重力低下は、不飽和多孔質媒体中のバクテリアを媒介とした無酸素ホットスポットを促進する

Reduced gravity promotes bacterially mediated anoxic hotspots in unsaturated porous media.

• Benedict Borer
• Joaquin Jimenez-Martinez
• Roman Stocker
• Dani Or

抄録

深宇宙探査への人類の取り組みや、近くの惑星へのコロニー設立の見通しには、食料生産、キャビンの大気再生、廃棄物のリサイクルのためのバイオレジェネレーション生命維持のコンポーネントが必ず含まれている。重力場の異なる多孔質媒体中で植物とその微生物を育てることは、液体の分布が根や微生物とのガス交換に及ぼす影響に起因する新たな課題を提示する可能性がある。本研究では、低重力環境下での多孔質媒体中での毛細管駆動による液体の再構成が酸素拡散経路を減少させ、細菌のホットスポット内の無酸素状態を促進することを初めて直接的に証明した。好気性バクテリアおよび多孔性嫌気性細菌を接種したモデル多孔性媒体を用いたパラボリックフライト実験では、バクテリアの活動の有無に関わらず、低重力下では無酸素状態が系統的に促進されることが明らかになった。低重力下での無酸素状態の促進は、地球環境に比べて亜酸化窒素やメタンの排出量を増加させる可能性があり、一方で、無酸素状態は火星の土壌の過塩素酸塩のバイオレメディエーションに有益である可能性がある。この結果は、重力低下下での土壌細菌のマイクロハビタットの変化と、宇宙空間でのバイオ再生生命維持システムの管理の課題を浮き彫りにした。

Human endeavours into deep space exploration and the prospects of establishing colonies on nearby planets would invariably involve components of bioregenerative life support for food production, cabin atmosphere renewal, and waste recycling. Growing plants and their microbiomes in porous media under different gravitational fields may present new challenges due to effects of liquid distribution on gaseous exchange with roots and microorganisms. We provide the first direct evidence that capillary driven liquid reconfiguration in porous media under reduced gravity conditions reduces oxygen diffusion pathways and enhances anoxic conditions within bacterial hotspots. Parabolic flight experiments using model porous media inoculated with aerobic and facultative anaerobic bacteria reveal the systematic enhancement of anoxic conditions during the reduced gravity periods in the presence but not in the absence of bacterial activity. The promotion of anoxic conditions under reduced gravity may lead to higher nitrous oxide and methane emissions relative to Earth conditions, on the other hand, anoxic conditions could be beneficial for perchlorate bioremediation of Martian soil. The results highlight changes in soil bacterial microhabitats under reduced gravity and the challenges of managing bioregenerative life support systems in space.