Kontinuierliche Sauerstoffüberwachung während 13-tägiger Satellitenmission im All

PreSens OEM Komponenten zur Überwachung biologischer Experimente in der Schwerelosigkeit verwendet

Das OMEGAHAB ist ein geschlossenes künstliches Ökosystem, das 2007 an Bord des russischen Satelliten FOTON-M3 für 13 Tage in die Umlaufbahn geschickt wurde. Ziel dieses biologischen Experiments war es, Fischlarven (Oreochromis mossambicus) in einem geschlossenen System mit Sauerstoff, der von der Alge Euglena gracilis produziert wurde, am Leben zu erhalten. Mit dem EOM-O2-mini wurde eine konstante Abnahme der Sauerstoffkonzentration im OMEGAHAB aufgezeichnet. Es blieb jedoch genügend Sauerstoff, um die Fischlarven am Leben zu erhalten. 11 von 26 Larven überlebten die Reise in den Orbit und zurück. Alle Kontroll- und Überwachungskomponenten des OMEGAHAB zeigten gute Funktionalität und Robustheit und überstanden sogar die Landung der Rückkehrkapsel. Die Ergebnisse und Erfahrungen aus dieser Studie wurden für die Weiterentwicklung des künstlichen Ökosystems genutzt, und 2013 wurde der Nachfolger OMEGAHAB B-1 an Bord des Satelliten Bion-M1 in die Umlaufbahn gebracht.

Das automatisierte biologische Experiment OMEGAHAB (Oreochromis mossambicus Euglena gracilis Aquatic Habitat) wurde in Kooperation der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg mit der Universität Hohenheim entwickelt. Grundidee dieses Projekts war es, ein geschlossenes Ökosystem zu schaffen, in dem Fischlarven ihre ersten Lebenstage im Orbit verbringen. Euglena sollte den von den Cichlidenlarven benötigten Sauerstoff produzieren und gleichzeitig das von den Fischen produzierte CO₂ aufnehmen. Sowohl die Fischlarven als auch die Algen wurden jeden Tag mehrere Minuten lang auf Video aufgezeichnet, um ihre Bewegungsmuster in Schwerelosigkeit zu analysieren. Nach der Mission wurden die vestibulären Organe der Fischlarven untersucht, um den Einfluss der Schwerelosigkeit auf das Gewebewachstum zu bestimmen. Die gesamte Versuchsanordnung musste hinsichtlich Abmessungen, Gewicht und Energiebudget den Richtlinien entsprechen und so konstruiert sein, dass 20 - 30 Fischlarven 15 Tage lang am Leben gehalten werden konnten. Das Aquarium bestand aus einer Fischkammer und einer Algenkammer mit einer Gasaustauscheinheit. Der Tank aus Polycarbonat hatte eine zylindrische Form und war mit einem handelsüblichen Aquariumfilter aus Polymerschaum ausgestattet. Ein Kontrollsystem musste gebaut werden, um den Sauerstoffgehalt im geschlossenen Ökosystem zu überwachen. Wenn genug Sauerstoff produziert wurde, sollten die Photosynthese-Lichtquellen automatisch gedimmt werden, um Energie zu sparen. Für die Sauerstoffüberwachung wurden chemisch-optische Sensoren und das EOM-O2-mini von PreSens verwendet. Mit diesem System konnten Sauerstoffmessungen nicht-invasiv durch die transparenten Tankwände durchgeführt werden. Es mussten keine zusätzlichen Löcher in das Aquarium gebohrt werden, was einen großen Vorteil darstellte, da es die mechanische Belastung der Komponenten reduzierte. Im Gegensatz zu Clark-Elektroden verbrauchen chemisch-optischen Sensoren keinen Sauerstoff und haben eine sehr gute Langzeitstabilität. Darüber hinaus hat die OEM-Komponente einen geringen Platzbedarf und das gesamte System ist sehr robust, so dass es ideal für die Integration in das Steuerungssystem des OMEGAHAB geeignet war. Während der ersten Tage des Experiments sollten die Fischlarven keine Nahrung benötigen, da sie einen Dottersack hatten, den sie verbrauchen würden. Für den Fall, dass sie sich schneller entwickelten, wurde ein Fütterungssystem installiert, um zu verhindern, dass die Larven während des Experiments verhungerten. Eine Pumpe für die Wasserzirkulation und eine Temperaturregelung bestehend aus einem Kühlsystem, einer an der Außenwand des Tanks angebrachten Heizfolie und drei Temperatursensoren wurden ebenfalls implementiert. Die Algen wurden für optimale photosynthetische Ausbeute mit LEDs beleuchtet. Außerdem wurden Lichter und Videokameras installiert, so dass sowohl die Fischlarven als auch die Algen visuell überwacht werden konnten. Zwei identische OMEGAHAB-Module wurden gebaut: Das Flugmodul (FM) wurde zum Kosmodrom in Baikonur, Kasachstan, gebracht, wo es am 14. Sept. 2007 im Satelliten FOTON-M3 installiert und in den Orbit gebracht wurde. Das Flugersatzmodul (flight spare module = FSM) blieb am Boden und wurde nach Samara, Russland gebracht. Alle experimentellen Prozesse wurden für einen Zeitraum von 13 Tagen parallel auf dem FM in der Umlaufbahn und dem FSM am Boden durchgeführt.

Die Sauerstoffmessung wurde gestartet, sobald das OMEGAHAB Erlangen für den Transport nach Kasachstan verließ, 7 Tage bevor das Experiments in die Umlaufbahn gebracht wurde. Die Fischlarven wurden am Tag 4 in den Tank gesetzt - an dem Tag, an dem das OMEGAHAB im Inneren des Satelliten installiert werden sollte. Temperaturmessungen während des Experiments zeigten Unregelmäßigkeiten (Daten nicht gezeigt), die durch ein elektronisches Artefakt verursacht wurden und jedes Mal auftraten, wenn die Lüfter des Kühlsystems angeschaltet wurden. Die Sauerstoffmessungen zeigten daher dieselbe Unregelmäßigkeit, da die schwankenden Temperaturwerte für die Temperaturkompensation der Messungen verwendet wurden. In Abbildung 2 sind die aufgenommenen Sauerstoffwerte im FM und FSM dargestellt. Die Ausgangskonzentration von O₂ im FM war mit nur 1 g L^-1 ziemlich niedrig, während im FSM Werte von 7 g L^-1 während des Transports aufgezeichnet werden konnten. Der Austausch des Fischwassers bevor und nachdem die Fischlarven in den Tank des FM (Tag 4) gesetzt wurden, verursachte einen starken Anstieg der Sauerstoffkonzentration auf bis zu 6 g L^-1. Ausschläge in den O₂-Konzentrationskurven korrelieren mit Bewegung der Module während des Transports oder während des Aufstiegs der Rakete in die Umlaufbahn. Nachdem das FM die Umlaufbahn erreicht hatte und das FSM gemäß dem Protokoll am Boden lief, konnte ein konstanter Abwärtstrend der Sauerstoffkonzentrationen in beiden Modulen beobachtet werden. Trotzdem funktionierte das OMEGAHAB korrekt. Vorversuche hatten bereits gezeigt, dass die O₂-Produktion nicht mit dem O₂-Verbrauch dieser Anzahl von Fischlarven Schritt halten konnte. Sauerstoffkonzentrationen von bis zu 1 g L^-1 sind für die Fischlarven nicht schädlich, solange die Sauerstoffwerte langsam auf dieses Minimum absinken, was bei der Planung des Experiments berücksichtigt wurde. Der O₂-Verbrauch in beiden Modulen war vergleichbar und ziemlich ähnlich, Unterschiede könnten nur durch variierenden Verzehr der Nahrung verursacht worden sein, die durch das Fütterungssystem vom Tag 10 an hinzugefügt wurde, oder durch verschiedene Zeitpunkte, zu denen einige der Fischlarven starben. Die Algen konnten, vermutlich durch ein undichtes Filtersystem, in die Fischkammer gelangen. Innerhalb der Fischkammer hatten sie keine Photosynthese-Beleuchtung und verbrauchten auch Sauerstoff, was zur Sauerstoffminderung beigetragen haben könnte. Eine Fehlfunktion, die dazu führte, dass die Wasserpumpen des FSM zwei Tage vor dem Ende des Experiments stoppten, führte zu einer dramatischen Abnahme der Sauerstoffversorgung. Dort konnte nur 1 Fischlarve lebend entnommen werden, während im Flugmodul 11 ​​von 26 Larven überlebten. Der Sauerstoffgehalt im FM war für die Larven für die gesamte Versuchsdauer ausreichend.

OMEGAHAB B-1 - Das Experiment im Jahr 2013

In OMEGAHAB B-1 sollte Euglena gracilis zusammen mit der Wasserpflanze Ceratophyllum Sauerstoff produzieren. Diesmal wurden mexikanische Süßwassergarnelen (Hyalella azteca) zusammen mit den Cichlidenlarven ins Aquarium gesetzt. Das von den Tieren produzierte CO₂ konnte von den Wasserpflanzen für die Photosynthese genutzt werden. Mikroorganismen innerhalb des Filters würden Fischausscheidungen in kleinere Komponenten umwandeln, die als Düngemittel für die Pflanzen dienen. Einige Schnecken wurden in den Behälter gegeben, um die Wände des Aquariums von wachsenden Mikroorganismen zu säubern, so dass Videoaufnahmen der Tiere nicht beeinträchtigt würden. Der Sauerstoff im Tank wurde erneut nicht-invasiv mit dem OEM-System von PreSens überwacht. Das System hatte bereits bei der ersten Mission seine Tauglichkeit, viele Vorteile und seine Funktionsfähigkeit bewiesen. In OMEGAHAB B-1 wurde zusätzlich das EOM-pH-mini-System von PreSens eingesetzt, um Daten über die pH-Werte im Aquarium zu sammeln (Abb. 3). Während OMEGAHAB 13 Tage im Orbit blieb, wurde sein Nachfolger vom 19. April - 19. Mai 2013 auf eine 1-monatige Mission geschickt. Aufgrund einer unvorhergesehenen Kontamination begann das Experiment in einer frühen Phase zu versagen: eine Reihe unerwarteter Mikroorganismen mit pathogenen Eigenschaften für die Fische hatten das System befallen und führten zu einem frühen Absterben der Larven. Fäulnis führte zu einem Überdruck im Aquarium und zu Leckage, was wiederum die sonst einwandfrei funktionierende Elektronik nach zehn Tagen zum Erliegen brachten. Die Analyse der aufgezeichneten Daten wird jedoch wertvolle Informationen liefern.