Engineering photosynthetic systems for bioregenerative life support

Resum

El projecte MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) de l'Agència Espacial Europea (ESA) és un ecosistema artificial concebut com una eina per estudiar i desenvolupar la tecnologia per a sistemes de suport de vida biològics requerits per a missions tripulades de llarga durada a l'espai. El fet que el projecte internacional MELiSSA es desenvolupa en cooperació amb organitzacions de diferents països ha permès que el treball experimental d'aquesta tesi es realitzés part a la Planta Pilot MELiSSA (MPP), ubicada a la Universitat Autònoma de Barcelona (Spain), i part a Controlled Environmental Systems Research Facility de la University of Guelph (Canada). Inspirant-se en un ecosistema natural aquàtic, el bucle MELiSSA produeix aliments, aigua i oxigen a partir de la degradació dels residus orgànics (biomassa no comestible, femta, orina i CO2) utilitzant l'activitat combinada de diferents microorganismes i plantes superiors, que colonitzen cinc compartiments interconectats. L'objectiu d'aquesta tesi és avançar en el desenvolupament dels compartiments fotosintètics del bucle per tal de ser integrats a la MPP. Concretament, el treball s'ha estructurat en 3 unitats principals. I - Compartiment d'Arthrospira: S'han realitzat cultius en continu a diferents velocitats de dilució i intensitats lumíniques (seleccionades segons un disseny central composat tipus Box Wilson) per determinar els límits operacionals i la màxima productivitat del fotobioreactor a escala pilot d'Arthrospira. La productivitat més alta aconseguida fou de 27 mg·L-1·h-1 a una velocitat de dilució de 0.044 h-1 i 194 W·m-2. S'ha estudiat la resposta dels cultius davant de pertorbacions afectant el pH i els cabals de líquid i gas. De forma més detallada, s'ha avaluat l'efecte de l'amoni en la producció i composició de l'Arthrospira, determinant que per tal d'evitar l'inhibició del creixement d'Arthrospira cal mantenir les concentracions d'amoni a l'estat estacionari per sota de 5.6 mM. II - Compartiment de Plantes Superiors: S'han realitzat cultius de remolatxa i enciam dins de cambres de plantes estanques per obtenir dades de referència de productivitat, composició, consum de nutrients i fixació de carboni. La productivitat mitjana entre els 3 cultius en discontinu i els 2 en etapes és de 15.31 g dw·m-2·d-1 per remolatxa i de 13.85 g dw·m-2·d-1 per enciam. La mesura de la fixació neta de carboni és una bona tècnica per estimar el creixement i la producció de les plantes dintre les cambres sense utilitzar mètodes destructius. A més, s'ha provat que el consum de nutrients permet estimar el contingut mineral total dins la cambra utilitzant la producció de biomassa. També s'ha avaluat l'adequació d'un model fotosintètic per estimar la producció de biomassa dins la cambra. S'ha conclòs que el model hiperbòlic és adequat per descriure la resposta fotosintètica d'una fulla a diferents intensitats lumíniques. A més l'estimació dels corresponents paràmetres ha permès determinar que ni el rendiment quàntic (?), ni la velocitat fotosintètica màxima (Pmax) ni la velocitat de respiració (Rd) depenen de l'edat de la planta i únicament la Pmax depèn de la concentració de CO2. III - Integració dels Compartiments Fotosintètics: S'han dimensionat i dissenyat les cambres de plantes que s'integraran pròximament a la MPP. Les 3 cambres de plantes amb una àrea de producció de 5 m2 cada una tindran una producció de biomassa comestible (remolatxa, enciam i blat) equivalent al 20% dels requeriments diaris d'un humà. La configuració seleccionada (una cambra allargada amb dues subcàmares estanques a cada banda) permetrà obtenir una producció semicontínua de biomassa i assegurar d'estanqueïtat del sistema. Finalment, s'ha avaluat l'impacte de la integració dels compartiments fotosintètics a la MPP desenvolupant un model que permet calcular els balanços de nitrogen, CO2 i O2 dins del bucle i determinar en quines condicions és possible aconseguir el tancament dels mateixos.

Data del Ajut	28 de juny 2007
Idioma original	No s'ha definit/desconegut
Institució adjudicatària	Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
Supervisor	Francesc Godia Casablancas (Director/a) & Joan Albiol Sala (Director/a)