Как симбиотические бактерии помогут выращивать растения на Марсе

Ученым удалось вырастить первые растения в искусственной марсианской почве, обогатив их симбиотическим азотом. Растения успешно образовали клубеньки с симбиотическими бактериями и показали двукратное увеличение биомассы. Однако добиться ожидаемого изначально обогащения почвы азотом ученым не удалось.

Выращивание растений на Марсе: как будущие колонисты могут выращивать себе еду?

Бобовые растения

Корни бобовых растений (в том числе донника) образуют специфические клубеньки, в которых обитают бактерии-симбионты из семейства Rhizobiaceae. Эти бактерии фиксируют атмосферный азот, то есть превращают газообразный азот (N ₂ ), недоступную для растений, в легкоусвояемую форму аммония (NH ₄). В результате бобовые растения лучше растут, а почва обогащается азотом, доступным другим растениям.

Выращивание на Марсе

Выращивание бобовых может помочь колонизировать Марс, поскольку марсианский реголит, хотя и содержит азот, недостаточен. Но пока неизвестно, сработает ли в такой почве симбиоз бобовых и ризобиальных бактерий. Франклин Харрис и его коллеги из Университета Колорадо решили проверить это и провели эксперимент по выращиванию донника в искусственном марсианском реголите.

Какую почву они использовали?

Модель грунта, использованная в эксперименте, имеет обозначение MMS (Mojave Mars Simulant), она была разработана в 2007 году специалистами Лаборатории реактивного движения NASA на основе данных спектральных наблюдений поверхности Марса и посадочных миссий, в частности, Зонды Viking, вездеходы Spirit и Opportunity.

Из чего сделан искусственный марсианский грунт?

Основа искусственного реголита — базальтовый песок из американской пустыни Мохаве. Это 50 процентов диоксида кремния и 10 процентов оксида железа. Проростки донника выращивались в оптимальных условиях — в теплице под фитоламперами при температуре 25-30 градусов Цельсия и дневной влажности.

Через две недели после посадки

Через две недели после посадки десять побегов, имитирующих марсианский реголит, были обработаны культурой бактерий Sinorhizobium melioti, которые образуют бобово-ризобиальный симбиоз с донником, а еще пять оставлены без обработки. Для сравнения такой же опыт был проведен на обычной почве для выращивания растений.

Три месяца спустя

Через три месяца после обработки авторы тщательно удалили растения, определили их массу и количество клубеньков, а также проанализировали состав почвы.

Насколько успешным оказался эксперимент? Нашли ли ученые способ выращивать растения на Марсе?

На корнях донника в реголите успешно образовались клубеньки, хотя и намного меньше, чем в земной почве (в среднем 14,5 клубеньков на растение в реголите против 63 в земной почве). Образование клубеньков в реголите может быть ограничено высоким pH и низкой доступностью железа, которое является частью нитрогеназы, фермента, фиксирующего азот.

Другие результаты

Длина побегов, масса побегов и корней у растений с клубеньками были вдвое больше, чем у побегов, не обработанных культурой бактерий. То есть симбиоз в марсианской почве по-прежнему работает и значительно улучшает жизнь бобовых культур. Однако накопления азота в реголите у обработанных растений не происходило. Несмотря на работу азотфиксирующих бактерий, содержание аммиачного азота в нем даже снизилось (с 5,5 до 3,7 миллиграммов на килограмм).

Решения

Авторы объясняют это тем, что в бедной почве растения потребляли весь доступный азот, как образованный бактериями, так и присутствующий в почве. Но есть возможное решение этой проблемы, которое поможет астронавтам успешно выращивать растения на Марсе. В земледелии бобовые часто используются в качестве «зеленых удобрений» — их вспахивают в землю, где растения разлагаются и выделяют накопленный азот.

Многолетнее выращивание растений на Марсе

По предположению авторов, длительное выращивание зернобобовых культур и их вспашка в землю все же сможет обогатить марсианский реголит азотом, достаточным для роста растений.