https://doi.org/10.53656/voc21-4.2astr

Резюме. Статията разглежда създаването и прилагането на STEM проекта MELiSSA (Micro Ecological Life Sustaining System Alternative) в училищна среда. Изграждането на система за поддържане на живота на астронавтите при мисия до Марс е нашата основна цел. За разработването на ефективно средство за поддържане на живота, което да се използва при дълги космически полети, избрахме репички (Raphanus sativus) и спирулина (Arthrospira platensis). За успешния растеж на репички и спирулина доставката на активна фотосинтетична енергия трябва да бъде най-малко 2 μmol/m2/s. При третирането с 2 μmol/m2/s. Най-ефективно влияние както върху масата, така и върху дължината на котиледоните на репичките оказват зелената и жълтата светлина. От друга страна, натрупването на фотосинтетичните пигменти (хлорофил А и хлорофил В) е повлияно от синия и зеления спектър на светлината. Най-благоприятното влияние върху натрупването на каротиноиди оказаха зелената и жълтата светлина.
Претеглихме масата на спирулината при фотосинтетично активно излъчване 2 μmol/m2/s. Според събраните данни зелената и червената светлина са най-благоприятни за натрупване на биомаса на спирулината. Анализирахме концентрацията на хлорофил А и хлорофил В в биомасата. Под въздействието на жълтия и червения спектър хлорофилът А и В се натрупват в огромно количество. Най-благоприятното влияние върху натрупването на каротиноиди оказаха зелената и жълтата светлина.

Ключови думи: STEM; спирулина; репички; космическа мисия

„В науката има нещо вълшебно. Инвестираш минимално количество
факти, а възвръщаемостта в догадки и предположения е като
разпродажба на едро.“
Марк Твен

Въведение

Колкото повече се развива космическата наука, толкова по-ясно става, че бъдещите поколения на нашата цивилизация ще овладеят околоземното пространство, ще го населят и ще пътуват из него. При това положение трудно можем да си представим, че бъдещите продължителни полети на групи от космонавти ще протичат в чисто техническо обкръжение. Човекът е бил и ще остане основното звено на биологичната верига, състояща се от многобройни микроорганизмови, растителни и животински видове, без които той не би могъл да просъществува продължително време в Космоса. Затова именно на орбиталните научни станции се провеждат толкова сериозни генетични, ембриологични, физиологични и морфологични изследвания върху микроорганизми, тъканни култури, висши растения и животни. Резултатите от тези изследвания ще помогнат за установяване на практически важните за човека биологични видове, които при бъдещите космически полети ще се използват с пълна сигурност за създаването на бордова „екологична“ система, необходима за нормалния живот на космонавти, на които предстои продължителен полет в Космоса.

Цели

Основна цел: проектиране на животоподдържаща система за астронавти на мисия до Марс.

Съпътстващи цели:

– ормиране на правилно отношение към заобикалящата ни среда и условията, необходими за продължителен престой на космическа станция – възприемчивост, любознателност, овладяване на нови нетрадиционни методи за изследване и изучаване на природата на нашата и други планети;

– придобиване на нови знания и развитие на познавателни, комуникативни и практически умения в училищна възраст;

– пренос на теоретични знания и умения в практиката;

– повишаване на обществената информираност по проблемите за проучването и изследване на условията, необходими за продължителен престой в Космоса.

Задачи

– Пълен анализ на хранителните потребности на 8-членен екипаж за 800-дневен космически полет.

– Предлагане и изпробване на методи за рециклиране на вода.

– Установяване на влиянието на физическата активност върху количеството кислород, необходимо за процеса дишане.

– Да се проследи влиянието на различни видове LED светлина върху растежните показатели и натрупването на фотосинтетични пигменти при репички и спирулина.

Дейности

Материали и методи, необходими за задача 1.

Анализ на дневните енергийни нужди на участниците в космическата мисия – в ккал. За да намерим количеството храна, което един астронавт трябва да консумира на борда на космически кораб, трябва да знаем теглото на астронавта, неговия ръст и години. За жени дневните енергийни нужди се изчисляват по формулата: [655.1 + (9.6 x W) + (1.9 x H) – (4.7 x A)] x 1.6, а за мъже: [66.5 + (13.8 x W) + (5 x H) – (6.8 x A)] x 1.6, където:

W е теглото в килограми

H е ръстът в сантиметри

A е възрастта в години

Съставяне на 7-дневно меню за астронавти, съобразено с ежедневните нужди от мазнини, въглехидрати и белтъци. За здравословно хранене ежедневните калории трябва да бъдат разпределени, както следва: 50 – 60% от енергийните нужди трябва да са от въглехидрати, 30% – от мазнини, и 10 – 15% – от белтъчини.

Материали и методи, необходими за задача 2.

Конструиране на филтрираща система – пречистващата система има следния дизайн и компоненти:

Приготвяне на замърсена вода – около 500 мл чешмяна вода, олио и оцет за готвене, парчета зеленчуци, хляб, подправки.

Осигуряване на лакмусова хартия – за проследяване на pH на създадената замърсена вода.

Методи – филтрация: чакъл – за отстраняване на мътността на водата; пясък – за отстраняване на микроорганизми с развиващата се на повърхността активна биологична утайка; марля и памук – за ефективно отстраняване на различни по размер твърди частици; pH корекция – преминаване на водата през леко алкална среда NaHCO3; филтър с активен въглен – с порестата си структура абсорбира разтворените органични вещества, които предизвикват появата на вкус и миризма.

Материали и методи, необходими за задача 3.

Конструиране на калибрираща система за измерване на минутния дихателния обем – съд за вода, 2-литрова бутилка за вода, която е калибрирана, и маркуч за вдишване.

Проследяване на промяната на нуждата от кислород – в състояние на покой и при извършване на физическа активност.

Измерване на количеството въздух

Материали и методи, необходими за задача 4.

Избор на растителен материал – семена от репички Raphanus sativus.

Избор на хранителна среда MS: фирма Duchefa, Холандия. Хранителната среда, която използвахме, се казва MS или Murashige and Skoog medium. Понеже използвахме половин концентрация на солите и няма захароза за въглероден източник, обикновено се нарича 1/2 MS 0 ( МS нула). Съставът на средата е дадена в приложения файл. Хранителната среда съдържа следните макроелементи: С, Н, О, N, Р, К, Са, Mg, S за задоволителен растеж и морфогенеза. От микроелементите са включени Fe, Mn, Zn, B, Cu, Mo. За нашите опити използвахме 2.45г MS разтворена с 1 л дест. вода, рН беше коригирана с 0.1Н KOH до 5,8.

Светлинни източници: LED лампички, мигащи светодиоди – сини, зелени, червени и жълти, с фотосинтетична енергия 2µm/m2/s. Конструиране на камери с LED осветление

Обработка на семена от репички – във всеки буркан наляхме по 60 мл от хранителната среда и добавихме Plant Agar до крайна концентрация 0.6%. Бурканчетата бяха опаковани в алуминиево фолио и автоклавирани в автоклав при температура 121С за 20 мин и налягане 1,2 атмосфери. За правилното автоклавиране съдим по предварително поставено автоклавно тиксо, което променя цвета си при висока температура и налягане.

Стерилизацията на семената и поставянето им върху хранителната среда беше извършено в ламинар. За да предпазим растенията от заразяване и за да осигурим нормален газообмен, облепихме бурканчетата с Leucopore tape.

Проследяване на влиянието на LED светлина (мигащи светодиоди) върху растежните показатели и натрупването на фотосинтетични пигменти. Във всяко бурканче в така приготвената хранителна среда се поставят по 7 семена от репички. Приготвят се по 2 варианта за всеки вид LED светлина, но с различна интензивност на фотосинтетичната енергия на светлината. В качеството на контроли се използват варианти, оставени на тъмно и на дневна светлина. Кълняемостта на семената се отчита след за 10 дни при 25°С, светопериод 16/8 (ден/нощ), влажност на въздуха и фотосинтетична енергия на LED светлината 2µm/m2/s и 0,5µm/m2/s.

Спектрофотометричен анализ на фотосинтетични пигменти. За анализ на концентрацията на фотосинтетичните пигменти се използва листен материал от покълнали семена на репички. За нуждите на количественото определяне на фотосинтетичните пигменти е необходимо да се претегли началният растителен материал. За целта се използва електронна везна с точност до 1 mg.

Претегленият фрагмент от котиледони се стрива в хаванче с 1 ml 96% разтвор на етанол и полученият извлек се прехвърля обемно в микроцентрофужна епруветка тип Еppendorff. Клетъчните стени и нестритите частици се утаяват чрез центрофугиране при 14 000 об./мин. за 2 мин. Супернатантата се прехвърля обемно в нова епруветка и крайният обем се довежда до 1 ml. Данните за екстинцията на различните пигменти се снемат спектрофотометрично във видимата част на спектъра, както следва, при дължина на вълната 665 nm за хлорофил а, при 649 nm за хлорофил б и при 654 nm за хлорофил а+б. Концентрацията на хлорофили се преизчислява за милиграм растителен материал, както е указано в „Ръководство по физиология на растенията“ (Душкова 1996).

Статистически анализ. Към настоящия момент статистическите анализи бяха ограничени до изчисляване на средноаритметични стойности и графично интерпретиране на резултатите. За тази цел бяха използвани алгоритмите, заложени в MS Excel от Office пакет 2010 на Microsoft.

Материали и методи, необходими за задача 5.

Избор на синьо-зелени водорасли – спирулина Arthrospira platensis.

Избор на хранителна среда Zarrouk: хранителната среда, която използвахме, се казва Zarrouk agar media. Съставът на средата е даден в приложения файл. Хранителната среда съдържа следните химични съединения: NaHCO3, NaNO3, NaCl, K2HPO4, K2SO4, MgSO4. 7H2O, FeSO4. 7H2O CaCl2.2H2O, EDTA и дестилирана вода. За задоволителен растеж и морфогенеза pH на средата е в границите 8,8 – 9,0, а температурата на средата 250 C.

Светлинни източници: LED лампички, мигащи светодиоди – сини, зелени, червени и жълти, с фотосинтетична енергия 2µm/m2/s. Конструиране на камери с LED осветление, които осигуряват 16/8 часа светопериод.

Приготвяне на хранителна среда: в предварително подготвени 3 l дестилирана вода разтваряме 64g от хранителната среда Zarrok. Проверяваме pH на хранителната среда и установяваме, че е в рамките на оптималното за растеж на спирулина – 9pH.

Проследяване влиянието на LED светлина (мигащи светодиоди) върху растежните показатели и натрупването на фотосинтетични пигменти на Arthrospira platensis.

Във всяко едно предварително подготвено бурканче слагаме 100 ml дестилирана вода, 100 ml от подготвената хранителна среда и 100 ml от разтвор на спирулина, предоставена от ALPHYCA, Стара Загора. Във всяка кутия по-ставяме по 2 бурканчета. Във всяко бурканче поставяме тръбичка, свързана с помпичка за аериране, която постоянно движи течността в бурканчето и предотвратява утаяването на водораслите. Резултатите се отчитат след 10 дни при 25°С, светопериод 16/8 (ден/нощ), влажност на въздуха и фотосинтетична енергия на LED светлината 2µm/m2/s и 0,5µm/m2/s.

Спектрофотометричен анализ на фотосинтетични пигменти на Arthrospira platensis

За анализ на концентрацията на фотосинтетичните пигменти се използва материал от бурканчетата, оставени под влиянието на LED светлината в продължение на 7 дни. За нуждите на количественото определяне на фотосинтетичните пигменти е необходимо да се претегли биомасата на спирулината, натрупана за 7 дни. За целта се използва електронна везна с точност до 1 mg.

В епруветка слагаме 10 ml от сместа със спирулина от всеки буркан. Центрофугира се на 3390 оборота за 15 min при температура с апарат CENTRIFUGE 5804R. След изваждането на епруветките се наблюдава малко количество биомаса, която се е утаила на дъното на епруветките. Премахваме внимателно горния слой, в епруветката трябва да остане само биомасата. Със специална пипета слагаме 1 ml дестилирана вода в епруветката. Тъй като нямат капаче, епруветките се запечатват с парафилм и се слагат за няколко секунди в апарат Vortex. Готовата смес се прехвърля в по-малка епруветка Еppendorff. Всички 5 епруветки се поставят в центрофугата отново на 14 000 оборота за 30 – 40 s. След центрофугирани двата слоя биомаса и вода са разграничени. Премахваме водата и и ги поставяме на везна, която тарираме и претегляме.

За дезинтегриране на водораслите и отчитане на спектрофотометричния анализ във всяка епруветка слагаме стъклени перлички и 1ml дестилирана вода и ги поставяме във Vortex за дезинтегриране. Отново центрофугираме и получаваме 3 слоя течност, биомаса и перли. С пипета взимаме супернатантата и по 3 микролитра се поставят на плака. Прави спектрофотометричен анализ.

Статистически анализ. Към настоящия момент статистическите анализи бяха ограничени до изчисляване на средноаритметични стойности и графично интерпретиране на резултатите. За тази цел бяха използвани алгоритмите, заложени в MS Excel от Office пакет 2010 на Microsoft.

Резултати и обсъждане

Задача 1. За запазване здравословното състояние на астронавтите разнообразието на приеманата храна е от първостепенно значение. Ключов момент е и въвеждането на свежа храна, произвеждана от самите астронавти на борда на космическия кораб. Като компонент на отглежданата храна предлагаме репички и спирулина поради няколко факта: 1. кратък вегетационен период – около 30 – 40 дни; 2. не само кореноплодите, но и листата им са ядливи; 3. съдържат витамини от група В, РР, калий, калций, натрий, фосфор и желязо; 4. повишават имунитета и нивото на хемоглобина в кръвта; 5. не се нуждае от опрашване на борда на космическата станция; 6. спирулината съдържа 18 от 22-те аминокиселини, от които тялото се нуждае.

Задача 2. При преминаването на замърсената вода с бледокафяв цвят, pH 4,5, която има миризма на оцет и с видими частици, плуващи на повърхността, през така конструираната система получаваме филтрат без миризма, цвят, груби частици и pH в границите 6,8 – 7,5. Възможно е и пясъчният филтър да е осигурил и премахване на част от микроорганизмите. Така получената вода е годна за пиене.

Задача 3. Така конструираната система за измерване на количеството въздух, необходимо при покой и физическа активност, показва, че физическата активност влияе значително върху количеството на приетия въздух. Нараства и честотата на дихателните движения. В състояние на покой честотата на дихателните движения е 18 за минута. Издишаният въздух е 150 ml, или 2700 l за 1 минута. При 50 клякания честотата нараства на 28. Променя се и минутният дихателен обем – 8400 l. Следователно физическата активност на астронавтите трябва да се вземе под внимание при изграждането на животоподдържащата система.

Задача 4. След избора на подходяща хранителна среда и стерилизацията на семената от репички те бяха поставени в специално създадени от нас камери с LED осветление – мигащи светодиоди. Бурканчетата бяха поставени в камери с LED светлина – червена, синя, зелена, жълта и бяла. Резултатите бяха отчетени след 10 дни. Първоначално отчетохме масата на котиледоните при фотосинтетична енергия на светлината 2µm/m2/s. Получените резултати по-казват, че зелената и жълтата са най-благоприятни за масата на котиледоните. Ето и графичното изображение:

След това отчетохме дължината на котиледоните, откъдето следва, че най-благоприятни за тяхната дължина са зелената и жълтата светлина при 2 µm/ m2/s фотосинтетична светлина.

Концентрацията на фотосинтетичните пигменти относително точно отразява състоянието на тествания обект. За целта на настоящото изследване се спряхме на анализ на концентрацията на хлорофили А и В в котилeдоните от тестваното растение. При отчитането на резултатите става видно, че зелената и синята светлина благоприятстват натрупването на хлорофил А и B. Ето и графичните резултати:

Върху натрупването на каротиноиди най-благоприятни се оказват зелената и жълтата светлина. Ето и графичното изображение:

А ето и общата графика на изследваните пигменти:

Задача 5. След избора на подходяща хранителна среда и приготвянето на стъклените бурканчета те бяха поставени в специално създадени от нас камери с LED осветление – мигащи светодиоди. Бурканчетата бяха поставени в камери с LED светлина – червена, синя, зелена, жълта и бяла. Резултатите бяха отчетени след 7 дни. Отчитането на биомасата на спирулината е при фотосинтетична енергия на светлината 2µm/m2/s. Получените резултати показват, че червената и зелената са най-благоприятни за натрупването на биомасата на спирулината. Нашите резултати съвпадат с данните на Alphyca, Стара Загора.

Ето и графичното изображение:

За да изследваме състоянието на тествания обект, проследихме натрупването на фотосинтетични пигменти. Спряхме се на анализ на хлорофил А и В. При отчитането на резултатите става видно, че жълтата и червената светлина благоприятстват натрупването на хлорофил А и B. Ето и графичните резултати:

Върху натрупването на каротиноиди най-благоприятни се оказват жълтата и зелената светлина. Ето и графичното изображение:

А ето и общата графика на изследваните пигменти:

Изводи

– За създаването на животоподдържаща система за астронавти при продължителни мисии е необходимо да се отглежда свежа храна на борда на космическия кораб. Едни от предложените от нас растения са репички и спирулина.

– Правилното изчисляване на дневните енергийни нужди на астронавтите и правилното разпределение на хранителните вещества ще запази здравословното състояние на астронавтите.

– Необходимо е рециклиране на водата, така ще се постига нейното многократно използване и намаляване на общия товар на космическия кораб.

– Необходимо е да се отчете и влиянието на физическата активност върху нуждата от кислород на борда на космическия кораб.

– За успешно култивиране на репички е необходимо да се осигури светлина с фотосинтетична енергия поне 2 микромола на квадратен метър за една секунда.

– При тези стойности най-добър ефект върху масата и дължината на котилeдоните оказват зелената и жълтата светлина. Върху количеството на фотосинтетичните пигменти най-благоприятно е влиянието на синята и зелената светлина.

– При фотосинтетична енергия поне 2 микромола на квадратен метър за една секунда най-добър ефект върху натрупването на биомасата на спирулината оказват червената и зелената светлина. Върху количеството на фотосинтетичните пигменти най-благоприятно е влиянието на зелената и жълтата светлина.

БЕЛЕЖКИ

1. Душкова, П., Тодорова-Трифонова, А., Жеков, Ж. & Минков И., Университетско издателство „Паисий Хилендарски“, стр. 74 – 77

2. Murashige T. and Skoog F., Physiol. Plant, 15, pp.473 (1962).

3. http://www.ift.org/cms/?pid=1000543.

4. An Activity Guide for Technology Education, Mathematics, and Science, EG1998-03-112-HQ

5. http://www.bb-team.org/articles/914_kalorien-balans-i-kalorien-optimum#ixzz2va6oIi00

6. http://www.nasa.gov/pdf/582599main_TLA_ED_ENERGYASTRONAUT_508. pdf

7. http://www.nasa.gov/centers/johnson/pdf/511989main_vol4iss2.pdf

8. http://spaceflight.nasa.gov/spacenews/factsheets/pdfs/food.pdf

REFERENCES

Ilieva, I., Ivanova, T., Naydenov, Y., Dandolov, I. & Stefanov, D., 2010. Plant Experiments with Light-Emitting Diode Module in SVET Space Greenhouse, Advances in Space Research, 840-845.

R. Dineshkumar, R., Sampathkumar, P. & Rajendran, N., 2016. Cultivation of Spirulina platensis in different selective media. Available at: https:// www.researchgate.net/publication/329782935_Cultivation_of_ Spirulina_platensis_in_different_selective_media