Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения

Трифонов, Сергей Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения
ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения"

ОБ ЯЗ ДІЄ IIЬНЪЙ* ЬЕСПЛАШЫЙ ЭК 'НШі&Шфукописи

0050485ЭО

Трифонов Сергей Викторович

МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В СРЕДЕ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЗАМКНУТОСТИ БИОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

03.01.02 - биофизика

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических на\'к

2 4 ЯНВ 2013

Красноярск - 2012

005048593

Работа выполнена в лаборатории управления биосинтезом фототрофов ФПБУН Института биофизики Сибирского отделения РАН и на кафедре биофизики Института фундаментальной биологии и биотехнологии ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.

✓ Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Тихомиров Александр Аполлинарьевич

Официальные оппоненты: Сомова Лидия Александровна, доктор

биологических наук, ФГБУН Институт биофизики СО РАН, лаборатория экологической информатики, ведущий научный сотрудник

Судачкова Нина Евгеньевна, доктор биологических наук, профессор, Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, отдел физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений, главный научный сотрудник.

Ведущая организация: Федерата!гое государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Защита состоится 12 февраля 2013 г. в 45:00 на заседании диссертационного совета Д003.007.01 при Федерачьном государственном бюджетном учреждении науки Институте биофизики СО РАН по адресу: 660036, Красноярск, Академгородок, д. 50 стр. 50.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биофизики СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок. 50, стр. 50.

Автореферат разослан «_>> января 2013 г.

Ученый секретарь /^¿к-г.--*.--^

диссертационного совета, //

доктор биологических наук - </ Л.А. Франк

/ВІЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность: Ключевым условием возможности осуществления космических миссий с человеком на борту является наличие системы жизнеобеспечения (СЖО), обеспечивающей регенерацию среды обитания человека и делающей возможным его ;уществование во внеземных условиях. Дія длительных космических экспедиции необходимо создашіе такой СЖО, которая была бы способна воспроизводить необходимые зетцества из уже отработанных продуктов, таким образом, осуществляя замкнутый круговорот вещества внутри системы, подобно биосфере Земли. По способу регенерации :реды в общем случае СЖО подразделяются на физико-химические и биолого-гехнические (БТСЖО). Для БТСЖО пршпщп функционирования основан на том, что средообразующая роль отведена растительному звену, а утилизация отходов в значительной степеїпі осуществляется физико-химическим методом.

В настоящее время одной из наиболее важных проблем в создании БТСЖО является разработка, наряду с основным биологическим методом, экологически безопасного дополнительного физико-химического метода переработки органических отходов, способного достаточно быстро и без больших энергозатрат преобразовать отработанный органический материал в форму приемлемую для дальнейшего поступлення в звено высших растений. Работы в данном направлении идут в различных странах, развивающих космическую отрасль. Одним из успешных вариантов осуществления такого метода является реактор «мокрого» сжигания, разработанный в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН. Суть данного метода заключается в окислении органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического ПОЛЯ.

В многочисленных экспериментах (Tikliomirov et al., 2003, 2008; Zolotukliiii et al., 2005) было установлено, что используя минерализованные растворы органических отходов, полученные данным методом «мокрого» сжигания, можно выращивать приемлемые урожаи культурных растений. Однако не известен состав газообразных продуктов реакции «мокрого» сжигания и их влияние на высшие растения. Кроме того, реакция минерализации в лабораторных условиях протекала в небольшом объеме, и не было известно, будет ли процесс идти также успешно в больших объемах, необходимых для удовлетворения нужд реальных СЖО.

Данная диссертационная работа является продолжением многолетних исследований в области развития такого физико-химического метода, и ее тема является частью проблелал разработки физико-химического метода утилизации органических отходов для замкнутых систем жизнеобеспечения.

Цели и задачи неследоваїпія: Оценка возможности повышения степеїш замыкания БТСЖО путем минерализации органических отходов в среде перекиси водорода, активированной переменным электрическим полем.

Для достижеши цели были поставлены следующие задачи:

1. Оценить процесс минерализации различных типов органических отходов, протекающий в объеме, соответствующем требованию БТСЖО с экипажем из двух человек, по таким параметрам, как: химический состав получаемых растворов, затраченные энергия и время.

2. Изучить химический состав газовой компоненты продуктов физико-химического окисления различных типов органических отходов и рассмотреть возможность его вовлечения в массообмеиные процессы БТСЖО.

3. Провести биотестирование жидких и газообразных продуктов физико-химического окисления, возникающих при минерализации органических отходов, используя растения редиса, как тест-объект.

Научная новизна работы: Были изучены основные параметры (энергопотребление, продолжительность, динамика силы тока) протекания реакции окисления органических отходов, характерных для БТСЖО, перекисью водорода под действием переменного электрического тока. Установлено, что процесс окисления протекает с повышением электропроводности растворов, кроме того наблюдается тенденция к снижению удельного энергопотребления (Вт-ч/л) и времени реакции при увеличении объема реакционной смеси.

Выяснен химический состав как газовых, так и жидких продуктов минерализации органических отходов растительного и животного происхождения в реакторе «мокрого» сжигания. В состав растворов входят преимущественно неорганические соли и основания, с небольшим содержанием органического вещества. Газообразные продукты состоят в основном из водорода, кислорода, углекислого газа и аммиака, имеются следовые количества органических соединений (преимущественно органические кислоты и ароматические соединения), молекулярный азот не обнаружен.

Изучено влияние жидких и газообразных продуктов реактора «мокрого» сжигания, возникающих при минерализации органических отходов, на структуру и формирование урожая редиса, как тест-объекта. Установлено, что никакого отрицательного воздействия на растения редиса продуктами реакции оказано не было.

Экспериментально доказана возможность полного включения в круговоротный процесс продуктов минерализации из реактора «мокрого» сжигания, без какого-либо существенного нарушения работы фототрофного звена (на примере редиса).

Практическая значимость: Выявлен ряд ключевых параметров (величины тока и напряжения, эффективность использования перекиси водорода и др.) кинетики проте-кахшя реакции минерализации органических отходов, которые необходимо учесть в случае проектировали для БТСЖО реактора «мокрого» сжигания рассматриваемого типа.

растворы для гидропоники. Это позволяет рекомендовать использование изучаемого метода утилизации органических отходов в будущих БТСЖО. Положения, выносимые на защиту:

1. Газ, выделяющийся в процессе минерализации органических отходов, после пропускания через кислотный раствор и каталитического доокисления может быть использован как компонент атмосферы при выращивании высших растений без какого-либо существенного влияния на формирование урожая.

2. Продукты процесса минерализации органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля не оказывают токсического воздействия на растения и могут быть включены в массобмен замкнутой БТСЖО. Апробация работы и публикации Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на 38-й научной конференции COSPAR (Бремен, 2010,); на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); па VII Съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных технологий» (Нижний Новгород, 2011); на международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2012).

Результаты диссертационной работы изложены в 9-ти печатных работах, из которых 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ВАК для кандидатской диссертации, одна - в иностранном рецензируемом журнале, 6 - в сборниках материалов конференций и тезисов.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта № 5 (блок № 4: «Компактное устройство для физико-химической утилизации отходов жизнедеятельности человека в замкнутых экосистемах») СО РАН.

Личный вклад автора Автором лично выполнены эксперименты по минерализации органических отходов, выращиванию растений редиса и анализу их физиологических характеристик, а также обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.

Благодарности Автор приносит искреннюю благодарность своему руководителю д.б.н., проф. A.A. Тихомирову за научное руководство, и коллегам по лаборатории за помощь на всех этапах работы, а именно: к.б.н. С.А. Ушаковой, Э.К. Волковой, О.В. Паршиной, к.б.н. H.A. Тихомировой, к.б.н. Е.С. Шклавцовой, к.б.н. В.В, Величко и др. Особую признательность автор выражает коллегам по лаборатории к.ф.-м.н. Ю.А. Куденко и инженеру М.В. Мачкову. Кроме того, автор благодарен сотрудникам других лабораторий и организаций за помощь на разных этапах лабораторных исследований. Структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Она содержит 135 страниц, включая 34 рисунка и 19 таблиц.

Список литературы включает 134 ссылки на работы отечественных и иностранных авторов.

Основное содержание работы

Введение.

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы исследования, лотка ее реализации, цели, задачи, положения, выносимые на защиту, научная и практическая значимость работы.

Глава 1. Современное состояние работ по исследованию и разработкам методов регенерации среды и СЖО (обзор литературы).

В первой главе дан краткий анализ исследований, проводившихся как у нас в стране, так и за рубежом, посвященных проблеме переработки органических отходов применительно к замкнутым БТСЖО. Глава начинается с утверждения о том, что наиболее перспективным вариантом СЖО являются системы, включающие в себя, как физико-химические, так и биологические методы регенерации среды. Далее рассматриваются наиболее распространенные метода физико-хишгческой регенерации среды в условиях замкнутых СЖО, использовавшихся, как в прошлом, так и в настоящее время. Приведены результаты исследований (Kudenko et al., 1997; Tikhomirov et al., 2010), касающихся разработки основ метода «мокрого» сжигания органических отходов (Способ утилизации отходов жизнедеятельности ..., 1998), который использовался в данной работе. Вторая часть главы посвящена биологическим методам регенерации среды, показан ряд преимуществ использования звена высших растений в качестве основного биологмеского регенератора среды (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979; Малоземов, 1986; Yumiiig, Hong, 2009), в сравнении с микроводорослями (Проблемы создания ..., 1975; Lasscur, 1996; Vieira da Silva, Lasseur, 2004; Ling et al., 2009). Приводятся сведсшм о возможности воспроизводства животной пищи с помощью некоторых гетеротрофных организмов (Hashimoto et al., 2007; Verbitskaya et al., 2010; Hashimoto, 2007; Xiaohui et al., 2009). Проводится сравнение возможностей использования бактериальных культиваторов (Проблемы создания ..., 1975; Closed Habitation Experiments ..., 2004; Application of a Closed ..., 2007; Poughon et al., 2009) и почвоподобного субстрата (Mamikovsky, 1997; Waiting et al., 2009), как биологических методов утилизации отходов. В третьей части главы сделан краткий анализ созданных или разрабатывавшихся в прошлом прототипах полноценных замкнутых биолого-технических СЖО, как зарубежных, так и отечественных, таких как: BIOSPIIERE-2 (США), «Биос-3» (СССР - Россия), CEEF (Япония) и MELISSA (ЕС). Показано, что высшие растения являются неотъемлемой частью таких СЖО и очевидно, что необходимо исследовать проблему влияния на них физико-хтоиеских методов регенерации среды. При этом главное требование к данным методам заключается в том, что они не должны препятствовать получению максимального урожая, так как первоочередной задачей растсшш является производство пшци и кислорода дтя экипажа. Последний раздел главы посвящен

данному вопросу, где показано, что метод (Способ утилизации отходов жизнедеятельности .... 1998) является перспективным дня получения минеральных удобрений внутри СЖО и может быть использован в совокупности с биологическими методами утилизации отходов (Мапикстку, Коуаіеу, 2009), однако отмечается, что до сих пор не было изучено влияние газовой компоненты продуктов, полученных при использовании данного метода, на высшие растения.

Глава 2. Методы минерализации органических отходов и их использование для выращивания растений.

Дтя исследования особенностей протекания реакции окисления органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля были проведены опыты по сравнению процессов минерализации отходов в реакторах лабораторного и полупромышленного типов с рабочими объемами 1,3 л и б л соответственно. Сравнение процессов осуществлялось по таким параметрам, как время протекания реакции окисления, энергетические затраты, состав и степень окисленности получаемых продуктов. В процессе эксперимента использовалось два пша органических отходов: 1) экзометаболиты человека и 2) несъедобная растительная биомасса. В первый тип отходов входили урина и плотные выделения, в соотношении суточной нормы, с добавлением Н202 в количестве 0,5 мл на 1 мл урины и 4 мл на 1 г плотных отходов (Кисіепко е! аі., 1997; Способ утилизации отходов жизнедеятельности ..., 1998). Несъедобная растительная биомасса представляла собой измельченную солому с добавлением в количестве 18 мл на 1 г соломы и 50 мл урины на 1 л перекиси водорода (для улучшения электропроводности) - так называемая модельная смесь (Кисіепко еі аі., 1997: Способ утилизации отходов жизнедеятельности ..., 1998).

Помимо модельного раствора растительных отходов проводилась минерализация смеси несъедобной растительной биомассы по своему составу более приближенной к реальной, условно называемой рабочей смесью. В ее состав входили несъедобные надземные части растений пшеницы, чуфы и редиса в соотношении 5,31:2,25:1 соответственно (расчет соотношения масс проводился исхода из данных ранее выполненных работ (Замкнутая система ..., 1979; Оііеіяоп еі аі., 2003)). Эта смесь использовалась дня приготовления питательных растворов в экспериментах с редисом.

Принципиальная схема устройства реакторов различных типов не отличается (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема реактора «мокрого» сжигания: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - с ливной клапан; 3 - вентиль; 4 - змеевик охлаждения газов; 5 - электроды; 6 - мембрана сбивания пены; 7 - емкость для сброса излишков пены; а, б - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммика; с - сосуд фиксации аммиака с 6 °»-ной азотной кислотой.

Получаемые минерализованные растворы и осадки из реакторов «мокрого» сжи-гаиия анализировали на содержание элементов К, Na, Ca, Mg, F, S, C1 и Fe и остаточного иедоокисленного органического вещества, в аналитической лаборатории ИБФ СО РАН. Кроме того, в лаборатории управления биосинтезом фототрофов этого же Института проводили анализ на содержание общего азота и аммиака. Для растворов минерализованных экзомстабояигов человека проводили дополнительный анализ на содержание мочевины, для раствора минерализованной несъедобной растительной биомассы выполняли дополнительный анализ на содержание нитратного азота. Все растворы после минерализации доводили дистиллированной водой до первоначального объема пере-кисного раствора органических отходов, так как в разных типах реакторов растворы упаривались в различной степени, и необходимо было провести сравнительный анализ.

Концентрации Na и К определяли на пламенном фотометре FLAPHO-4 (Carl Zeiss, Jena) в воздуїшю-пропановом пламени (ГОСТ 30503-97; ГОСТ 30504-97; РД 52.24.39195). Ca и Mg определяли атомно-абсорбционным методом в воздушно-ацетиленовом пламени на спектрофотометре SolaaiMS (Thermo Electron, США) (ГОСТ 26570-95; ГОСТ 30502-97; DIN EN ISO 7980-2000), а Fe - на спектрофотометре «ААС Кваїгг 2А» (ГОСТ 30692-2000; ISO 8288:1986). Определение содержания серы в минерализованных растворах, после фильтрации через катеонит КУ-2, проводили титриметрическим методом (РД 52.24.406-2006). Сера в осадке определялась татри митрическим методом (Кузнецов и др., 1968). Выполнение измерений массовой концентрации хлоридов осуществлялос] титриметрическим методом (РД 52.24.407-2006). Массовую концеїгграцшо общего фосфора в растворе, после предварительной фильтрации, определяли фотометрическим ме •годом (РД 52.24.387-2006). Количество остаточной неокисленной органики оценивал! по значению химического поглощения кислорода (ХПК), определяемому титриметриче

ским методом (БНД Ф 14.1:2.100-97). Общий азот определяли ускоренным колориметрическим методом (Илешков, 1976). Для определения ипритного азота использовали колориметрический метод с применением дисульфофеноловой кислоты (Плешков, 1976). Аммиачный азот в растворах определяли фотоколориметрическим методом с реактивом Несслера (Плешков, 1976). Содержание мочевины в растворе определялось фотоколориметрическим экспресс-анализом с помощью набора реагентов для определения мочевины Новокарб (ЗАО «ВЕКТОР-БЕСТ») (URL: http://ww\v.vector-bestru/).

В схему устройства реакторов «мокрого» сжигания в процессе данной работы был включен платановый катализатор, как один из экспериментальных методов переработки выделяющегося газа (для окисления водорода и летучих углеводородов). Для оценки эффективности предложешюго метода переработки газа анализ проводили в двух вариантах: 1) анализ газа не подвергавшегося переработке (протекание через сосуд фиксации аммиака и платиновый катализатор) и 2) анализ газа переработанного данным методом. Для определения объема выделившегося газа, газгольдц-) подключали к насосу с газовым счетчиком СГБМ-1.6 (ООО ПКФ «БЕТАР»), Анализ состава газа осуществлялся в лаборатории Научно-технологического отдала прикладного катализа (НТО ПК) Института катализа СО РАН методом газоабсорбционной хроматографии на хроматографе Цвет 500 и в аналитической лаборатории ИБФ СО РАН на газовом хроматографе с масс-снеклромегрическим детектором 6890N/5975C (Agilent Technologies, USA). На данных хроматографах определяли содержание Н2, 02, N2, СН4, СО, С02, S02, H2S и летучих органических соединений, количество выделяющегося аммиака определяли по его содержат®) в двух последовательно соединенных колбах с б %-ной азотной кислотой фото-колоримегрическим; методом с реактивом Несслера (Плешков, 1976).

Для оценки возможности использовании продуктов минерализации органических отходов была проведена серия экспериментов, в которой растения выращивали в герметичных камерах с различной степенью включения данных продуктов. D качество растений был выбран редис (сорт «Моховский»), как одно из наиболее чувствительных растений к токсичным веществам с хорошо выраженной реакцией на неблагоприятные факторы (Николаевский, 1979). Использовали два типа растворов минерализованных органических отходов для выращивания растешш: минерализованные экзометаболшы человека и смесь минерализованных растворов несъедобной растительной биомассы (рабочая смесь) и экзометаболитов человека. Во втором типе минерализованного раствора соотношение между количеством окисленной несъедобной растительной биомассой и окисленными экзометаболитами человека устанавливалось исходя из соображения, что весь азот, содержащийся в сжигаемых экзометаболитах человека должен полностью обеспечивать азотным тгганием съедобную часть выращиваемых растешш (имитируя, тагам образом, круговорот вещества между звеном высших растений и экипажем СЖО), а азот сжигаемой неемдобной части растительной биомассы соответственно обеспечивает выращивание несъедобной часта растешш. Количество подаваемого минерализованного раствора рассчитывали исходя из начального содержания азота в

растворе до окисления и количества азота, требующегося для получения ожидаемого урожая с используемой площади (Замкнутая система ..., 1979). В данные растворы добавлялись шпраты калия и кальция для корректировки содержания азота, улетучившегося из раствора в форме аммиака, и доведения его уровня до коїггрольного значения. Состав получаемых питательных растворов представлен в Таблице 2.1. Объем подаваемого газа зависел от количества подаваемого раствора. Уровень углекислого газа в камерах, интенсивность ФАР и температура во всех вариантах поддерживались на уровне снятия лимита скорости фотосинтеза. Выращивание растений проводили в четырех вариантах: КОНТРОЛЬ (питательная среда - модифицирований раствор Кнопа, атмосфера - воздух и С02 из баллона); ГАЗ (питательная среда - модифицированный раствор Кнопа, атмосфера - воздух, газ из реактора и СОг из баллона); ҐАЗ+РАСТВОР (питательная среда - раствор из реактора, атмосфера - воздух, газ из реактора и С02 из баллона); РАСТВОР (питательная среда - раствор из реактора, атмосфера - воздух и С02 из баллона). Таким образом, было выполнено 8 вариантов опыта (в одной камере выращивалось не более одного варианта опыта): 2 типа минерализованных отходов и 4 варианта выращивания растений дая каждого типа отходов. Все опьггы проводили в двукратной повторное™.

Таблица 2.1.

Минеральный состав питательных растворов.

Тип питательного раствора Модифицированный раствор Кнопа Первый тип минерализованного раствора Второй тип минерализованного раствора

Азот Общий 0 11,9 50,9

Аммонийный 0,02 7,15 34,2

Нитратный 153 164 161

К 168 180 279

Na 5,44 95,0 38,6

Ca 169 163 176

Mg 24,4 6,44 11,5

Р 57,0 10,7 15,4

s 32,7 21,3 15,0

Fe 0,68 0,23 0,23

CI 1,01 42,5 24,2

pH 6,4 7,0 6,7

Состоите растений: оценивали по продукционным характеристикам, по состоянию фотосинтетического аппарата, минеральному составу, биохимии и динамике скорости поглощения углекислого газа (видимый фотосинтез). Скорость поглощения углекислого газа рассчитывали исходя из показашш га-*,анализатора Місго-Охутах (СІПА). Количественное определение пигментов проводили спектрометрическим способом (Гавриленко и др., 1975). Минеральный состав растений определяли с использованием тех же методик, что и при определении минерального состава осадка из минерализованных растворов. Биохимический анализ проводами на содержание восстанавливающих Сахаров и суммы Сахаров йо до метрическим методом (Починок, 1976).

Глава 3. Некоторые особенности протекания физико-химических процессов окислення органики в зависимости от размера реактора и параметров среды.

Процесс окисления органических соединений в среде перекиси водорода имеет радикально-ценной механизм (Эмануэль и др., 1965; Кисленко, Берлин, 1991). Из-за цепного характера реакции наиболее энергетически выгодно осуществлять процесс минерализации органических отходов в больших объемах, при таком условии требуется меньшее напряжение для поддержания процесса минерализации, в результате снижается удельное энергопотребление, приходящееся па 1 л окисляемого раствора. Кроме того, в больших объемах минерализация занимает меньше времени.

В частности, было показано, что при окислении экзометаболитов человека лучше всего использовать реакторы больших размеров, так как помимо энергетических и вре-мешгых выгод степень минерализации получаемого раствора выше, чем в случае использования реактора меньшего объема (Таблицы 3.1 и 3.2).

Таблица 3.1.

Энергетические характеристики реакции минерализации экзометаболитов человека в реакторе «мокрого» сжигания.

Тип реактора Время реакции, мин. Напряжение, В Удельное энергопотребление, ІЗтч'л. КПД ис пользования Н202, %

Начальное Рабочее Конечное

Лабораторный 150 100 70 100 776 15,3

Полупромышленный 96 100 50 50 152 21,5

Таблица 3.2.

Состав минерализованных экзометаболитов человека из реакторов различных типов.

Компоненты, содержащиеся в растворе и осадке Тип реактора

Лабораторный Полупромышленный

раствор, мг/л осадок, % раствор, мг/л осадок, %

Азот Общий 3926 2,48 4361 3,53

Аммонийный 699 - 910 -

К 1100 2,71 1300 1,25

N8 1800 7м,8 2000 1,88

Са 5,00 3,9 5,28 6,28

МІ 0,73 0,37 0,51 4,08

Р 161 2,88 173 5,50

Б 379 4,38 479 0,94

Ие 0,15 0,16 0,26 0,21

С1 3050 - 3500 -

ХІІК 1980 125 2220 52

Осадок 4737 - 799

Относительная погрешность определения не превышает 10 %.

При окислсшш несъедобной растительной биомассы также энергетически выгоднее использовать реактор с большим объемом. Более низкая степень минерализации получаемого раствора при этом ие является столь принципиальной проблемой, так как в общем случае при минерализации несъедобной растительной биомассы степень окис-лепносш раствором значительно выше, чем в случае минерализации экзометаболитов (Таблицы 3.3, 3.4). Учитывая успешное использование минерализованных экзометаболитов при выращивании растений (ТМопжоу е1 а1„ 2003, 2008; гоЬшкЫп ег а1., 2005), можно предположить, что данные значения ХПК для минерализованной растительной биомассы из реактора полупромышленного типа не отразятся негативно на получении приемлемых урожаев.

Таблица 3.3.

Энергетические характеристики реакции минерализации модельной смеси несъедобной растительной биомассы в реакторе «мокрого» сжигания.

Тип реактора Время реакции, мин. Напряжение, В Удельное энергопотребление, кВт ч/л. КПД использования н2о2, %

Начальное Рабочее Конечное

Лабораторный 780 . 200 150 200 7,95 26,6

Полупромышленный 660 200 100 150 1,60 25,9

Таблица 3.4.

Состав минерализованного раствора модельной смеси несъедобной растительной биомассы.

Компоненты, содержащиеся в растворе и осадке Тип реактора

Лабораторный Полупромышленный

раствор, мг/л осадок, % раствор, мг/л осадок, %

Азот Общий 533 1,45 446 1,08

Аммонийный 257 - 367 -

Нитратный 23,1 0,06 27,3 0,03

К 610 1,13 547 1,06

N3 240 0,35 191 0,43

Са 4,13 6.48 5,27 7,70

м§ 61,2 1,86 40,2 1,91

Р 108 9.6 135 6,1

Б 100 0,28 107 0,08

Ре 0,54 0,30 0,58 0,24

С1 280 - 294 -

хпк 535 35,6 765 38,4

Осадок 3685 - 5504 -

Относительная погрешность определения не превышает 10 %.

В состав выделяющегося газа входят в основном 02, С02, Н2, ЫНэ и углеводороды. Молекулярный азот не был обнаружен, что является очень важным фактом с точки зрения замкнутых круговоротных процессов в СЖО. Естественно, что газовую смесь такого состава нельзя вносить в замкнутую БТСЖО, так как аммиак и некоторые углеводороды токсичны для человека и растеїшй, а молекулярный водород может достичь пожароопасной концентрации в атмосфере системы. Ранее было предложено фиксировать

аммиак в кислотном растворе (Крепко еі аі., 1997; ТІИіотігоу й аі., 2010), однако при этом остаются углеводороды и молекулярный водород. Поэтому, было предложено каталитически доокислять водород и летучие углеводороды до воды и углекислого газа на платиновом катализаторе при температуре 200 °С. Предлагаемая методика переработки газовой составляющей продуктов реактора в перспективе способна оставить в составе газа только 02 и С02 (Таблицы 3.5, З.б). В данной работе не удалось добиться полной очистки газа от водорода и метана, что обусловлено техническим несовершенством установки: малое время контакта с катализатором, для окисления СШ необходимо использовать палладиевый, а пе платановый катализатор (Курзина, 2005).

Таблица 3.5.

Состав газа, выделяющегося из реакторов различных типов при минерализации экзометаболи-

Компоненты газовой смеси Ч ип реактора

Полупромышленный Лабораторный

со2 8,7 ± 1 % 6,2 ± 1 %

Ог 91 І 1 % 92.7 : 1 « а

Н2 <1 "/о <1 %

М1з 0 0

СНл 0,12% 0,12%

углеводороды С2 - С6 0 0

Спирты, альдегиды 0 0

Б-содержащие соединения 0 0

Объем газа 37 ± 2 л 41 і 2 л

ТаблицаЗ.б.

Состав газа, выделяющегося из реакторов различных типов при минерализации модельной смеси несъедобной растительной биомассы после переработки.

Компоненты газовой смеси Тип реактора

Но лупромышпенн ый Лабораторный

со2 22 ± 1 % 16,5 І 1 %

о2 78 і 1 »о 83,5 ± 1 %

н2 <1 % <1 %

МНз 0 0

СШ <10 ррт <10 ррт

углеводороды С2 - С6 0 0

Спирты, альдегиды 0 0

Я-содержащие соединения 0 0

Объем газа 86 ± 2 л 99 і 2 л

Минерализацию рабочей смеси несъедобной растительной биомассы проводили в реакторе лабораторного типа, что обуславливалось требованиями небольших объемов раствора д ія эксперимента с растениями редиса При этом использовали меньшее количество перекиси водорода: 10 мл перекиси водорода на 1 г сухого вещества, а не 16-18 мл, как предлагается при минерализации соломы. Такое отступление от методики было связано с тем, что в рабочую смесь несъедобной растительной биомассы не добавляли урину, для улучшения электропроводности, и в результате процесс занимал неопреде-псішо большее время для разложения всей перекиси в растворе. Было решено не добавлять урину, так как необходимо точно рассчитать количество используемого минерализованного раствора дія приготовленім гапательной среды, основываясь на содержании азота.

Несмотря на меньшее использование Н202, степень минерализации раствора остается вдвое ниже, по сравнешпо со случаем минерализации экзометаболитов человека: — 1,1 г/л и — 2 г/я для минерализованной растительной биомассы и экзометаболитов соответственно. Однако при этом сильно изменяется состав газа, который подавали в камеры с растениями (Таблица 3.7). Видно, что выделяющаяся газовая смесь в большей степени состоит из углекислого газа, а кислород занимает только треть объема, что естественно связано с использованием меньшего количества перекиси водорода для окисления восстановленного оргашсчсского материала.

Таблица 3.7.

Состав газа, выделяющегося из реактора «мокрого» сжигания лабораторного типа при окислении раствора рабочей смеси растительной биомассы, после переработки.

Компоненты газовой смеси Концентрация

С02 72,7 ± 1 %

о2 27,3 ± 1 %

Н2 <1 %

Ш, 0

сн4 <10 ррш

углеводороды Сг - Се 0

Спирты, альдегиды 0

Б-содержащие соединения 0

Объем газа 70,5±2 я

Следует отметить, что реакция окисления органических веществ в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля требует более глубокого изучения с детальным исследованием механизмов процесса. Отличия в составах растворов и газов из реакторов различных типов обусловлены сложной зависимостью путей разветвленных цепочек реакций от ряда физико-химических факторов (Шамб и др., 1958). В результате этого в продуктах окисления одного и того же исходного органического материала возможно иное распределение химических элементов, в зависимости от условий протекания процесса.

Для того, чтобы оценить насколько повысится степень замыкания биолого-технической системы жизнеобеспечения, если включить в нее реактор «мокрого» сжигания, как звено физико-химической переработки органических отходов, в основу расчетов следует положить результаты эксперимента по замыканию системы с включенным в нее звеном экипажа. Для этого был выбран проведенный в 1977 году четырехмесячный эксперимент в искусственной замкнутой экологической системе Биос-3 (Замкнутая система ..., 1979). При этом стоит обратить внимание на последний - третий этап эксперимента, в котором удалось достичь наибольшей степени замыкания - 80,6 %.

В качестве рассматриваемого типа реактора был выбран реактор по.тупромышленного типа, так как его объем позволяет единовременно утилизировать суточную норму экзометоболитов двух человек, что соответствует экипажу «Биос-3» на III этапе экспериментов по -замыканию системы (Замкнутая система 1979). Более того, данный тип реактора позволяет быстрее перерабатывать отходы с меньшим энергопотреблением и достаточной степенью минерализации. Большая скорость переработки отходов играет здесь очень важную роль, так как позволяет допустить, что реактор в течение су-

ток способен переработать суточную норму всех основных органических отходов системы: экзометаболиты и несъедобную растительную биомассы.

Имеет смысл рассмотреть два крайних случая реализации системы с включенным в нее реактором «мокрого» сжигания: 1 ) полный синтез перекиси водорода внутри системы и 2) полное ее запасание. В свою очередь, каждый из этих случаев можно разделить ira два варианта: 1 ) утилизация только экзометаболитов человека и 2) утилизация как экзометаболитов. так и несъедобной растительной биомассы. При расчете степени замыкания системы был использован тот же метод, чго и в эксперименте (Замкнутая система ..., 1979). Оценку замкнутости системы выражали, как R = (1-т/М)Т00%, где M - суточная потребность экипажа в веществах, a m - суточная потребность системы. Данные, полученные в результате расчетов, представлены в Таблице 3.8.

Таблица 3.8.

Степепь замыкания системы Биос-3 при включении в нее реактора "мокрого» сжигания полупромышленного типа.

Характеристики системы Биос-3 Утилизация экзометаболитов Утилизация экзометаболитов и растительной биомассы

Полный синтез R 78,8% 93,3 Vo 95,7 %

m 1485 кг/год 469 кг/год 301 кг/год

Полный запас R 78,8% 78,6 % 23,3 %

111 1485 кг/год 1499 кг/год 5372 кг/год

Можно отметить, чго в случае полного синтеза перекиси водорода внутри системы, как и ожидаюсь, степень замыкания сильно возрастает и, если пренебречь расходами 1и анализы, может достигать практически 100 %. Видно, что в случае полного запаса Н2О2 становится бессмысленным пытаться утилизировать растительную биомассу, так как потребуются большие запасы окислителя. Интересным является тот факт, что при даже полном запасании перекиси водорода, в случае минерализации только экзометаболитов человека, степень замыкания системы практически не уступает экспериментальному значешпо. При этом появляется преимущество, связанное со стерилизацией отходов человека, что является очень важным в условиях замкнутой системы.

Глава 4. Оценка возможностей использования продуктов реактора «мокрого» сжигании для выращивания высших растений (на примере редиса).

Доказательство возможности полного включения продуктов минерализации органических отходов разработанным в ИБФ СО РАИ методом мокрого сжигания в биолого-техиическую СЖО позволит говорить о том, чго проблема вовлечения этих продуктов в массообмен системы является принципиально решенной. Благодаря этому, открывается

возможность создания СЖО с высокой степенью замкнутости круговоротных процессов, что является важной характеристикой при разработке таких систем.

Минеральный состав растений (Рисунки 4.1 - 4.4) зависел непосредственно от минерального состава питательного раствора. 13 частности, повышенное содержание натрия в растениях, выращенных с использованием растворов минерализованных экзо-метаболитов человека, обусловлено высоким содержанием этого элемента в урине человека. В то же время этот фактор не так сильно выражен в опытах с использованием минерализованных органических отходов 2-го типа, так как в этом случае растворы окисленных экзометаболитов разбавляются растворами окисленной несъедобной растительной биомассы. Во всех вариантах, где использовались окисленные органические отходы, наблюдается пониженное содержание М§, Р и Э, что обусловлено недостатком этих элементов в минерализованных растворах. Содержание общего азота во всех вариантах достоверно не отличается.

Рисунок 4.1 - Минеральный состав надземной части растений редиса (1-й тип органических отходов).

КОРНЕПЛОДЫ

□ КОНТРОЛЬ а ГАЗ

□ РАСТВОР

□ ГАЗ+РАСТВОР

гЬ

Мд

Р э

4.2 - Минеральный состав корнеплодов редиса (1-й тип органических отходов).

гН&Ґ7!' I':

□ КОНТРОЛЬ В ГАЗ

□ РАСТВОР

□ ГАЗ+РАСТВОР

Г"И*Нп , ҐТІНгЬ

Мд

Минеральный состав надземной части растений редиса (2-й тип орг ходов).

аиических от-

Рисунок 4.4 - Минеральный состав корнеплодов редиса (2-й тип органических отходов).

Содержание пигментов (Таблицы 4.1, 4.2) во всех вариантах находится в пределах физиологической нормы. 2 - 3,8 мг/дм2 (Шульгин, 1973). Данный факт указывает на то, что продукты реактора мокрого сжигания не оказывают повреждающего воздействия на фотосинтетический аппарат растений.

Таблица 4.1.

Содержание основных пигментов фотосинтетического аппарата растений (1-й тип органических отходов), мг/дм".

Пигменты КОНТРОЛЬ ГАЗ РАСТВОР ГАЗ+РАСТВОР

хл а/Ъ 2,41 2,31 2.66 2,28

а+ Ъ 2,43 ±0,41 2,02 ± 0,22 2,97 ± 0,57 2,85 ± 0,35

Каротиноиды 0,61 + 0.11 0,55 ± 0,08 0,78 ± 0,08 0,72 ± 0,08

Таблица 4.2.

Содержание основных пигментов фотосинтетического аппарата растений (2-й тип органических отходов), мг/дм2.

Пигменты КОНТРОЛЬ ГАЗ РАСТВОР ГАЗ+РАСТВОР

хл ЫЬ 2,77 2,91 2,73 3,00

а + Ь 2,19 ±0,47 2,94 ± 0,62 2,97 ± 0,30 3,31 ± 0,88

Каротиноиды 0,59 ±0,10 0,81 ±0,23 0,73 ± 0,12 0,89 ± 0,09

Анализ биохимического состава растений показал отсутствие достоверных различий в содержании углеводов и общего азота среди вариантов.

Нарушений в структуре урожая обнаружено не было, а различия в массах растений не являются достоверными (Таблицы 4.3 и 4.4). Исходя из этого, можно придти к выводу, что токсического воздействия продуктов реактора, приводящего к нарушению структуры урожая, не наблюдается.

Таблица 4.3.

Структурные характеристики урожая (1-й тип органических от.чодоп), в расчете на сухую массу одного растения, мг.

Структурные характеристики Полная масса Масса листьев Масса корнеплодов Кхоз.

КОНТРОЛЬ 3,49 ± 0,39 1,54 ± 0,23 1,83 ±0,21 0,52

ГАЗ 4,07 ± 1,18 1,96 ±0,53 1,99 ± 0,66 0,49

РАСТВОР 3.32 ±0,16 1,19 ±0,13 2,00 ±0,19 0,60

ГАЗ і РАСТВОР 3,61 ± 0,91 1,48 ± 0,34 2,03 ± 0,62 0,56

Структурные характеристики урожая (2-й тип органических отходов) одного растения, мг.

Структурные характеристики Полная масса Масса листьев Масса корнеплодов Кхоз,

КОНТРОЛЬ 3,26 = 0,44 1,25 ± 0,66 1,91 х 0,40 0,58

ГАЗ 3,69 ± 0,40 1,46 ±0,08 2,04 ± 0,44 0,56

РАСТВОР 3,40 ± 0,63 1,19 ±0,22 2,09 ± 0,66 0,62

1'АЗ)-РАСТВОР 3,31 = 0,38 1,39 = 0,21 1.73x0,36 0,52

Таким образом, можно заключить, что продукты исследуемого процесса минерализации органических отходов являются экологически безопасными для высших растений и возможно использование дашюго метода утилизации органических отходов в БТСЖО.

ВЫВОДЫ

По итогам выполненной работы были получены следующие общие выводы:

1. Увеличение объема реакционной зоны реактора приводит к уменьшению энергопотребления и времени реакции, т.е. к повышению эффективности процесса минерализации органических отходов.

2. Показано, что достигнутая степень минерализации растворов органических отходов, характеризующаяся значением ХПК (~ 2 г/л для экзометаболитов и ~ 0,7 г/л

Таблица 4.4. , в расчете иа сухую массу

для растительной биомассы), является приемлемой для использования данных растворов в высокозамкнутых массообменных процессах БТСЖО.

3. Установлено, что в состав выделяющегося газа за счет его пропускания через раствор азотной кислоты и последующего каталитического доокисления на платиновом катализаторе остается практически только 02 (91 - 93 % для экзометаболитов и 78 -83 % для растительной биомассы) и С02 (6-9 % для экзометаболитов и 17 - 22 % для

растительной биомассы).

4. Использование как жидких, так и газообразных продуктов процесса окисления органических отходов не оказывает отрицательного воздействия на фотосинтетическую продуктивность высших растений (на примере редиса).

5. Включите звена минерализации органических отходов с массообменпыми характеристиками, соответствующими реактору «мокрого» сжигания полупромышленного типа, в перспективе позволит повысить степень замыкания системы с 80 до 90 % при переработке экзометаболитов человека и до 95 % при переработке как растительных отходов, так и экзометаболитов человека (на примере П1 этапа эксперимента по замыканию системы Биос-3 с экипажем из 2-х человек).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих рецензируемых журналах:

1. Трифонов C.B. Физико-химическая переработка экзометаболитов человека для замкнутых систем жизнеобеспечения / К.Ф. Сутормииа, C.B. Трифонов, Ю.А. Ку-денко, Ю.А. Иванова, JL1'. Шшаева, АЛ. Тихомиров, Л.Л. Исупова //Химия в интересах

устойчивого развития, том 19, № 4, 2011. С. 413 - 420.

2. Трифонов C.B. Оценка состава и токсичности газов для растений при физико-химической переработке экзометаболитов человека применительно к биолого-техническим СЖО / A.A. Тихомиров, Ю.А. Куденко, C.B. Трифонов, А.Г. Дегерменджи, Е.Ф. Сутормина, Ю.А. Иванова // Доклады Академии наук. Биохимия, биофизика, молекулярная биология, том 441, № 2,2011. С. 266 - 268.

3. Trifonov S. Assessing the feasibility of involving gaseous products resulting from pliysicocliemical oxidation of human liquid and solid wastes in the cycling of a biotechnical life support system / Tikhomirov A., Kudenko Yu„ Trifonov S., Usliakova S. // Advances in Space Research, V. 49,2012. P. 249 - 253.

Работы, опубликованные в материалах конференций:

1. Трифонов C.B. Оптимизация процесса физико-химического окисления экзометаболитов для использования в ЗСЖО / C.B. Трифонов, Ю.А. Куденко, A.A. Тихомиров // Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков «ИКСФ - XXXVIII (2009)». - Красноярск, Сибирский федеральный университет, 2009.-С. 63.

Трифонов C.B. Оптимизация процесса физико-химического окисления экГ ™ ^ ИСП°ЛЬЗ°" В ЗСЖО / Ю А- А.А. Т ихомиров С Трифонов // Материалы научной конференцщ, студентов, аспират™ и молодых учен^ физиков «НКСФ - XXXVin nnnov ^ _ ^ милидых ученых-тет, 2009. - С. 178 -182 ~ кРасноярск, Сибирский федеральный универси-

3: tTrif0"0V bclusion of P^ducts of physicochemical oxidation of organic

Se b T f ^"^-l-hnica, life support systems / Tikhomirov П

Kudenko Y., Tnfonov S., Ushakova S. U 38th COSPAR Scientific Assembly 2010 -P 5 '

ТРНФ°,,0В C B Газоустойчивость растений при использовании фш'ико-

юГс::Гмокислеторгаиических °™дов ; св-

«11 МаТеРИЗДЫ с международным учащем, конферв

молодь, ученых, посвященной 90-летаю Уральского государствениого уж^ пГ им. A.M. Гордого «Биология будуЩего; 1ралиции и Новации,, _ Екатер^бург Уральский государствеиный yimsерсигет, 2010. - С. 80 - 81. Р >Р ;

5 Трифонов C.B. Влияние продуктов минерализации органических отходов на продукщюннь.е характернее растений редиса (примешано к „с экологическим системам) / C.B. Трифонов, А.А. Тихомиров, Ю.А. Kv-денко // v"

i растмшй россш <<Фи—— - фу——"г

Т1 ;Z „ JiiibîX ТеМ1а7°ГКЙ" Материалы докладов в двух частях Часть

IL- Нижнии Новгород, Нижегородский государствещ(ый университет, 2011. _ с. 70s"

ХОЛ1[( ^ ТРИФ°"0В CR Вли5Шие «Р W «мокрого» сжигания органический отходов напродукциошпле характеристики растений редис, / C.B. Трифонов А А Тихо миров, Ю.А. Куденко II Наука и образование: опыт, проблемы, пе'рспе™ мат-лы междунар. науч.-практ. „Нф. Час,ь П. Наука: опыт, проблема. перЗ" « Красноярск. Красноярска государственный а^рны* ут,ерсптет 2

Подписано в печать 26.12.2012 г. Формат60x84/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж90. Заказ X» 105 Отпечатало в типографии Института физики СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 38, ИФ СО РАН

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Трифонов, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И РАЗРАБОТКАМ МЕТОДОВ РЕГЕНЕРАЦИИ СРЕДЫ И СЖО (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Физико-химические методы регенерации среды.

1.2. Биологические методы регенерации среды.

1.3. Существующие прототипы биолого-технических систем жизнеобеспечения

1.4. Влияние физико-химических методов регенерации среды на звено высших растений в интегрированных БТСЖО.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ.

2.1. Окисление органических отходов в реакторах «мокрого» сжигания лабораторного и полупромышленного типа.

2.1.1. Окисление экзометаболитов человека.

2.1.2. Окисление несъедобной растительной биомассы.

2.1.3. Определение состава растворов из реактора «мокрого сжигания».

2.1.4. Анализ состава газа из реактора «мокрого» сжигания.

2.2. Методика эксперимента по выращиванию растений с использованием продуктов реактора «мокрого» сжигания.

2.2.1. Схема эксперимента.

2.2.2. Принципы использования продуктов реактора «мокрого» сжигания для выращивания растений редиса.

2.2.3. Условия выращивания растений редиса.

2.2.4. Контроль состава атмосферы вегетационной камеры.

2.2.5. Определение основных пигментов фотосинтетического аппарата растений редиса.

2.2.6. Определение минерального и биохимического состава растений редиса

ГЛАВА 3. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗМЕРА РЕАКТОРА И ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ.

3.1. Окисление экзометаболитов человека.

3.1.1. Динамика реакции и ее энергетические характеристики.

3.1.2. Химический состав продуктов реакции.

3.2. Особенности реакций окисления несъедобной растительной биомассы

3.2.1. Энергетические характеристики и динамика реакции окисления модельной смеси несъедобной растительной биомассы.

3.2.2. Химический состав продуктов реакции окисления модельной смеси несъедобной растительной биомассы.

3.2.3. Окисление рабочей смеси несъедобной растительной биомассы.

3.3. Включение реактора «мокрого» сжигание в массообменные процессы системы «Биос-3».

Введение Диссертация по биологии, на тему "Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения"

Ключевым условием возможности осуществления космических миссий с человеком на борту является наличие системы жизнеобеспечения (СЖО), обеспечивающей регенерацию среды обитания человека и делающей возможным его существование во внеземных условиях. Подходы к разработке систем жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов начиналась еще задолго до космической эпохи. Было очевидным, что для осуществления непродолжительных полетов такие системы могут функционировать на запасе всех необходимых веществ, однако для проведения более длительных космических экспедиций необходимо создание такой СЖО, которая была бы способна воспроизводить необходимые вещества из уже отработанных продуктов, таким образом, осуществляя замкнутый круговорот вещества внутри системы, подобно биосфере Земли.

По способу регенерации среды в общем случае СЖО подразделяются на физико-химические и биологические. Естественно, что, по крайней мере, на данный момент лучше всего с ролью регенерации среды справляются биологические, так как они представляют собой нечто вроде уменьшенной копии биосферы Земли, с потоками вещества между продуцентами, консументами и редуцентами. Однако, наряду с возможностью более полного восстановления среды, данные системы имеют недостатком большие времена оборота вещества, в частности «узким» местом в цикле материи является поток вещества от редуцентов к консумен-там. Из-за больших времен, превышающих время существования системы, преобразования элементов в форму доступную для продуцентов, такие системы фактически получаются разомкнутыми, при том, что они обладают потенциалом на 100 %-е замыкание.

Возможности физико-химических систем ограничены в способности производства пищи, так как неизвестны технологии производства полноценного искусственного синтетического питания. В то же время такие системы имеют гораздо более быстрые времена оборота веществ, в сравнении с биолого-техническими СЖО. Они вполне успешно справляются с функциями регенерации воды и кислорода, что оказывается вполне достаточным для осуществления непродолжительных (порядка 2-3 месяцев) космических полетов. На данный момент именно такие системы используются на современных орбитальных станциях и пилотируемых космических аппаратах, так как они способны в достаточной мере удовлетворить потребности экипажа в кислороде и воде.

Как биолого-техническая, так и физико-химическая системы обладают рядом достоинств и недостатков в сравнении друг с другом, при этом ни одна из них не способна обеспечить полное 100 %-е замыкание по круговороту вещества. Тем не менее, для создания марсианских станций, исключающих быстрое возвращение экипажа на Землю в случае аварии, требуются СЖО способные поддержать нормальную деятельность человека в течение времени от года и выше. Очевидно, что этому условию соответствуют системы, сочетающие в себе биолого-технические и физико-химические методы регенерации вещества. Такими системами являются интегрированные биолого-технические системы жизнеобеспечения (БТСЖО), по сути являющиеся гибридными.

Принцип функционирования таких систем основан на том, что средообра-зующая роль отведена растительному звену, а утилизация отходов в значительной степени осуществляется физико-химическим методом.

В настоящее время одной из наиболее важных проблем в создании таких типов СЖО является разработка экологически безопасного физико-химического метода переработки органических отходов, способного достаточно быстро и без больших энергозатрат преобразовать отработанный органический материал в форму приемлемую для дальнейшего поступления в звено высших растений. Работы в данном направлении идут в различных странах, развивающих космическую отрасль. Одним из успешных вариантов является метод «мокрого» сжигания, разработанный в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН. Суть данного метода заключается в окислении органических отходов в среде перекиси водорода под действием переменного электрического поля.

Работы по совершенствованию и оптимизации этого метода ведутся на протяжении нескольких лет. В основе этих исследований лежит представление о БТСЖО, как о системе, состоящей из трех основных звеньев: фототрофное звено —> человек (звено-задатчик) —> звено переработки органических отходов (продукты переработки данного звена возвращаются в фототрофное звено, замыкая, таким образом, в массообменный процесс). В такой физической модели БТСЖО присутствие человека задано параметрически: учитываются только соотношение и количество плотных и жидких отходов, поступающих в звено переработки, газообмен между человеком и двумя другими звеньями рассматривается только качественно. Задача здесь состоит в том, чтобы вещества, поступающие в фототрофное звено, могли быть в полной мере ассимилированы высшими растениями без какого-либо негативного влияния на их продукционную деятельность.

В многочисленных экспериментах (ТлкЬопигоу & а1., 2003, 2008; 2оЫикЫп & а1., 2005) было установлено, что используя минерализованные растворы органических отходов, полученные данным методом «мокрого» сжигания, можно выращивать приемлемые урожаи культурных растений. Тем не менее, до сих пор неизвестен состав газообразных продуктов реакции и их влияние на высшие растения. Кроме того, реакция минерализации в лабораторных условиях всегда протекала в небольшом объеме, и не было известно, будет ли процесс идти также успешно в больших объемах, необходимых для утилизации суточной нормы экзо-метаболитов экипажа. Так, например, переработка экзометаболитов экипажа из двух человек, который участвовал в третьем этапе эксперимента в комплексе «Биос-3» (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979), позволила бы повысить степень замкнутости этой системы.

Данная диссертационная работа является продолжением многолетних исследований в области развития такого физико-химического метода, и ее тема является частью проблемы разработки физико-химического метода утилизации органических отходов для замкнутых систем жизнеобеспечения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Оценка возможности повышения степени замыкания БТСЖО путем минерализации органических отходов в среде перекиси водорода, активированной переменным электрическим полем.

ЗАДАЧИ:

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Были изучены основные параметры (энергопотребление, продолжительность, динамика силы тока) протекания реакции окисления органических отходов, характерных для БТСЖО, перекисью водорода под действием переменного электрического тока. Как установлено, процесс окисления протекает с повышением электропроводности растворов, кроме того наблюдается тенденция к снижению удельного энергопотребления (Вт-ч/л) и времени реакции при увеличении объема реакционной смеси.

Экспериментально доказана возможность полного включения в круговорот-ный процесс продуктов минерализации из реактора «мокрого» сжигания, без какого-либо существенного нарушения работы фототрофного звена (на примере редиса).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Выявлен ряд ключевых параметров (величины тока и напряжения, эффективность использования перекиси водорода и др.) кинетики протекания реакции минерализации органических отходов, которые необходимо учесть в случае проектирования для БТСЖО реактора «мокрого» сжигания рассматриваемого типа.

Формирование урожая редиса, при включении в массообменный процесс продуктов минерализации органических отходов практически не отличается от контрольного варианта, где в качестве питательных растворов используются классические химические растворы для гидропоники. Это позволяет рекомендовать использование изучаемого метода утилизации органических отходов в будущих БТСЖО.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы были доложены и обсуждены: на 38-й и 39-й научных конференциях COSPAR (Бремен, 2010); на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького «Биология будущего: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2010); на VII Съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных технологий» (Нижний Новгород, 2011); на международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2012).

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертационной работы изложены в двух журналах из перечня ВАК для кандидатской диссертаций («Химия в интересах устойчивого развития», «Доклады Академии наук. Биохимия, биофизика, молекулярная биология»), в иностранном рецензируемом журнале «Advances in Space Research», а также в сборниках материалов конференций:

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Автором лично выполнены эксперименты по минерализации органических отходов, выращиванию растений редиса и анализу их физиологических характеристик, а также обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, заключения и списка литературы. Она содержит 135 страниц, включая 34 рисунка и 19 таблиц. Список литературы включает 134 ссылки на работы отечественных и иностранных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Трифонов, Сергей Викторович

ВЫВОДЫ

По итогам выполненной работы были получены следующие общие выводы:

1. Увеличение объема реакционной зоны реактора приводит к уменьшению энергопотребления и времени реакции, то есть к повышению эффективности процесса минерализации органических отходов.

2. Показано, что достигнутая степень минерализации растворов органических отходов, характеризующаяся значением ХПК 2 г/л для экзометаболитов и ~ 0,7 г/л для растительной биомассы), является приемлемой для использования данных растворов в высокозамкнутых массообменных процессах БТСЖО.

3. Установлено, что в состав выделяющегося газа за счет его пропускания через раствор азотной кислоты и последующего каталитического доокисления на платиновом катализаторе остается практически только 02 (91 — 93 % для экзометаболитов и 78 - 83 % для растительной биомассы) и С02 (6 - 9 % для экзометаболитов и 17 — 22 % для растительной биомассы).

5. Включение звена минерализации органических отходов с массообмен-ными характеристиками, соответствующими реактору «мокрого» сжигания полупромышленного типа, в перспективе позволит повысить степень замыкания системы с 80 до 90 % при переработке экзометаболитов человека и до 95 % при переработке как растительных отходов, так и экзометаболитов человека (на примере III этапа эксперимента по замыканию системы Биос-3 с экипажем из 2-х человек).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из результатов экспериментов, описанных в настоящей работе, можно полагать, что метод «мокрого» сжигания органических отходов в среде перекиси водорода является перспективным для использования в замкнутых БТСЖО. Продукты окисления, после соответствующей переработки, являются экологически чистыми и могут быть использованы для выращивания высших растений без снижения фотосинтетической продуктивности. Возможность вовлечения таким способом в массобмен системы органических отходов позволит увеличить ее замкнутость, что может быть использовано для долговременного автономного существования планетарных станций вне Земли (в первую очередь на Луне и Марсе). Помимо экологической безопасности получаемых продуктов рассмотренный метод окисления органических отходов, в сравнении с другими способами (Tsuga et al., 2007; Huesler, 1971; Wydeven, 1988). не требует использование высоких температур и давления. Кроме того, процесс окисления отходов в среде перекиси водорода в переменном электрическом поле имеет невысокое энергопотребление и малые времена переработки отходов.

Перекись водорода, необходимую для осуществления процесса, можно получать внутри системы, используя, например, для этого известный метод катодного восстановления кислорода (Berl, 1939; Шамб и др., 1958) с энергопотреблением 7,5 кВт-ч на 1 кг Н202 (в расчете на 100 %-ную Н202). Возможно также использование метода получения перекиси водорода в электрическом разряде, что было разработано Доуси (Patent 2022650 (З.ХИ 1935) USA, 1935) и изучено концерном "I. G. Farbenindustrie" в Леверкузене (Германия) (Шамб и др., 1958), энергопотребление при этом составляет 40 кВт-ч на 1 кг Н202. Выбор того или иного метода зависит от скорости потребления перекиси системой (во втором случае ее синтез протекает быстрее) (Шамб и др., 1958).

В перспективе возможно увеличить КПД использования перекиси водорода за счет дозированного добавления Н202 в реактор в процессе минерализации. В данной работе перекись приливалась к органическим отходам единовременно в необходимом количестве, однако, добавляя Н202 постепенно, по мере окисления органики, можно добиться повышения КПД использования перекиси водорода. При этом за степенью минерализации отходов, во время протекания окислительного процесса, возможно следить по скорости изменения проводимости раствора, например, постоянная сила тока или слишком медленное ее повышение может быть сигналом о том, что процесс минерализации практически прекратился вследствие полного разложения перекиси водорода.

Помимо этого, как уже говорилось в работе, затраты перекиси водорода могут быть снижены, если отказаться от повторной минерализации в случае изменения условий ферментативного разложения. Возможно и применение не ферментативного, а физико-химического метода разложения карбамида в растворах, например на платиновых электродах, как это делалось в американской разработке по утилизации урины (Putnam, 1971).

Еще одним путем сокращения расходов Н202 может быть совместное использование в системе реактора «мокрого» сжигания и какого-либо биологического метода утилизации органических отходов, например, почвоподобного субстрата для утилизации несъедобной растительной биомассы (Manukovsky, Kova-lev, 2009).

Отсутствие молекулярного азота в выделяющемся газе является безусловным преимуществом данного метода, так как исключается потеря элемента в виде тупикового продукта, требующего довольно сложной переработки для возвращения в массообменные процессы БТСЖО. Аммиак, образующийся в процессе окисления, в данном эксперименте фиксировался в растворе азотной кислоты. В БТСЖО NH3 может быть конвертирован в нитратную или нитритную форму азота, используя либо физико-химический (Сутормина и др., 2011; Тихомиров и др., 2011), либо биологический метод, как это предложено делать в европейской замкнутой экологической системе MELiSSA (Poughon et. al, 2009). В этом случае повышается замкнутость системы по азоту. К тому же, получаемая нитратная форма азота позволила бы выщелачивать дополнительное количество металлов из горной породы планеты, на которой будет разворачиваться БТСЖО, для корректировки питательных растворов.

Таким образом, полученный в данной работе материал может послужить научной основой для дальнейшего технического совершенствования данного метода переработки органических отходов, которое улучшит такие показатели, как степень минерализации отходов и энергопотребление, что открывает большие перспективы для использования метода «мокрого» сжигания в будущих БТСЖО космического назначения.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Трифонов, Сергей Викторович, Красноярск

1. Беркович Ю.А. Космические оранжереи: настоящее и будущее / Ю.А. Берко-вич, Н.М. Кривобок, С.О. Смолянина, А.Н. Ерохин М: Слово, 2005. - С. 214 -217.

2. Большая медицинская энциклопедия: в 30-ти томах / АМН СССР. / главный редактор Петровский Б.В. 3-е изд., т. 10, - М: Советская энциклопедия, 1979.-С. 26-34.

3. Большая медицинская энциклопедия: в 30-ти томах / АМН СССР. / главный редактор Петровский Б.В. 3-е изд., т. 15, - М: Советская энциклопедия, 1981.-С. 481-495.

4. Большая советская энциклопедия. Т. 45. / 2-е изд. гл. редактор Введенский Б.А. — М.: Большая советская энциклопедия, 1956. С. 209 - 210.

5. Гавриленко В.Ф. Большой практикум по физиологии растений / В.Ф. Гаври-ленко, М.Е. Ладыгина, Л.М. Хандобина М.: Высш. шк., 1975. - 392 с.

6. ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. Введ. 1997-01-01. - Минск, 2003. 16 с.

7. ГОСТ 30502-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Атомно-абсорбционный метод определения содержания магния. Введ. 1999-01-01. -Минск, 1999. 8 с.

8. ГОСТ 30503-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Пламенно-фотометрический метод определения содержания натрия. — Введ. 1999—01— 01.-Минск, 1999. 8 с.

9. ГОСТ 30504-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Пламенно-фотометрический метод определения содержания калия. Введ. 1999-01-01. -Минск, 1999. Юс.

10. ГОСТ 30692-2000. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Атомно-абсорбционный метод определения содержания меди, свинца, цинка и кадмия. Введ. 2002-01-01. - Минск, 2002. 11 с

11. Громыко В.А. Электроокисление мочевины на гладком платиновом электроде. И. / В.А. Громыко, Т.Б. Цыганкова, В.Б. Гайдадымов, Ю.Б. Васильев, B.C. Багоцкий // Электрохимия, 10,1974. С. 57 61.

12. Громыко В.А. Влияние pH раствора на скорость процессов выделения кислорода и окисления мочевины на гладком платиновом электроде / В.А. Громыко, Т.Б. Цыганкова, В.Б. Гайдадымов, Ю.Б. Васильев // Электрохимия, Т. 3, 1975. С. 491-495.

13. ИСО 8288-1986. Качество воды. Определение содержания кобальта, никеля, меди, цинка, кадмия и свинца. Пламенные атомно-абсорбционные спектрометрические методы. Введ. 2007-12-01. - Ереван, 1986. 13 с.

14. Кисленко В.Н. Кинетика и механизм окисления органических веществ перок-сидом водорода / В.Н. Кисленко, Ад.А. Берлин // Успехи химии, т. 60, 5, 1991. С. 949-981.

15. Коваль С.Ф. Растение в опыте: Монография / С.Ф. Коваль, В.П. Шаманин — Омск: ИЦиГ СО РАН, ОмГАУ, 1999. 204 с.

16. Космонавтика. Энциклопедия. / главный редактор Глушко В.П. М.: Советская энциклопедия, 1985. - 528 с.

17. Краткая химическая энциклопедия. Т. 5. / отв. ред. Кнунянц И.Л. — М.: Советская энциклопедия, 1967. С. 1030 - 1032.

18. Кузнецов В.И. Усовершенствованные методы определения серы в растительных объектах по Шенигеру / В.И. Кузнецов, H.H. Басаргин, Л.Г. Мясищева // Агрохимия, 1968, № 3. С. 134 137.

19. Кузнецов В.В. Физиология растений / В.В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева М.: Высш. шк., 2006. - 742 с.

20. Курзина И.А. Глубокое окисление метана на платиновых и палладиевых катализаторах, нанесенных на нитрид кремния / И.А. Курзина // Известия Томского политехнического университета, 308, № 4, 2005. С. 104 109.

21. Малоземов В.В. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов / В.В. Малоземов М.: Машиностроение, 1986. - 523 с.

22. Николаевский B.C. Биологические основы газоустойчивости растений / B.C. Николаевский Новосибирск: Наука, 1979.-278 с.

23. Осетрова Н.В. Анодное окисление мочевины в нейтральных растворах / Н.В. Осетрова, A.M. Скундин // Электрохимия, 30, 1994. С. 1257 1259.

24. Печуркин Н.С. Экологическая биофизика. Том 3. Экология и биофизика: время интеграции. / Н.С. Печуркин, A.B. Брильков, Е.В. Морозова, Т.Н. Письман и др. -М.: Логос, 2002. 304 с.

25. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений / Б.П. Плешков — изд. 2-е, доп. и перераб. -М.: Колос, 1976. 256 с.

26. Плохинский H.A. Биометрия / H.A. Плохинский М.: Издательство Московского университета, 1970. - 368 с.

27. ПНД Ф 14.1:2.100-97. Методика выполнения измерений химического потребления кислорода в пробах природных и очищенных сточных вод титримит-рическим методом. Утвержден 1997-03-21. - Москва, 2004. 17 с.

28. Починок Х.Н. Методы биохимического анализа растений / Х.Н. Починок -Киев: Наукова думка. 1976. 334 с.

29. Проблемы космической биологии. Т. 28: экспериментальные экологические системы, включающие человека. / под ред. академика Черниговского В.Н. — М.: Наука, 1975.-312 с.

30. Проблемы создания биолого-технических систем жизнеобеспечения человека / Под ред. Гительзона И.И. Новосибирск: Наука, 1975. - С. 68 - 146.

31. РД 52.24.387-2006. Массовая концентрация фосфора общего в водах. Методика выполнения измерений фотометрическим методом после окисления персульфатом калия. -Введ. 2006-04-01. -Ростов-на-дону, 2006.14 с.

32. РД 52.24.391-2008. Массовая концентрация натрия и калия в водах. Методика выполнения измерений пламенно-фотометрическим методом. — Введ. 2008— 07-20. Ростов-на-дону, 2008. 28 с.

33. РД 52.24.406-2006, 2006. Массовая концентрация сульфатов в водах. Методика выполнения измерений титриметрическим методом с хлоридом бария. -Введ. 2006-10-01. Ростов-на-дону, 2006. 13 с.

34. РД 52.24.407-2006. Массовая концентрация хлоридов в водах. Методика выполнения измерений аргентометрическим методом. Введ. 2006-07-01. -Ростов-на-дону, 2006. 12 с.

35. Семенов H.H. Цепные реакции / H.H. Семенов 2-е изд., испр. и доп. - М.: Наука, 1986.-535 с.

36. Скорчеллетти В.В. Теоретическая электрохимия / В.В. Скорчеллетти изд. 4-е, испр. и доп. - Д.: Химия, 1974. - 568 с.

37. Тихомиров A.A. Влияние светового режима на продуктивность и качество урожаяредиса / A.A. Тихомиров, И.Г. Золотухин, Ф.Я. Сидько // Физиология растений, 23 (3), 1976. С. 502 505.

38. Тихомиров A.A. Светокультура растений / A.A. Тихомиров, В.П. Шарупич, Г.М. Лисовский Новосибирск: СО РАН, 2000. - 202 с.

39. Токин Б. П. Фитонциды / Б. П. Токин 2-е изд. - М.: АМН СССР, 1951. -237 с.

40. Ушакова С.А. Возможные пути включения экзометаболитов человека в мас-сообмен БСЖО / С.А. Ушакова, Н.А. Тихомирова, Ю.А. Куденко, О.В. Ани-щенко // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2009. Т. 43. №2. С. 61 -63.

41. Шамб У. Перекись водорода / У. Шамб, Ч. Сеттерфилд, Р. Вентворс М.: Издательство иностранной литературы, 1958. - 579 с.

42. Шемякин М.М. Химия антибиотических веществ / М.М. Шемякин, А.С. Хохлов 2-е изд. - M.-JL: Госхимиздат, 1953. - 653 с.

43. Шульгин И.А. Растения и солнце / И.А. Шульгин Ленинград: Гидрометио-издат. 1973.-252 с.

44. Эммануэль Н.М. Цепные реакции окисления углеводородов в жидкой фазе / Н.М. Эммануэль, Е.Т. Денисов, З.К. Майзус -М.: Наука, 1965. 376 с.

45. Application of a Closed Experemental System to Modeling of 14C Transfer in the Environment / edited by Tako Y., Tani Т., Arai R., Nozoe S., Nakamura Y. Japan, Institute for Environmental Sciences, 2007. - P. 103 - 224 p.

46. Berkovich Y.A. Vegetable production facility as a part of a closed life support system in a Russian Martian space fight scenario / Y.A. Berkovich, S.O. Smolyanina, N.M. Krivobok et al.// Advances in Space Research, Vol. 44, 2009. P. 170 176.

47. Berl E. // Trans. Electrochem. Soc., V. 76, 1939. P. 359.

48. Bingham G.E. Lada: The ISS plant substrate microgravity testbed / Bingham G.E., Shane T.T., Mulholland J.M., Podolsky I.G. 2002. SAE Technical paper. 200201-2388.

49. Cornet J.F. Simulation, design, and model based predictive control of photobiore-actors / Cornet J.F., Dussap C.G, Leclercq J.J. // In Focus on biotechnology, vol 4, engineering and manufacturing for biotechnology, 2001. P. 227 — 238.

50. Creus N. Connection between different compartments of the MELISSA biological Life Support System. / N. Creus, F. Cabello, J. Perez, et al.// 31st International Conference on Environmental Systems, 2001, doi: 10.4271/2001-01-2132.

51. DIN EN ISO 7980-2000. Качество воды. Определение содержания кальция и магния. Спектрометрический метод атомной абсорбции. Введ. 2000-07-01. - Германия, 2000. 9 с.

52. Gitelson J.I. Manmade Closed Ecological Systems / J.I. Gitelson, G.M. Lisovsky, R. MacElroy Taylor & Francis Inc., 2003. - 400 p.

53. Hashimoto S. Space agriculture for manned mars mission / S. Hashimoto, M. Ya-mashita, N. Katayama // Application of a Closed Experimental System Modeling of ,4C Transfer in the Environment. Japan, Institute for Environmental Sciences, 2007.-P. 208-214.

54. Helicobacter pylori: Physiology and Genetics. / edited by Mobley H., Mendz G., Hazell S. // ASM Press, 2001. — 626 p.

55. Huesler H. Zimpro process. Moist air oxidation of industrial sludges / H. Huesler // Abwassertechnik, 22, 1971. P. 3 -4.

56. International Space Station Электронный ресурс.: Environmental Control and Life Support System / , NASA [USA, Huntsville, 2008]. URL: http://www.nasa.gOv/centers/marshall/pdf/l 04840maineclss.pdf (дата обращения 09.03.2012).

57. Kudenko Yu. A. Mineralization of wastes of human vital activity and plants to be used in a life support system / Yu. A. Kudenko, I. A. Gribovskaya, R. A. Pavlenko // Acta Astronáutica. 1997. Vol. 41, No. 3. P. 193-196.

58. Kudenko Yu.A. Physical-chemical treatment of wastes: a way to close turnover of elements in LSS / Yu.A. Kudenko, I.A. Gribovskaya, I.G. Zolotukchin // Acta Astronáutica. 2000. Vol. 46. P. 585 589.

59. Labak L.J. Dry incineration of wastes for aerospace waste management systems / L.J. Labak, G.A. Remus, J. Shapira // Paper 72-ENAV-2, Environmental Control and Life Support Systems Conference, San Francisco, CA. Warrendale, PA: SAE International; 1972.

60. Lasseur Ch. Overview of Life Support Activities in ESA / Ch. Lasseur, G. Tan // Closed Habitation Experiments and Material Circulation Technology, 2004. P. 149-163.

61. Life into Space. Space life Sciences Experiments. Ames Research Center. Kennedy Research Center. 1991 1998. / edited by Souza K., Etheridge G., Callahan P.X. -NASA Ames Research Center, 2000. - 556 p.

62. Ling T. Gas exchange between humans and autotrophic organisms in bioregenerative life support system / T. Ling, L. Hong, L. Ming, H. Enzhu, H. Wenting // 17th IAA Humans in Space Symposium. Moskow, 2009. — P. 136.

63. Manukovsky N.S. Waste bioregeneration in life support CES: development of soil organic substrate / N.S. Manukovsky, V.S. Kovalev, V.Ye. Rygalov, I.G. Zolo-tukhin//Adv. Space Res. 1997. V. 10. P. 1827-1832.

64. Manukovsky N.S. Modeling Conversion of Organic Matter for Resource Recovery in a Bioregenerative Life Support System. / N.S. Manukovsky, V.S. Kovalev // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 83.

65. Marshall B.J. Unidentified curved bacilli on gastric epithelium in active chronic gastritis. / BJ. Marshall // Lancet 1 (8336), 1983. P. 1273 — 1275.

66. MELISSA. Final Report for 1995 Activity. Memorandum of Understanding ECT/FG/CB/95.205. / edited by Lasseur Ch. ESA, 1996. 88 p.

67. MELISSA. Yearly Report for 2004 Activity. Memorandum of Understanding TOS-MCT/2002/3161/In/CL. / edited by Vieira da Silva L., Lasseur Ch. ESA, 2004. 245 p.

68. Ming L. Culture of chlorella vulgaris with human urine for 02 regeneration. / L. Ming, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 79.

69. Morist A. Recovery and treatment of Spirulina platensis cells cultured in a continuous photobioreactor to be used as food. / A. Morist, J.L. Montesinos, J.A. Cu-sidö, F. Gödia// Process Biochemistry, V. 37 (5), 2001. P. 535 547.

70. Nitta K., Tako Ya., Abe K., et al. // Life Support and Biosphere Science, vol. 3, 1996. P. 149-158.

71. Nozoe S. Food processing and safety management in closed habitation experiments (2) / S. Nozoe, O. Komatsubar., Y. Aibe, Y. Tako, K. Nitta // Application of a Closed Experimental System Modeling of 14C Transfer in the Environment, 2007. P. 175-184.

72. Ohkusa T. Helicobacter pylori infection induces duodenitis and superficial duodenal ulcer in Mongolian gerbils / T. Ohkusa, I. Okayasu, H. Miwa, K. Ohtaka, S. Endo, N. Sato // Int. J. Gastroenterology Hepathology, 52, 2003. P. 797 803

73. Ohnishi M. R&D of environmental control and life support system in JAXA / M. Ohnishi, M. Sacurai, M. Oguchi, S. Yoshihara // Application of a Closed Experimental System Modeling of 14C Transfer in the Environment, 2007. P. 112-117.

74. Patent 2022650 (3.XII 1935) USA / Dawsey L.H.

75. Pietroiusti A. Helicobacter pylori duodenal colonization is a strong risk factor for the development of duodenal ulcer / A. Pietroiusti, I. Luzzi, M.J. Gomez, et al. // PubMed. Alimentary pharmacology & therapeutics, 2005. PMID 15801926.

76. Polonsky V.l. Utilization of NaCl in Bioregenerative Life Support System / V.l. Polonsky, I.I. Gribovskaya // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 101 -102.

77. Polonsky V.l. Net production of wheat crop under high PAR irradiance with artificial light / V.l. Polonsky, G.M. Lisovsky // Photosyntetica, vol. 14, № 2, 1980. P. 177-181.

78. Poughon L. Simulation of the MELiSSA closed loop system as a tool to define its integration strategy / L. Poughon, B. Farges, C.G. Dussap, et al. // Adv. Space Res., vol. 44, 2009. P. 1392 1403.

79. Poynter J. BIOSPHRE 2: A Closed Bioregenerative Life Support System, an Analog for Long Duration Space Missions / J. Poynter, D. Bearden // Plant Production in Closed Ecosystems, 1997. P. 263 277.

80. Proshkin V.Ju. Urine electrolysis on-board manned space stations: development prospects and research directions / V.Ju. Proshkin, E.A. Kurmazenko, A.A. Ko-chenkov, et al. // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 103.

81. Putin S.B. Regenerable absorptive canister for carbon dioxide and harmful substance removal form the space suit / S.B. Putin, V.N. Shubina, S.I. Simanenkov, et al. // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 104 105.

82. Putnam D.F. Composition and Concentrative Properties of Human Urine. / D.F. Putnam // NASA contract report, 1971. 107 p.

83. Shunan W. Design and implementation of system for dietary management in space permanent base / W. Shunan, H. Enzhu, H. Dawei, Z. Ming // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 143.

84. SP-1264: The HUMEX Report. / Edited by Harris R.A. The Netherlands: European Space Agency, 2003. 192 p.

85. The enzymes / edited by Boyer P.D. V.4, N.Y., 1960. p. 247.

86. Tikhomirov A.A. Mass exchange in an experimental new-generation life support system model based on biological regeneration of environment / A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakova, N.S. Manukovsky, et al. // Adv. Space Res., Vol. 31, 2003. P. 1711-1720.

87. Tikhomirov A.A. Synthesis of biomass and utilization of plants wastes in a physical model of biological life-support system / A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakova, N.S. Manukovsky, et al. // Acta Astronáutica. 2003. Vol. 53. P. 249 257.

88. Tikhomirov A.A. Evaluation of the possibility of using human and plant wastes in Bioregenerative Life Support Systems / A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakova, Yu.A. Kudenko, et al. // Techn. Paper 05ICES-94, 2005.

89. Tikhomirov A.A. Operation characteristics of the "SLS-higher plants" complex in the bioregenerative life support systems' structure / A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakova, V.V. Velichko // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 140.

90. Tikhomirova N.A. Possibility of Salicornia europaea use for the human liquid wastes inclusion into BLSS intrasystem mass exchange / N.A. Tikhomirova, S.A. Ushakova, A.A. Tikhomirov, et al. // Acta Astronaut., 63, 2008. P. 1106 1110.

91. Tikhomirova N.A. Salicornia Europaea Use for NaCl Involvment in the BLSS Intrasystem Mass Transfer / N.A. Tikhomirova, S.A. Ushakova, A.A. Tikhomirov, et al. // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 133 134.

92. URL: http://www.imbp.ru/webpages/winl251/Science/Stend/GEK.html (дата обращения 25.08.2012).

93. URL: http://www.mosecom.ru/air/air-normativ/ (дата обращения 16.06.2012).

94. URL: http://www.nasa.gov/directorates/heo/reports/issreports/index.html (дата обращения 10.08.2012).

95. URL: http://www.vector-best.ru/ (дата обращения 16.06.2012).

96. Ushakova S.A. Some Methods for Human Liquid and Solid Waste Utilization in Bioregenerative Life-Support Systems / S.A. Ushakova, I.G. Zolotukhin, A.A. Tikhomirov, et al. // Appl. Biochem. Biotechnol., vol. 151, 2008. P. 676 685.

97. Verbitskaya O. The Giant Snail Achatina fulica as a Candidate Species for Advanced Bioregenerative Life Support Systems / O. Verbitskaya, N. Manukovsky,

98. V. Kovalev // 38th COSPAR Scientific Assembly, Symposium F, session 42, 2010.-P. F42-0014-10.

99. Wenting F. Effects of Soil-Like Substrate Made from Rice and Wheat Straw on the Growth, Yield and Quality of Wheat / F. Wenting, Y. Min, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 43.

100. Wenting F. Allelopathic effect of rice-wheat soil-like substrate on several plants / F. Wenting, Y. Min, H. Wenting, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 42.

101. Wenting H. A technique for preparing soil-like substrate for bioregenerative life support system / H. Wenting, X. Yidong, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 53.

102. Wydeven T. A survey of some regenerative physico-chemical life support technology / T. Wydeven // NASA Technical Memorandum 101004, NASA/Ames Research Center, Moffet Field, CA, 1988.

103. Xiaohui Y. Nutrient composition and respiration characteristics of silkworms in the bioregenerative life support system / Y. Xiaohui, T. Ling, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 136.

104. Xu C.X. Crop candidates for the bioregenerative life support systems in China / C.X. Xu, H. Liu // Acta Astronautica, vol. 7, №. 10, 2008. P. 1076 1080.

105. Yuming F. The effect of plants on microbial burden and community structure within the space cabin module simulator system / F. Yuming, L. Hong // 17th IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 43.

106. Zemanian T. Regenerable solid aminated nanostructured sorbents for carbon dioxthide capture / T. Zemanian, K. Rappe, N. Lafemina, G. Fryxell //17 IAA Humans in Space Symposium, 2009. P. 147.

Информация о работе

Трифонов, Сергей Викторович
кандидата биологических наук
Красноярск, 2012
ВАК 03.01.02

Диссертация

Минерализация органических отходов в среде перекиси водорода для повышения замкнутости биолого-технических систем жизнеобеспечения - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы