Эксперименты на Международной космической станции показали, что некоторые микроорганизмы могут извлекать редкоземельные элементы из горных пород в условиях невесомости или пониженной силы тяжести, как на Марсе. В отдалённом будущем эти технологии могут использоваться для добычи полезных ископаемых в космосе и на других планетах или астероидах.
На Земле микроорганизмы играют важную роль в кругообороте веществ. Они участвуют в разрушении горных пород (биологическое выветривание) и способствуют химическим процессам с высвобождением различных элементов. Биодобыча, или биовыщелачивание — это целенаправленное использование микроорганизмов для извлечения полезных элементов из породы. Такие технологии уже достаточно распространены для промышленной добычи полезных ископаемых. Например, микробы используются как катализаторы при извлечении меди и золота — они могут окислять сульфидные руды, растворяя медь и железо, или помогать извлечению нерастворимого золота, «расчищая» окружающие минералы.
Некоторые микроорганизмы на Земле оказались эффективны для выделения редкоземельных элементов — в основном металлов группы лантана (Ln). Лантаноиды содержатся в определённых типах горных пород, часто в примесных концентрациях, и играют важную роль в микроэлектронике и металлургической промышленности. Открытый вопрос: нельзя ли в будущем использовать микроорганизмы в этих же целях на Марсе, Луне или астероидах. Здесь речь идёт не только о потребностях неких «марсианских колоний» в очень отдалённом будущем: например, знания о возможностях таких бактерий в марсианских условиях можно использовать для проверки различных гипотез о поиске биосигнатур на других планетах.
Эксперименты на МКС прежде всего исследуют влияние на эти процессы силы тяжести как основного фактора. Сводные результаты одного из экспериментальных проектов по биоизвлечению редкоземельных элементов в космосе исследователи из университета Эдинбурга недавно опубликовали в Nature.
Программа BioRock — это серия из 36 экспериментов на Международной космической станции, проведённых в 2019 году. Для этих экспериментов используются «реакторы биодобычи» (biomining reactors), представляющие собой контейнеры размером с коробку спичек, в которых помещены пластинки из базальта. Пластинки приводятся в контакт с питательными растворами с различными видами микробов. Базальт — распространённая на Земле вулканическая горная порода: базальтовыми породами сложена земная кора океанов, на суше встречаются «базальтовые траппы» — обширные участки, заполненные базальтовой лавой вулканов (одна из крупнейших таких провинций — Сибирское трапповое плато). Базальт также является типичной породой коры на Марсе, Луне и астероидах, поэтому в экспериментах космической биодобычи естественно обратить внимание на него. Про изучение геологического строения Марса и Луны см. более подробные статьи.
В эксперименте с микрогравитацией использовались три вида микроорганизмов: Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis и Cupriavidus metallidurans. Цель проекта — изучение способности бактерий к выщелачиванию редких земель из базальтовых образцов при различных условиях гравитации. На МКС в центрифуге воспроизводились условия, соответствующие силе тяжести на Земле, на поверхности Марса (с силой притяжения 40% земной) и микрогравитации (обычные условия на МКС без раскручивания в центрифуге). Бактерии находились в контакте с горной породой примерно три недели в каждом из опытов, и измерялась концентрация в растворе выщелачиваемых из пород элементов. Параллельно с экспериментами в космосе аналогичные замеры для контроля выполнялись в реакторах на Земле.
Один из трёх видов бактерий, Sphingomonas desiccabilis, оказался наиболее удачным для космической добычи полезных ископаемых. Отсутствие гравитации не помешало этим микроорганизмам эффективно выделять редкоземельные металлы: по крайней мере неодим, церий и лантан они при пониженной гравитации смогли извлекать из породы примерно с такой же скоростью, как и в контрольных условиях. Два других вида в эксперименте не были такими успешными — один из них показал ничтожную результативность, другой вообще отказался что-либо добывать в невесомости (по сравнению с контролем и экспериментами на Земле). Но даже «удачный» сорт бактерий смог извлечь из базальтовых пластинок только несколько нанограммов (миллиардных долей грамма) лантана — пока явно недостаточно для разворачивания коммерческой добычи в космосе.
Следующая стадия работ — эксперимент под названием BioAsteroid, который стартовал на МКС в декабре 2020 года. В эксперименте используются определённые виды микробов и грибов, при помощи которых в условиях микрогравитации на МКС попытаются извлечь некоторые металлы из материала метеорита. Таким образом BioAsteroid позволит изучить возможности добычи полезных ископаемых на астероидах при помощи бактерий.
