ОТДЕЛ

“Жизнеобеспечение человека в экстремальных условиях”

Отдел является головным самостоятельным научным подразделением, осуществляющим комплексное решение проблем жизнеобеспечения человека в экстремальных и экологически неблагоприятных условиях в рамках общеинститутской научной и технической политики.

Структура отдела

Отдел состоит из трех лабораторий:

1). Лаборатория - “Водообеспечение и мониторинг качества воды в экстремальных условиях”.

2). Лаборатория - “Системы формирования искусственной газовой среды”.

3). Лаборатория- “Биологические системы жизнеобеспечения человека".

1. Основные задачи отдела.

  • Разработка принципов нормирования качества воды в экстремальных условиях.
  • Разработка новых методов и технологий регенерации воды из продуктов жизнедеятельности человека и отходов технических систем.
  • Разработка новых методов и технологий обеззараживания воды.
  • Разработка новых методов и технологий консервации воды.
  • Разработка принципов, методов, средств и оборудования для оперативного мониторинга качества воды в экстремальных условиях.
  • Проведение мониторинга качества питьевой воды, используемой на пилотируемых космических аппаратах с выдачей санитарно-гигиенического заключения.
  • Приготовление и поставка консервированной питьевой воды для пилотируемых космических аппаратов.
  • Разработка и исследования процессов получения кислорода применительно к системам жизнеобеспечения человека, медицине, экологии и спецтехнике.
  • Разработка и исследование процессов поглощения диоксида углерода в нормобарических и гипербарических системах жизнеобеспечения и медицинской технике.
  • Разработка и исследование процессов удаления вредных микропримесей и методов оценки их содержания в гермообъекте.
  • Разработка критериев сопоставления отдельных процессов и аппаратов систем формирования газовой среды.
  • Разработка физико-химических методов для поддержания устойчивости функционирования биолого-физико-химических систем жизнеобеспечения.
  • Разработка различных вариантов замкнутых экологических систем жизнеобеспечения (ЗЭСЖО), их структур в зависимости от условий функционирования и налагаемых ограничений.
  • Разработка функциональных звеньев для системы замкнутого круговорота веществ на основе определенного класса организмов.
  • Изучение особенностей взаимоотношений организмов в популяциях и биоценозах, а также совместимость с другими звеньями системы.
  • Разработка принципов сопряжения физико-химических и биологических процессов в единую систему. Получение исходных данных и биолого-технических требований на создание экспериментальных и штатных систем на основе биологических и физико-химических методов.
  • Разработка различных вариантов ЗЭСЖО, включающих человека, для экспериментальной отработки режимов функционирования отдельных звеньев и системы в целом, применительно к штатным объектам для экстремальных условий.
  • Разработка технологий культивирования высокопродуктивных популяций организмов для экстремальных условий и проведение их испытаний в этих условиях.
  • Проведение исследований по отработке элементов и блоков космических и гипербарических оранжерейных устройств применительно к будущим штатным оранжерейным устройствам систем жизнеобеспечения.
  • проведение исследований по отработке параметров работы различных систем увлажнения, аэрации и анализа корнеобитаемых сред (гранулированных, волокнистых, тканных) в экстремальных условиях.Проведение исследований по видовой структуре посева будущих овощных оранжерей и нормам потребления растительной биомассы, получаемой в экстремальных условиях.
  • Исследование автотрофного звена на основе низших растений, как средообразующего фактора в ЗЭСЖО, в экстремальных условиях.
  • Проведение исследований по выбору биологических объектов для использования в качестве гетеротрофного звена БСЖО в экстремальных условиях.
  • отработка технологий содержания популяций гетеротрофных организмов в экстремальных условиях.
  • исследование влияния экстремальных факторов на внутрисистемные связи моделей биологических систем (микрокосмы), а также сами звенья данной системы.

2. Основные научные проблемы, решенные в отделе за последние три

года. Фундаментальные и прикладные исследования.

1. Решена проблема водообеспечения экипажей Международной Космической Станции на основе использования системы регенерации воды "СРВ-К", воды запасов "Родник" и воды, доставляемой Космическими кораблями "Шаттл".

2. Разработана технология генерирования кислорода из твердых источников, которая легла в основу создания генераторов кислорода для военно-полевой медицины.

3. Разработаны подходы к формированию принципиально новых физиологически активных дыхательных газовых смесей с пониженным содержанием кислорода на основе использования аргона.

4. Показано, что невесомость не является препятствием для нормального роста и развития растений. Созданы технические средства и разработана технология культивирования, позволяющие компенсировать изменения физических условий среды в невесомости и обеспечить растения всем необходимым для их нормального развития, а сами растительные организмы обладают способностью компенсировать отсутствие вектора гравитации другими тропическими реакциями и обеспечить продукционный процесс, сопоставимый с земным. Показано, что рост и развитие корневой системы высших растений не зависят от гравитационного фактора. При оптимальном уровне влагосодержания в корнеобитаемой среде, который обеспечивается использованием разработанной технологии культивирования растений в невесомости, масса и распределение корней в субстрате не отличается от таковых при их наземном культивировании. Впервые в условиях невесомости было получено два поколения растений пшеницы. В наземных экспериментах показано, что "космические" семена первого и второго поколений биологически полноценны, а выросшие из них растения не отличаются от контрольных.

5. Разработан новый класс вегетационных устройств и технология для непрерывного производственного культивирования самораздвигающихся посевов овощных растений в искусственной среде обитания

6. Создано оборудование для проведения космических исследований с высшими растениями на борту Российского сегмента Международной Космической Станции. К настоящему времени проведено 3 космических эксперимента на борту МКС.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НИР ЗА ПЕРИОД 2000 - 2002 гг.

1. Проведена сертификация и паспортизация питьевой воды, поставляемых на международную космическую станцию (МКС) и транспортные корабли “Союз”. Проведен мониторинг качества питьевой регенерированной воды, полученной на МКС, с выдачей гигиенического заключения о возможности ее потребления экипажем. Установлены закономерности формирования микробиоценозов в системах водообеспечения пилотируемых космических аппаратов.

2. Разработан спектрофотометрический метод для создания прибора физико-химической оценки качества воды.

3. Разработан, изготовлен и испытан опытный образец установки для импульсного ультрафиолетового обеззараживания питьевой воды и конденсата атмосферной влаги.

4. Разработан способ получения биокатализатора на основе иммобилизованных микроороганизмов, способного окислять смесь ацетона, уксусной кислоты и этанола до диоксида углерода и воды.

5. Разработана технологическая схема и установка регенерации воды из конденсата атмосферной влаги на основе электрофизического метода. Метод основан на комбинированном использовании плазмохимического и озоно-каталитического окисления вредных микропримесей. Показано, что кроме удаления органических примесей использование электрофизических методов возможно и для решения вопроса обеззараживания воды.

6. Разработан электролизный метод получения воды с поиженными концентрациями тяжелого стабильного изотопа водорода - дейтерия. Проведены исследования биологической активности "бездейтериевой" воды, показавшие, что "бездейтериевая вода" со сниженными (на 65%) концентрациями дейтерия обладает биологической активностью: отмечено возрастание количества биомассы и семян (на 150-200 %) при культивировании некоторых высших растений (арабидопсиса и брассики) в течение полного цикла онтогенеза; вода со сниженными концентрациями дейтерия положительно влияет на развитие репродуктивных органов японского перепела.

7. Разработана технология регенерации санитарно-гигиенической воды, включающая узлы мембранной очистки (нанофильтрацию, обратный осмос), применительно к комплексным системам жизнеобеспечения и с учетом штатных и перспективных санитарно-гигиенических средств и методов.

Установлено, что мембранные методы являются перспективными для систем регенерации санитарно-гигиенической воды нового поколения и для условий длительных космических полетов.

Проведены эксперименты (совместно с Онкологическим Центром им. Н.Н. Бакулева) по определению возможности использования воды с измененным изотопным составом в онкологической практике. Данные, полученные в экспериментах на перевиваемых опухолях экспериментальных животных (мышей): карцинома легких Льюис, саркома матки См 322 и рак шейки матки РШМ - 5 показали, что вода с пониженным содержанием дейтерия оказывает достоверное тормозящее действие на объем исследованных опухолей. Отмечено увеличение на 17 % времени появления первых узелков; степень торможения роста опухоли по объему превышала 50 % во всех измерениях. Средняя продолжительность жизни мышей, употреблявших воду с пониженным содержанием дейтерия, возрастала на 10 - 30% по сравнению со средней продолжительностью жизни мышей, употреблявших обычную воду.

Впервые показано, что при метаболических процессах, происходящих в организме человека, имеет место заметное фракционирование стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода и других биогенных химических элементов, заключающееся в выведении из организма более тяжелых их фракций.

Разработана высокоэффективная технология получения кислородосодержащих газовых смесей медицинского назначения, основанная на методе короткоцикловой безнагревной адсорбции синтетическими цеолитами NaX с использованием двухадсорберной схемы по напорному варианту. Такая технология позволяет получать кислородообогащенные дыхательные газовые смеси из окружающего воздуха без расходования химических продуктов. Используемые цеолиты регенерируются в процессе работы. Совместно с ЗАО СКБ ЭО при ГНЦ РФ ИМБП РАН разработаны опытные образцы адсорбционных генераторов кислорода.

Разработана технология получения кислорода на основе оригинальных композиций твердых кислородсодержащих соединений. На базе СКБ ЭО при ГНЦ РФ ИМБП РАН разработан и изготовлен опытный образец термохими ческого генератора кислорода. Получен сертификат на использо вание кислорода в медицинских целях.

Предложен новый метод к сохранению нормального состава атмосферы обитаемых гермообъектов в аварийных ситуациях. Метод основан на очистке газовой среды от диоксида углерода путем его поглощения из выдыхаемого воздуха. В этом случае поглотительный патрон располагается на линии выдоха. Тем самым открывается принципиальная возможность в случае необходимости осуществлять регенерацию газовой среды гермообъекта без использования высокопроизводительных вентиляторов, только за счет энергии легочной вентиляции членов экипажа. Разработана принципиальная и технологическая схемы аппарата, в соответствии с которыми в СКБ ЭО при ГНЦ РФ ИМБП РАН были изготовлены опытные образцы индивидуального средства очистки выдыхаемого воздуха от СО2 «Малыш СО2». Разработан и успешно испытан в условиях гермообъекта с участием человека опытный образец группового аппарата для очистки выдыхаемого воздуха от СО2 «Спасатель», рассчитанный на применение одновременно тремя членами экипажа спускаемого аппарата.

Разработан и изготовлен действующий макетный образец индивидуального аппарата регенерации кислорода обитаемых отсеков МКС в нештатных ситуациях («Малыш-К»). На базе барокомплекса ГВК-250 ГНЦ РФ ИМБП РАН проведены его успешные испытания в условиях гермообъекта с участием человека.

На основе проведенных исследований разработан состав физиологически активной пожаробезопасной гипоксической дыхательной газовой смеси для гермообъектов. Определены минимальные действующие концентрации аргона в смеси с кислородом.

Разработана технология и аппаратурное оформление для обеззараживания и нагрева водных сред в СЖО с помощью СВЧ - энергии.

В лаборатории начато развитие нового направления по разработке высокоселективных датчиков для мониторинга газовых сред по вредным микропримесям. В результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ был разработан и изготовлен макетный образец газоанализатора с использованием полупроводниковых и каталитических датчиков, предназначенный для одновременного контроля концентраций сразу нескольких соединений. Разрабатываются сорбционно-частотные датчики и биосенсоры для контроля состава газов и жидких сред. Проведены исследования и теоретическое обоснование метода определения следов формальдегида в воздухе на пьезокристаллических сенсорах.

Результаты исследований, проведенных с семенами растений Brassica rapa L. и пшеницы Апогей, не подтверждают предположения о том, что структуры зародыша и эндосперма семени в процессе их формирования в условиях микрогравитации способны в той или иной степени воспринять информацию о параметрах окружающей среды.

Впервые проведенное наземное культивирование растений Brassica rapa L. и пшеницы Апогей из семян, сформированных в условиях микрогравитации, показало, что факторы космического полета в целом не оказывают влияния на биологические характеристики образующихся семян.

Возможность повторного посева полученных в условиях микрогравитации семян предполагает осуществление непрерывного культивирования растений в составе БСЖО экипажей длительных межпланетных экспедиций.

Получение в условиях космического полета семян пшеницы с нормальным биохимическим составом позволяет говорить о том, что в будущем будет возможно создать фотоавтотрофное звено БСЖО космических экипажей, обеспечивающее полноценную растительную составляющую рациона питания.

Экспериментально показана возможность полной стабилизации газообмена в замкнутой системе и уравнивания Касс спирулины и Кдых японского перепела за счет изменения состава биомассы водорослей в сторону увеличения содержания углеводов при снижении содержания белков при частичном азотном лимитировании культуры водорослей.

При кормлении птиц японского перепела в течение 14 суток рационом, содержащим спирулину в количестве 10 % от общей массы суточного рациона, показана 100 %-ая сохранность поголовья и отсутствие каких-либо изменений во внутренних органах птиц, однако наблюдается снижение продуктивности несушек по сравнению с контролем на 29 %.

В экспериментальных исследованиях показано, что при оптимизации материально-энергетических потоков внутри двухзвенной системы материально-энергетический баланс в ней может достигать 41 % от суммарного материально-энергетического баланса автотрофного и гетеротрофного звеньев при их автономном культивировании.

При увеличении степени замкнутости двухзвенной системы за счет использования воды отходов гетеротрофного звена (помет птиц) культурой водорослей возможна также утилизация альго-бактериальным сообществом всех газообразных и водорастворимых примесей, выделяющихся при сушке, без снижения продуктивности водорослей.

Максимальная замкнутость материальных потоков в лабораторной модели двузвенной замкнутой экологической системы “водоросли-перепел” составляет 76 %.

Исследования эмбриогенеза птиц на борту ОК «Мир» показали, что в условиях космического полета повышается частота возникновения аномалий развития эмбрионов (до 15%), при этом число обнаруженных аномалий в каждом эксперименте превышает количество эмбрионов, у которых обнаружены аномалии.

Множественные аномалии развития эмбриона обязательно включают в себя аномалию развития глаза. Это говорит о том, что множественные аномалии возникают на ранних стадиях развития эмбриона (первые сутки инкубации).

Изучение аномалий глаза у эмбрионов японского перепела, развившихся в условиях невесомости, выявили микрофтальмию и складчатость пигментного слоя и сетчатки, что может быть связано с уменьшением внутриглазного давления.

Впервые в условиях невесомости (на борту ОК «Мир») удалось вырастить 4 вида салатных культур (рапина, мизуна, гигантская красная горчица, пекинская капуста) и провести исследования их органолептических и вкусовых свойств. Показано, что рост и развитие салатных культур в невесомости не зависят от гравитационного фактора и в условиях космического полета можно обеспечить продукционный процесс у высших растений, сопоставимый с земным.

В первом эксперименте на борту РС МКС с использованием нового поколения оранжерейного устройства «ЛАДА» были получены результаты, аналогичные результатам, полученным на борту ОК «Мир», что подтверждает ранее сделанные выводы.

Впервые экспериментально обоснован метод получения биомассы проростков, обогащенной микроэлементами, для возможного использования в качестве пищевых добавок к рационам людей в различных экстремальных условиях, в том числе и в условиях космического полета.

Осуществлен выбор овощных и лекарственных растений и семян для культивирования с целью получения биомассы с направленным синтезом биологически активных веществ с включением микроэлементов.

Исследованы физиологические основы получения растительной продук -ции с регулируемым составом микроэлементов с учетом потребностей в ней человека.

Определены факторы внешней среды, способствующие повышенному накоплению микроэлементов в растительной биомассе. Основными факторами среды, не вызывающими снижения продуктивности и способствующими наиболее активному включению в растительную биомассу микроэлементов йода, селена, цинка являются повышенная температура, измененная кислотность питательного раствора, снижение влагосодержания в субстрате.

Разработаны и испытаны в наземных условиях метод и устройство для периодического реверсивного водоснабжения растений.

Разработана математическая модель для расчета параметров ненасыщенной фильтрации воды в капиллярно-пористом почвозаменителе.

Разработана математическая модель фотосинтетической продуктивности для самораздвигающихся посевов растений.

Разработана и испытана конструкция конвейерной цилиндрической оранжереи со светильником на основе светоизлучающих диодов.

Экспериментально показано и описано существенное влияние ориента ции растений в гравитационном поле на их морфологию и продуктивность.