Eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern des Biofilm-Minderungsteams am Marshall Space Center der NASA in Huntsville, Alabama, untersucht Lösungen zur Bekämpfung schnell wachsender Bakterien- oder Pilzkolonien (sogenannter Biofilm) für zukünftige Weltraummissionen.
Biofilm entsteht, wenn eine Gruppe von Bakterien oder Pilzen eine schleimige Matrix aus „extrazellulären Polymersubstanzen“ bildet, um sich vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen. Biofilm kann fast überall vorkommen, vom graugrünen Schaum auf stehendem Teichwasser bis zum rosafarbenen Rückstandsring in einer schmutzigen Badewanne.
In der Medizin, Lebensmittelproduktion und Abwasseraufbereitung ist Biofilm oft ein kostspieliges Problem. Außerhalb der Erde erweist sich Biofilm jedoch als noch widerstandsfähiger.
„Bakterien trotzen vielen Herausforderungen, mit denen Menschen im Weltraum konfrontiert sind, darunter Mikrogravitation, Druckschwankungen, ultraviolettes Licht, Nährstoffgehalt und sogar Strahlung“, sagte Yo-Ann Velez-Justiniano, Mikrobiologin und Ingenieurin für Umweltkontrollsysteme bei Marshall.
„Biofilm ist eklig, klebrig – und schwer abzutöten“, sagt Liezel Koellner, Chemieingenieurin und Praktikantin bei NASA Pathways von der North Carolina State University in Raleigh. Koellner verwendete hochentwickelte Epifluoreszenzmikroskopie und 3D-Visualisierungen von 2D-Bildern, die in verschiedenen Brennebenen aufgenommen wurden, um die Studien des Teams zu verfeinern.
Die NASA war sich der potenziellen Hindernisse bewusst, die Biofilm in zukünftigen Raumfahrzeugen und Mondhabitaten der Artemis-Ära darstellen könnte, und beauftragte daher Ingenieure und Chemiker bei Marshall mit der Untersuchung von Minderungstechniken. Marshall baute und wartet das ECLSS (Environment Control and Life Support System) der Internationalen Raumstation und entwickelt Technologien der nächsten Generation zur Luft- und Wasserrückgewinnung und zum Recycling, darunter auch die Abwassertankanordnung des Systems.
„Der Abwassertank liegt ‚vor‘ den meisten unserer eingebauten Wasseraufbereitungsanlagen. Da es sich um einen Abwassertank handelt, gedeihen dort Bakterien und Pilze gut und bilden genug Biofilm, um Fließwege und Rohre entlang der Strecke zu verstopfen“, sagte Eric Beitle, ECLSS-Testingenieur bei Marshall.
Bisher bestand die Lösung darin, alte Hardware auszubauen und zu ersetzen, sobald Teile vom Biofilm verstopft waren. Doch Ingenieure wollen solche Taktiken vermeiden.
„Auch wenn es möglich ist, Ersatzteile auf dem Mond oder dem Mars im 3D-Druckverfahren herzustellen, ist es sinnvoll, Strategien zu entwickeln, die die Bildung von Biofilmen von vornherein verhindern“, sagt Velez-Justiniano.
Den ersten Schritt unternahm das Team im Juni 2023 mit der Veröffentlichung der vollständige Genomsequenz mehrerer Bakterienstämme, die aus dem Wasseraufbereitungssystem der Raumstation isoliert wurden und die alle die Bildung von Biofilmen fördern.
Als nächstes konstruierten sie einen Teststand, der die Bedingungen im Abwassertank in rund 400 Kilometer Höhe simuliert und die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Minderungsoptionen ermöglicht. Die Anlage beherbergte acht Biofilmreaktoren der Centers for Disease Control and Prevention – zylindrische Geräte, die etwa so groß sind wie eine Wasserflasche für Läufer –, von denen jeder 1/60 so groß ist wie der eigentliche Tank.
Jeder Bioreaktor enthält bis zu 21 einzigartige Testproben auf Objektträgern, die kontinuierlich in einen Strom aus echtem oder künstlichem Abwasser getaucht werden, dessen Zeit und Messung durch das automatisierte System erfolgt und die vom Team genau überwacht werden. Aufgrund der kompakten Größe des Bioreaktors benötigte der Teststand 2,1 Gallonen künstlichen Durchfluss pro Woche, wobei kontinuierlich 0,1 Milliliter pro Minute in jeden der acht Bioreaktoren tropften.
„Im Wesentlichen haben wir eine Reihe winziger Systeme gebaut, die alle minimale Temperatur- und Druckänderungen zulassen, eine sterile Umgebung aufrechterhalten, Autoklavierfunktionalität bieten und wochenlang mit minimalem menschlichen Eingriff harmonisch laufen mussten“, sagte Beitle. „Eine Phase der Testreihe lief 65 Tage lang ohne Unterbrechung, eine andere dauerte 77 Tage. Aus technischer Sicht war das eine einzigartige Herausforderung.“
In jedem Bioreaktor wurden unterschiedliche Strategien zur Oberflächenminderung, vorgelagerte Gegenmittel, antimikrobielle Beschichtungen und Temperaturniveaus eingeführt. Ein vielversprechender Test umfasste Wasserlinsen, eine Pflanze, die bereits als natürliches Wasserreinigungssystem und für seine Fähigkeit, Giftstoffe zu binden und Abwassergerüche zu kontrollieren. Indem die Wasserlinsen Nährstoffe vor dem Bioreaktor verschlingen, entziehen sie den Bakterien, was sie zum Gedeihen brauchen, und reduzieren das Biofilmwachstum um bis zu 99,9 %.
Während der dreimonatigen Testphase entnahmen die Teams in regelmäßigen Abständen Proben aus jedem Bioreaktor und bereiteten diese für die Untersuchung unter dem Mikroskop vor, um die Biofilm-koloniebildenden Einheiten auf jeder Platte detailliert zu zählen.
„Bakterien und Pilze sind schlau“, sagte Velez-Justiniano. „Sie passen sich an. Wir wissen, dass wir eine Kombination aus effektiven Methoden zur Eindämmung von Biofilmen brauchen, um diese Herausforderung zu meistern.“
Biofilm stellt ein Hindernis für Langzeit-Raumflüge und ausgedehnte Missionen in anderen Welten dar, wo Ersatzteile teuer oder schwer zu beschaffen sein können. Das Team zur Eindämmung von Biofilm untersucht weiterhin und veröffentlichen Gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie werden sie ihre Ergebnisse untersuchen und ihre Forschung mit einem groß angelegten Tankexperiment bei Marshall fortsetzen. Sie hoffen, bald Flugtests durchführen zu können und mit verschiedenen Minderungsmethoden unter realen Mikrogravitationsbedingungen im Orbit zu experimentieren, um Lösungen zu finden, die Oberflächen sauber, Wasser trinkbar und zukünftige Forscher gesund halten.