Как космонавты борются с грибком и бактериями
Международная космическая станция — это герметично замкнутый объект с искусственной средой обитания. На МКС постоянно поддерживается газовый состав воздуха, аналогичный земному: нормальная влажность, комфортная температура — и нетрудно понять, что создание и поддержание таких условий на орбите требует работы целого комплекса сложных инженерных систем, называемых системами жизнеобеспечения. Все это оборудование постоянно фильтрует воздух станции, очищая его от твердых примесей, выводит с помощью других фильтров излишки CO2, который образуется при дыхании, пополняет атмосферу станции привезенным с Земли кислородом взамен «выдышанного» обитателями МКС. Другая аппаратура отвечает за то, чтобы уровень влажности на станции не опускался ниже 50% и не поднимался выше 60%: в зависимости от необходимости воздух насыщается влагой или, напротив, высушивается. Но есть еще один компонент среды обитания на МКС, который обязательно присутствует и с которым нельзя не считаться. Это микроорганизмы: бактерии и плесеневые грибы. Источником бактерий является в основном человек — бактерии в несметных количествах живут и внутри нас, и на поверхности нашего тела. А вот грибы...
Нежеланные пассажиры
Замесите тесто из муки и воды, не добавляя туда никаких дрожжей. Если дать этой массе постоять, в ней через какое-то время все равно начнется, пусть слабое, дрожжевое брожение. Откуда взялись дрожжи? Из воздуха! Споры микроскопических грибов (и не только дрожжей) постоянно находятся вокруг нас — и в воздухе, и на поверхностях предметов.
«Перед запуском все внутренние объемы "Союзов", транспортных кораблей, обитаемых модулей дезинфицируются, — рассказывает Светлана Поддубко, старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем. — Поверхности протирают салфетками, смоченными 3%-ным раствором перекиси водорода (в Европе и США используют 6%-ный раствор). Очищают воздух. По нормативу на 100 см2 поверхности должно приходиться не более 1000 колониеобразующих единиц микроорганизмов. Таким образом, микроорганизмы хотя бы в небольшом количестве обязательно попадут на МКС. Отправляемые на орбиту аппараты чисты, но не стерильны».
Откуда в космосе гнилые яблоки?
Чем же опасны эти микроорганизмы? «В последние годы эксплуатации российской орбитальной станции "Мир" возникла неожиданная проблема, — рассказывает Светлана Поддубко. — Вышел из строя прибор коммутационной связи, и космонавты перестали слышать Землю. Выход был найден — благо все системы станции резервируются, но причину поломки выяснить не удалось, пока прибор не доставили на Землю. А на Земле обнаружили, что пластиковые оплетки проводов разрушены и произошло замыкание. Виной всему была плесень».
На той же станции «Мир» было отмечено еще одно неприятное явление. Прилетавшие на станцию космонавты жаловались, что ощущают, как будто попали в подвал с гнилыми яблоками. Со временем обитатели «Мира», что называется, принюхивались, и этот запах больше их не беспокоил. Но где его источник? Плесень!
«Плесеневые грибы устроены довольно примитивно, и им для выживания нужно всего шесть химических элементов, — объясняет Светлана Поддубко. — Однако эти элементы надо откуда-то получить. И тогда они включают свой активный ферментативный аппарат (например, кислотообразование). С помощью выделяемых ферментов грибы пытаются разрушить межмолекулярные связи полимеров, а затем "изъять" нужные для питания элементы. Плесень, таким образом, заселяет пластиковые детали, а затем постепенно разрушает их. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, могут быть весьма пахучими — вот и секрет "запаха гнилых яблок". Одна из форм активно производит вещество с таким "ароматом" в период колониеобразования».
Бактерии не представляют такой угрозы, как плесень. Отправляющиеся на орбиту космонавты — это многократно исследованные медиками здоровые люди, которые не могут быть носителями возбудителей серьезных инфекционных заболеваний. Однако и здесь определенный риск присутствует. Существует, например, бактерия «золотистый стафилококк» (Staphylococcus aureus), которая в свое время мутировала в так называемый госпитальный штамм, особенно опасный для новорожденных младенцев. В нашей стране в свое время закрыли немало роддомов, где потом буквально выжигали стены — вывести этого вредного микроба другими способами почти невозможно. Так вот, взрослый человек может быть совершенно здоровым, но носить в себе золотистый стафилококк. И на борту космической станции эта бактерия может стать возбудителем заболевания, если у одного из членов экипажа возникнут проблемы с иммунитетом. Такого пока не случалось, но это не значит, что риск подобного события равен нулю и размножение бактерий на МКС не надо ограничивать.
Вода и кожа
«Условия для размножения потенциально вредных микроорганизмов на МКС, к сожалению, есть, и это вытекает из специфики станции с ее герметичной замкнутостью и отсутствием гравитации, — рассказывает Светлана Поддубко. — Мы на Земле, в наших жилищах можем жить и с большей концентрацией бактерий в воздухе. Но у нас всегда есть возможность проветрить помещение и устроить хорошую влажную уборку с большой дозой дезинфицирующих веществ. На МКС таких возможностей нет. Там убираются с помощью пылесоса и салфеток, слегка смоченных водным дезинфицирующим раствором. На станции существуют и так называемые застойные зоны, где движение воздуха происходит со скоростью менее 0,1 м/с, — для плесени это хорошо. Микроорганизмы очень любят питаться натуральным белком — и его на станции в избытке. Люди постоянно теряют мелкие частички кожного покрова, и если эти частички попадут в какое-нибудь влажное место, то получится биомасса, которая станет отличным субстратом для создания колоний плесени».
Места с концентрацией жидкой влаги на МКС есть. Все модули станции имеют круглое сечение, но рабочие объемы заключены в плоские условные «стены», «полы» и «потолки». Между внутренними и внешними стенами образуется, таким образом, плохо проветриваемое запанельное пространство. Внешние стены модулей — обечайки — очень прочны, но при этом довольно тонки. Они то разогреваются солнцем до +50, то охлаждаются до -50°С в тени, и в результате перепадов температур на внутренней стороне обечайки выступает влага и появляется водяная пленка. Там плесени самое раздолье, а когда созреют споры, они легко разлетятся по всей станции — гравитации-то нет. В общем, с микроорганизмами в космосе надо бороться, и, к счастью, уроки станции «Мир» не прошли даром.
«Пусть поработает в космосе...»
В начале 1990-х Александр Наголкин и Елена Володина — два инженера, работавших в советской космической индустрии — решили уйти в частный бизнес, для чего в 1994 году основали компанию «Поток-Интер». «В КБ "Салют", — рассказывает Елена Володина, — я занималась системами жизнеобеспечения в космосе, и тема мне была хорошо знакома. Но частным компаниям в этой сфере делать было нечего, и мы обратились к медицине. В те времена как раз стали появляться частные клиники с высоким уровнем предоставления услуг, и требовались, в частности, системы очистки воздуха в операционных. Обычная фильтрация, например с помощью HEPA-фильтров, была не слишком эффективной, так как источник биозагрязнения находился внутри помещения. И мы придумали эффективную технологию биологической очистки воздуха с помощью электрического поля».
Основатели компании «Поток-Интер» рассчитывали продвигать свой продукт как на российском рынке, так и за рубежом. Но, представляя аппарат на международных выставках, они слышали одно и то же: «Российская технология? Почему мы должны поверить в ее эффективность? Вот если бы она поработала в космосе...». В 1995 году Елена Володина встретилась с руководством НПО «Энергия» и предложила разместить на станции «Мир» аппарат для биологической очистки воздуха «Поток». В качестве главного аргумента она напомнила о проблемах, которые создает плесень для электрооборудования. В конце концов космических начальников удалось убедить, но не купить прибор, разумеется, а отправить его на станцию «Мир» в качестве экспериментального оборудования. «Поток» показал себя настолько хорошо, что для служебного модуля (СМ) строящейся МКС аппарат «Поток-150-МК» уже был заказан и приобретен.
А в 2009 году NASA решило сделать обитаемым принадлежащий американцам (но построенный в России) функциональный грузовой блок (ФГБ) и устроить там спальные места для астронавтов. Однако обнаружилась проблема — слишком высокий уровень обсемененности микроскопическими грибами. При американской норме 100 ед. на 1 м3 воздуха в ФГБ это значение составляло 1260 ед. И тогда NASA попросило у российских партнеров дать им попользоваться «Потоком». Прибор довел содержание грибов в воздухе до нуля, после чего американцы заказали себе этот прибор для постоянного размещения в ФГБ. Теперь на МКС их работает два, причем первый, тот, что установлен в СМ, исправно функционирует уже почти 15 лет.
Убийство полем
«Поток-150-МК» — комплексная система, которая может как очистить воздух от пыли, так и инактивировать микроорганизмы постоянными электрическими полями. Система уничтожает и все белковые останки микроорганизмов, чтобы они не стали питательной средой для размножения новых грибов и бактерий.
«Главный принцип работы "Потока" состоит в следующем, — говорит Елена Володина. — С помощью вентилятора воздух подается в канал, в котором поочередно размещены пакеты пластин из пенометалла и пенополиуретана (в качестве диэлектрика). В качестве пенометалла мы чаще всего применяем пеноникель. Такой пенометалл позволяет создавать правильные напряженности (электрополя) на своего рода "наноиглах", которые присутствуют в его структуре. Много раз меняя полярность, мы воздействуем на клетку как на диполь. В результате множественного воздействия клетка разрушается. Прибор оснащен блоком питания, который выступает и как контроллер. Он постоянно снимает вольтамперную характеристику с прибора и сравнивает ее с эталонной. Если есть несовпадения, значит, прибор работает неправильно».
Работа в космосе создала хорошую репутацию и технологии, защищенной патентами в России, США, Японии, ЕС, и самому аппарату «Поток», но и на Земле он может быть полезен. «С появлением пластиковых стеклопакетов проблема биозагрязнения воздуха обострилась, — говорит Елена Володина. — Помещения хуже проветриваются. А значит, плесени и прочим микробам стало комфортнее. Биологическая очистка воздуха востребована и на транспорте, и в пищепроме, и в общественных зданиях, но главное ее применение, конечно, остается в сфере медицины, где "Поток" уже давно и успешно работает».