Mänskligt avfall kan en dag vara en värdefull resurs för astronauter på djupa rymduppdrag. Nu, ett Penn State -forskargrupp har visat att det är möjligt att snabbt bryta ner fast och flytande avfall för att odla mat med en serie mikrobiella reaktorer, samtidigt som patogen tillväxt minimeras.

"Vi tänkte oss och testade konceptet att samtidigt behandla astronauternas avfall med mikrober samtidigt som vi producerar en biomassa som är ätbar antingen direkt eller indirekt beroende på säkerhetshänsyn, "sa Christopher House, professor i geovetenskap, Penn State. "Det är lite konstigt, men konceptet skulle vara lite som Marmite eller Vegemite där du äter ett utstryk av "mikrobiell goo." "

Forskarnas studie tar upp flera utmaningar som djupgående rymduppdrag står för till Mars eller bortom, vilket troligen skulle ta månader eller år. Att ta med tillräckligt med mat från jorden tar upp volym och ökar rymdfarkostens massa och bränslekostnad, medan odling av mat på väg med hydroponiska eller andra metoder skulle vara en energi- och vattenintensiv process som tar upp värdefullt utrymme.

För att testa deras idé, forskarna använde ett konstgjort fast och flytande avfall som vanligtvis används i avfallshanteringstester. De skapade en sluten, cylindriskt system, fyra fot lång och fyra tum i diameter, där utvalda mikrober kom i kontakt med avfallet. Mikroberna bryter ner avfall med hjälp av anaerob matsmältning, en process som liknar hur människor smälter mat.

"Anaerob matsmältning är något vi ofta använder på jorden för att behandla avfall, "sa huset." Det är ett effektivt sätt att få massbehandling och återvinning. Det som var nytt om vårt arbete var att ta ut näringsämnen ur den strömmen och avsiktligt sätta dem i en mikrobiell reaktor för att odla mat. "

Teamet fann att metan lätt producerades under anaerob nedbrytning av mänskligt avfall och kunde användas för att odla en annan mikrobe, Methylococcus capsulatus, som används som djurfoder idag. Teamet drog slutsatsen att en sådan mikrobiell tillväxt kan användas för att producera en näringsrik mat för rymdflygning. De rapporterade i Life Sciences in Space Research att de odlade M. capsulatus som var 52 procent protein och 36 procent fett, vilket gör den till en potentiell näringskälla för astronauter.

Eftersom patogener också är ett problem med växande mikrober i en sluten, fuktigt utrymme, laget studerade sätt att odla mikrober i antingen en alkalisk miljö eller en miljö med hög värme. De höjde systemets pH till 11 och blev förvånade över att hitta en stam av bakterierna Halomonas desiderata som kunde trivas. Teamet fann att denna bakterie var 15 procent protein och 7 procent fett. Vid 158 grader Fahrenheit, som dödar de flesta patogener, de odlade den ätbara Thermus aquaticus, som bestod av 61 procent protein och 16 procent fett.

"Vi undersökte också dramatiska förändringar av hur mycket avfall som producerades, till exempel, om rymdfarkosten hade en större last än vanligt, och systemet rymde så bra, sa House.

Teamets kompakta design hämtade inspiration från akvarier, som använder ett fastfilmsfilter för att behandla fiskavfall. Dessa filter använder en specialdesignad, bakterietäckt filmmaterial med hög ytarea.

"Vi använde material från den kommersiella akvarieindustrin men anpassade dem för metanproduktion, "sa huset." På ytan av materialet finns mikrober som tar fast avfall från strömmen och omvandlar det till fettsyror, som omvandlas till metangas av en annan uppsättning mikrober på samma yta. "

Teamet tog bort 49 till 59 procent av fasta ämnen på 13 timmar under deras test. Detta är mycket snabbare än befintlig behandling av avfallshantering, som kan ta flera dagar. House sa att deras system inte är klart för tillämpning ännu - denna första studie undersökte de olika komponenterna isolerat och inte ett fullt integrerat system.

"Varje komponent är ganska robust och snabb och bryter snabbt ner avfall, "sa House." Det är därför detta kan ha potential för framtida rymdflygning. Det är snabbare än att odla tomater eller potatis. "

I dag, astronauter ombord på den internationella rymdstationen återvinner en portion vatten från urinen, men processen är energikrävande, sa House. Hantering av fast avfall har varit ett större hinder. Detta kastas för närvarande ut i jordens atmosfär där det brinner upp.

"Tänk om någon skulle finjustera vårt system så att du kunde få tillbaka 85 procent av kolet och kvävet från avfall till protein utan att behöva använda hydroponics eller artificiellt ljus, "sa House." Det skulle vara en fantastisk utveckling för resor i rymden. "