах горных пород, часто в примесных концентрациях, и играют важную роль в микроэлектронике и металлургической промышленности. Открытый вопрос: нельзя ли в будущем использовать микроорганизмы в этих же целях на Марсе, Луне или астероидах. Здесь речь идёт не только о потребностях неких «марсианских колоний» в очень отдалённом будущем: например, знания о возможностях таких бактерий в марсианских условиях можно использовать для проверки различных гипотез о поиске биосигнатур на других планетах.

Эксперименты на МКС прежде всего исследуют влияние на эти процессы силы тяжести как основного фактора. Сводные результаты одного из экспериментальных проектов по биоизвлечению редкоземельных элементов в космосе исследователи из университета Эдинбурга недавно опубликовали в Nature.

Ячейки BioRock в двух центрифугах для имитации силы тяжести на Марсе и на Земле. Ячейки 01 — 06 не раскручиваются в центрифуге и условия в них соответствуют микрогравитации на МКС. C. Loudon et al., International Journal of Astrobiology, 17(4), 303 (2018).

Программа BioRock — это серия из 36 экспериментов на Международной космической станции, проведённых в 2019 году. Для этих экспериментов используются «реакторы биодобычи» (biomining reactors), представляющие собой контейнеры размером с коробку спичек, в которых помещены пластинки из базальта. Пластинки приводятся в контакт с питательными растворами с различными видами микробов. Базальт — распространённая на Земле вулканическая горная порода: базальтовыми породами сложена земная кора океанов, на суше встречаются «базальтовые траппы» — обширные участки, заполненные базальтовой лавой вулканов (одна из крупнейших таких провинций — Сибирское трапповое плато). Базальт также является типичной породой коры на Марсе, Луне и астероидах, поэтому в экспериментах космической биодобычи естественно обратить внимание на него. Про изучение геологического строения Марса и Луны см. более подробные статьи.

В эксперименте с микрогравитацией использовались три вида микроорганизмов: Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis и Cupriavidus metallidurans. Цель проекта — изучение способности бактерий к выщелачиванию редких земель из базальтовых образцов при различных условиях гравитации. На МКС в центрифуге воспроизводились условия, соответствующие силе тяжести на Земле, на поверхности Марса (с силой притяжения 40% земной) и микрогравитации (обычные условия на МКС без раскручивания в центрифуге). Бактерии находились в контакте с горной породой примерно три недели в каждом из опытов, и измерялась концентрация в растворе выщелачиваемых из пород элементов. Параллельно с экспериментами в космосе аналогичные замеры для контроля выполнялись в реакторах на Земле.

Микроснимок бактериальной плёнки Sphingomonas desiccabilis на базальте.

Один из трёх видов бактерий, Sphingomonas desiccabilis, оказался наиболее удачным для космической добычи полезных ископаемых. Отсутствие гравитации не помешало этим микроорганизмам эффективно выделять редкоземельные металлы: по крайней мере неодим, церий и лантан они при пониженной гравитации смогли извлекать из породы примерно с такой же скоростью, как и в контрольных условиях. Два других вида в эксперименте не были такими успешными — один из них показал ничтожную результативность, другой вообще отказался что-либо добывать в невесомости (по сравнению с контролем и экспериментами на Земле). Но даже «удачный» сорт бактерий смог извлечь из базальтовых пластинок только несколько нанограммов (миллиардных долей грамма) лантана — пока явно недостаточно для разворачивания коммерческой добычи в космосе.

Следующая стадия работ — эксперимент под названием BioAsteroid, который стартовал на МКС в декабре 2020 года. В эксперименте используются определённые виды микробов и грибов, при помощи которых в условиях микрогравитации на МКС попытаются извлечь некоторые металлы из материала метеорита. Таким образом BioAsteroid позволит изучить возможности добычи полезных ископаемых на астероидах при помощи бактерий.