В первом исследовании такого рода ведущий автор Джисон Ян из Института биодизайна Университета штата Аризона, Центр фундаментальной и прикладной микробиомики, и ее коллеги охарактеризовали различные популяции бактерий, выделенные с течением времени из питьевой (питьевой) воды с Международной космической станции (МКС). ).
В то время как исторический мониторинг системы питьевой воды ISS был сосредоточен на идентификации видов микробов, которые присутствуют как с помощью методов, зависящих от культуры, так и независимых (секвенирование генома), только с помощью методов микробной идентификации сложно точно предсказать функцию микробных сообществ. Понимание микробной функции имеет решающее значение для защиты целостности критически важных систем жизнеобеспечения космических кораблей и здоровья космонавтов.
В текущем исследовании Янг и ее команды изучались ключевые функциональные свойства бактериальных изолятов, передающихся через воду из системы питьевой воды МКС, которые были собраны в течение многих лет. Целью этого исследования было расширить наши знания о том, как микробные характеристики, важные для здоровья космонавтов и целостности космической среды обитания, могут измениться во время длительного воздействия микрогравитационной среды космического полета.
Это критический вопрос, который необходимо решить, поскольку было показано, что адаптация микробов к микрогравитации резко меняет характеристики бактерий, включая их способность образовывать плотные бактериальные агрегаты, известные как биопленки, в системе питьевой воды МКС, которые могут угрожать успеху миссии.
Исследования функций и поведения смешанных микробных популяций набирают обороты в научном сообществе, поскольку эти типы исследований дают представление о том, как микроорганизмы взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой в практических условиях.
Такие исследования могут помочь предоставить важные руководящие принципы для оценки микробного риска для водных систем в космосе, а также на Земле.
«Полимикробные взаимодействия сложны и не могут быть стабильными с течением времени», – говорит Ян. «Наше исследование обеспечивает углубленный фенотипический анализ одно- и многовидовых бактериальных изолятов, извлеченных из водной системы МКС за несколько лет, для понимания долгосрочных микробных взаимодействий и адаптации к условиям микрогравитации.
Результаты нашего исследования могут улучшить оценки микробного риска в антропогенной среде как в космосе, так и на Земле."
К Яну присоединились коллеги из ASU Дженнифер Баррила, Оливия Кинг и Шерил Никерсон, возглавлявшие команду биодизайна, а также соавторы Роберт Дж. К. МакКлин из Техасского государственного университета, а также Марк Отт и Ребекка Брюс из Космического центра имени Джонсона НАСА в Хьюстоне.
Выводы группы опубликованы в текущем выпуске журнала npj Biofilms and Microbiomes.
Жидкость жизни
Вода – живительное и незаменимое вещество на Земле и в космосе.
Во время космического полета запас чистой воды необходим для питья и элементарной гигиены, но проблемы надежного снабжения ею космонавтов огромны, и каждая капля тщательно контролируется.
По данным НАСА, без возможности рециркулировать воду на МКС, примерно 40 000 фунтов воды в год необходимо было бы транспортировать с Земли для пополнения запасов всего четырех членов экипажа по непомерным затратам на все время их пребывания на борту МКС.
Система очистки воды на МКС, известная как система экологического контроля и жизнеобеспечения, используется для очистки сточных вод в трехступенчатом процессе.
После первоначальной фильтрации для удаления частиц и мусора вода проходит через мультифильтрационные слои, содержащие вещества, удаляющие органические и неорганические примеси. Наконец, реактор каталитического окисления удаляет летучие органические соединения и убивает микроорганизмы.
Хотя сложные системы жизнеобеспечения такого рода предназначены для предотвращения заражения этого жизненно важного ресурса, бактериальные сообщества проявили огромную изобретательность в предотвращении многих профилактических мер, при этом некоторые из них образуют биопленки по всей системе восстановления воды МКС.
В текущем исследовании микробная активность была изучена в изолятах бактерий, хранящихся в архиве НАСА, собранных из системы питьевой воды МКС в течение нескольких лет. Бактериальные виды были профилированы по устойчивости к антибиотикам, структуре и составу биопленок, метаболизму и гемолизу (способности лизировать эритроциты).
Крошечный и решительный
Несмотря на крошечный размер отдельных бактерий, которые невозможно увидеть невооруженным глазом, они представляют собой силу, с которой нужно считаться.
Помимо своей индивидуальной способности вызывать ряд инфекционных заболеваний у людей, бактерии часто слипаются на поверхности, образуя плотные многовидовые агрегаты, известные как биопленки, которые по своей природе устойчивы к уничтожению антимикробными препаратами.
Бактериальные биопленки оказывают серьезное глобальное социально-экономическое воздействие и вызывают множество проблем со здоровьем и промышленности, приводя к ежегодным экономическим потерям в миллиарды долларов на Земле. Эти проблемы включают засорение нефтяных и химических технологических линий, инвазивные медицинские стенты, вызывающие инфекционные заболевания и загрязнение водных ресурсов. Кроме того, биопленки также могут вызывать агрессивную коррозию широкого спектра материалов, включая способность разрушать нержавеющую сталь, которая является материалом, используемым в системе водоснабжения ISS.
По этим причинам борьба с бактериями в сложных микробных экосистемах и управление образованием биопленок являются жизненно важными проблемами, которые особенно остро стоят во время космических полетов.
На борту МКС система регенерации воды НАСА непрерывно вырабатывает питьевую воду из переработанной мочи, сточных вод и конденсата путем дистилляции, фильтрации, каталитического окисления и йодной обработки.
Несмотря на эти усилия, анализ проб воды из системы питьевой воды МКС показал, что уровни микробов превышают спецификации НАСА для питьевой воды. Источники этого загрязнения в первую очередь связаны с окружающей средой, содержащейся в самой водной системе.
Управление сверхвысокими рисками
Хотя многие из тех же микробов, которые встречаются в питьевой воде на Земле, также обнаружены в образцах с МКС, есть опасения, что космическая среда может усилить потенциальные угрозы, которые эти организмы представляют в этой уникальной среде. Особый интерес представляют условия микрогравитации, которые, как ранее показали члены той же исследовательской группы, могут повышать вирулентность и стрессоустойчивость некоторых инфекционных микробов, изменять их профили экспрессии генов и способствовать образованию биопленок.
Эти проблемы усугубляет тот факт, что астронавты страдают аспектами подавления иммунитета из-за того, что проводят время в космической среде, что потенциально делает их более уязвимыми для инфекции от микроорганизмов.
Результаты текущего исследования показали, что бактериальные изоляты ISS, передающиеся через воду, проявляют устойчивость к нескольким антимикробным соединениям, включая антибиотики, а также к различным моделям образования биопленок и утилизации углерода. Кроме того, один из бактериальных изолятов, известный как Burkholderia, проявил гемолитическую активность, выделив его как микроб, потенциально опасный для здоровья космонавтов.
Наблюдение за взаимодействием видов бактерий в этом исследовании также выявило различные модели поведения, некоторые из которых зависели от того, были ли образцы собраны в течение одного года или в течение разных лет, что позволяет предположить, что адаптивные процессы работали с течением времени в условиях микрогравитации. среда. Важно отметить, что динамические фенотипы, наблюдаемые в этом полимикробном исследовании, нельзя было полностью предсказать, используя только технологии секвенирования.
Результаты этого исследования помогут преодолеть огромные проблемы обеспечения безопасной питьевой водой для космических полетов, особенно для более продолжительных. Кроме того, это исследование может предоставить информацию для улучшения функциональности инженерных систем водоснабжения на Земле в интересах промышленности и безопасности населения.