Микробиология среды обитания и противомикробная защита среды

Микробиология среды обитания и противомикробная защита

среды и поверхностей интерьера и оборудования пилотируемых НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ космических объектов и оценка медицинских и технологических рисков, обусловленных жизнедеятельностью микроорганизмов в этих условиях. - Разработка способов и методов защиты среды обитания от микробной контаминации и технологий защиты конструкционных материалов, оснащения и оборудования космических объектов от микробиологических повреждений. - Аттестация конструкционных материалов, оснащения и оборудования, используемых в космических объектах, на показатели микробиологической безопасности, санитарно-гигиеническая экспертиза грузопотока. - Разработка средств санитарно-гигиенического обеспечения и сопровождение работ по изготовлению, испытаниям и поставке средств личной гигиены для экипажей космических объектов.

Оборудование для отбора микробиологических проб воздуха и с поверхностей

Микробная контаминация интерьера и оборудования при осуществлении грузопотоков и в ходе строительства космических объектов Исходная микробиота декоративно-отделочных и конструкционных материалов, газовых Аутомикрофлора членов экипажа Формирование микробного сообщества во внутреннем объеме космического объекта Эволюция микробного сообщества в специфически измененной среде космического объекта и в результате влияния космофизических факторов Возникновение медицинских и технических (технологических) рисков, обусловленных жизнедеятельностью микроорганизмов в космическом объекте Система предупредительных мероприятий, санитарно – гигиенических регламентов, методов, средств и бортовых технологий профилактики и купирования микробиологических рисков

Обнаружено 88 видов микроорганизмов Бактерии Грибы 13 родов 17 родов 42 вида Условно патогенные бактерии (IV группы патогенности) Staphylococcus aureus Streptococcus sp. Bacillus cereus Из них : Грибы «патогенные сапрофиты» Aspergillus flavus Aspergillus niger Candida parapsilosis 46 видов Грибы – биодеструкторы Aspergillus niger, Aspergillus versicolor Penicillium aurantiogriseum Cladosporium herbarum, Cladosporium cladosporioides

Частота обнаружения некоторых бактерий различных родов в среде МКС (в % от числа проб)

Частота обнаружения грибов различной родовой принадлежности в среде МКС (в % от числа проб)

Содержание микроорганизмов в воздухе МКС

Содержание микроорганизмов на поверхностях МКС

Микробиологические риски в космическом полете Медицинские Технические (технологические) Аутомикрофлора членов экипажа Микрофлора среды обитания Дисбактериозы Аутоинфекции Перекрестные инфекции Резидентное заселение (колонизация) конструкционных материалов интерьера и оборудования гермоотсеков, звеньев СОЖ потенциально патогенными микроорганизмами, бактериями и грибамибиодеструкторами полимерных материалов и возбудителями коррозии металлов Формирование независимых источников инфекции в среде обитания, резервуаров потенциально патогенных микроорганизмов Прямые и косвенные биоповреждения полимерных материалов Инициация коррозии металлов Формирование биопленок в гидромагистралях СОЖ и др. систем Биопомехи, отказы и нарушения в работе оснащения и оборудования

Рост плесневых грибов на изоляции проводов прибора связи

Рост плесневых грибов на изоляционных контактах разъемов прибора связи Изоляционные контакты

Рост плесневых грибов на сигнализаторе дыма ИДЭ-2 Общий вид Элемент крепления Составные части Внутренний вид корпуса

Рост плесневых грибов на игле сигнализатора дыма ИДЭ-2

Рост плесневых грибов на материалах РЕЗИНА ТИТАН

Рост плесневых грибов на материалах ИЗОЛЯЦИОННАЯ ЛЕНТА АЛЮМИНИЙ

Микробиологическое повреждение алюминия (образование каверн) 2 мм

Средства антимикробной защиты

Рост грибов за панелями

Эффективность дезинфекционной обработки с помощью комплекта “Фунгистат” До обработки После обработки

Рост гриба на материале после обработки биоцидом

Методы поверхностной модификации Гидрофобизация поверхности материалов Химическая модификация поверхности материалов Радиационная прививочная полимеризация акриловой кислоты с последующим введением групп-биоцидов Силилирование поверхности Радиоционная прививочная полимеризация аллиламида Радиационная прививочная полимеризация (фторорганическими соединениями) Радиационное облучение Химическая модификация поверхности группами - биоцидов

Имитационный стенд для проведения микробиологических исследований

Диапазон условий, моделированных в стендах, для проведения микробиологических исследований I. Микроклиматические параметры: 1 -ый режим – стандартный температурно – влажностной режим (СТВР) : Т=24 о. С, относительная влажность воздуха ~ 50%; 2 -ой режим – провокационный температурно – влажностной режим (ПТВР) : Т=28 о. С, относительная влажность воздуха > 90%. Ионизирующее излучение Мощность эквивалентной дозы – 400 – 1200 мк. Зв / сут. II. Фон электромагнитного поля : Низкочастотный диапазон 01 -300 к. Гц с постоянным уровнем электрической составляющей электромагнитного поля 70 мк В/м; Высокочастотный диапазон 0, 1 – 100 м. Гц с постоянным уровнем электрической составляющей 500 мк. В/м. II. IV. Физические параметры : Скорость движения газовой среды – 0, 05 м/с+2, 5 %. Освещенность – 50 -100 лк.

Проблема планетарного карантина при осуществлении межпланетных космических полетов и пути ее решения с учетом результатов российских экзобиологических экспериментов

Политика планетарной защиты КОСПАР В соответствии со статьей IX Договора по дальнему космосу (1967 г. ) в применении к внеземным экспедициям необходимо предохранять планеты и Землю от биологического загрязнения. В связи с этим, Комитет по космическим исследованиям (КОСПАР) выработал политику планетарной защиты для всех участников межпланетных проектов. Основной целью всех мероприятий является защита планет от земного микробиологического загрязнения, а также защита земных условий от возможного биологического загрязнения, исходящего от внеземных образцов и/или от возвращаемых зондов (систем, подсистем КА и т. п. ).

Примерное разделение на категории небесных тел солнечной системы и типов миссий (De Vincenzi et al, 1983, 1994; COSPAR 1984, 1994; Rummel et al, 2002) Категория III Категория IV Категория V Тип экспедиц ии Любая, кроме возврата на Землю Любая, кроме Нет прямого возврата на контакта с Землю планетой (пролетные, некоторые орбитальные КА ) Прямой Возврат на Землю контакт (посадочные аппараты (ПА), пенетраторы и т. п. , некоторые орбитальные КА) Тип и цель миссии планета Пролетные, орбитальны е КА, ПА: Меркурий, Плутон, некоторые астероиды, др. тела Пролетные, орбитальные КА, ПА: кометы, углероднохондритные астероиды, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, др. тела Миссии с посадочными аппаратами: Марс, Европа, др. тела Пролетные, орбитальные КА: Марс, Европа, др. тела Любые миссии с возвратом на Землю. «Возможная опасность при возвращении на Землю» : Марс, Европа, др. тела. «Отсутствует опасность при возвращении на Землю» : Луна, др. тела.

В настоящее время осуществление планетарного карантина необходимо по трем причинам: 1. Земная микрофлора, занесенная на планету автоматическими аппаратами или пилотируемыми космическими кораблями, может размножатся и распространяться на ней, что станет препятствием для дальнейших исследований и замаскирует или совсем разрушит жизнь, характерную для данной планеты. Природные условия при этом могут так изменяться, что эта планета уже не будет представлять значительного научного интереса для последующих поколений. 2. Автоматический космический аппарат, предназначенный для определения признаков жизни на планете, не должен быть загрязнен земной микрофлорой; в противном случае приборы будут обнаруживать, в первую очередь, земную микрофлору, а не внеземную. 3. Земля может быть загрязнена опасными для нее организмами или веществами, занесенными с другой планеты или из космического пространства.

Обоснование

Эксперимент «Биориск» В аспекте данной проблемы в ГНЦ РФ ИМБП РАН была разработана программа и аппаратура для космического эксперимента под названием «Биориск» , обеспечивающего возможность длительного экспонирования различных микроорганизмов на внешней оболочке Международной космической станции (МКС). Целью эксперимента являлось получение новых данных о возможных проявлениях (границах) фенотипической адаптации и генотипических изменений в бактериально-грибных ассоциациях, формирующих типовую микробиоту конструкционных материалов, используемых в космической технике. Задачей первого этапа данной работы являлось определение принципиальной возможности сохранения жизнеспособности тест - культур микроорганизмов при длительном (сравнимым со сроками полета Земля - Марс) экспонировании в космическом пространстве модельных систем “микроорганизмы - конструкционные материалы”, а также оценка влияния факторов космического пространства на биологические объекты применительно к проблеме экологической безопасности космической техники и планетарного карантина.

Аппаратура эксперимента «Биориск» Чашка Петри с системой «микроорганизмы - конструкционные материалы» Контейнеры эксперимента «Биориск» Отверстия, предназначенные для доступа воздуха к чашкам, которые в период транспортировки контейнеров герметично закрываются

Микроорганизмы и конструкционные материалы, используемые в первой серии эксперимента «Биориск» БАКТЕРИИ МАТЕРИАЛЫ Bacillus pumilus-25; Bacillus licheniformis-24; Bacillus licheniformis-ВКМ-1711 Д термофильный штамм ; Bacillus subtilis 2335/105; пленка фторопластовая металлизированная; материал комбинированный на основе металлизированной полиимидной пленки и аримидной ткани; элемент терморегулирующего покрытия; пленка полиимидная; алюминиевая металлическая пластина - сплав Амг 3; стальная металлическая пластина. ГРИБЫ Penicillium expansum; Aspergillus versicolor; Cladosporium cladosporioides Исходная концентрация тест-культур: бактерии – 105 спор грибы – 104 спор

Расположение аппаратуры «Биориск» на РС МКС (начало эксперимента – 25 января 2005 г. ) Контейнеры Платформа РС МКС

Динамика выживаемости спор бактерий и грибов после экспонирования в условиях космического пространства (КОЕ в % от фоновых значений) грибы бактерии

Bacillus subtilis После полета До полета

Penicillium expansum После полета До полета

Чувствительность бактерий вида B. licheniformis – ВКМ - 1711 Д к антибиотикам после экспонирования в условиях космического пространства з. п. р. - зона подавления роста вокруг дисков, пропитанных анибиотиками; контроль – тест-культура микроорганизма до полета; опыт – тест культура после экспонирования в космическом пространстве.

Динамика кислотообразования штамма Р. expansum контроль – до полета; эксперимент – после экспонирования в космическом пространстве

Вторая серия эксперимента «Биориск» (начало 6 июня 2007 г. )

Биологические объекты, используемые во второй серии эксперимента «Биориск» БАКТЕРИИ Bacillus subtilis ; Bacillus subtilis; Bacillus pumilus; Bacillus licheniformis. ГРИБЫ Aspergillus sydowii ; Aspergillus versicolor ; Penicillium aurantiogresium ; Penicillium expansum ЖИВОТНЫЕ Daphnia magna; Daphnia pulicarias; Streptocephalus torvicornis; Artemia salina; Eucypris species; Polypedium vanderplanki; Nothobranchius guenhteri СЕМЕНА Brassica rapa; Aabidopsis thaliana; Naruna nijo

Упаковка биологических объектов (пакеты из хлопка)

Эксперимент «Биориск» на РС МКС Аппаратура «Биориск-МСН» и ее расположение на стыковочном узле «Пирс» Рост штамма Bacillus subtilis после 31 -месячной экспозиции спор на внешней стороне МКС Проросшие «космические» семена ячменя Hordeum vulgare cv. Haruna Nijo и растения редиса Raphanus sativus сорта «Cherry Bomb» , выросшие из «космических» семян Личинка хирономиды Polypedilum vanderplanki, реактивированная после 31 месячной экспозиции в Реактивация «космических» и контрольных покоящихся яиц Artemia salina открытом космосе

Эксперимент ЭКСПОУЗ-Р (начат 10. 03. 2009) Кювета, в которую помещаются сборки с образцами Сборка с образцами. Диаметр отверстий от 7 мм до 10 мм. Пропускание УФ-излучения от 0 до 100 %. Общий вид устройства ЭКСПОУЗ-Р

Размещение биологических образцов в сборках аппаратуры ЭКСПОУЗ-Р Герметичные тефлоновые пакеты размером 7 7 мм и 10 10 мм с биологическим образцами (споры грибов, сухие эмбрионы низших ракообразных, сухие личинки хирономид, семена высших растений) Сборка с размещенными внутрии тефлоновыми пакетами с биообразцами

Космическая экспедиция «Фобос-Грунт» (планируемый старт ноябрь 2011 г. ) Основными целями экспедиции «Фобос-Грунт» являются: - посадка орбитального космического аппарата (перелетный модуль) на поверхность Фобоса, взятие образцов грунта Фобоса и доставка их на Землю в герметичном неразрушаемом контейнере, -проведение зкзобиологических экспериментов по выяснению жизнеспособности покоящихся форм организмов, принадлежащих к различным таксономическим группам, в условиях длительного межпланетного перелета, , межпланетного перелета, -осуществление доставки к Марсу китайского орбитального аппарата.

Программа эксперимена «Био. Фобос/Анабиоз» 2 – капсулы, 60 – биологических объектов: бактерии, грибы, животные. растения Контрольный орбитальный эксперимент

Участники биологических исследований в эксперименте «Био. Фобос/Анабиоз» n ГНЦ РФ Институт-медико-биологических проблем РАН, n Институт космических исследований РАН, n Институт микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, n Зоологический институт РАН, n Факультет Почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова, n ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» ,

Этапы полета экспедиции «Фобос-Грунт» • старт и перелет космического аппарата по трассе Земля – Марс, выход на орбиту искусственного спутника Марса; • проведение исследований поверхности Марса с использованием научных приборов, установленных на космическом аппарате; • подлет к Фобосу и посадка на его поверхность; • забор образцов грунта Фобоса и их укладка в спускаемый аппарат взлетной ракеты; • старт с поверхности Фобоса взлетной ракеты и перелет по трассе Марс – Земля; • посадка на Землю спускаемого аппарата с образцами грунта с Фобоса и биообразцов для дальнейших исследований.

1. Меры по планетарному карантину Марса С целью защиты марсианской среды от земных микроорганизмов для орбитальных аппаратов экспедиций категории III лимитируется вероятность их разрушения, а именно: < 0, 01 для первых 20 лет существования аппарата; < 0, 05 для последующих 30 лет. Если космический аппарат не может удовлетворять заданной выше вероятности разрушения, то микробиологическое загрязнение свободных поверхностей орбитального аппарата на момент окончания сборки должно составлять не более 500 бактериальных спор на квадратный метр, а его полная бионагрузка (поверхностная, внесенная внутрь и т. д) не должна превышать 5*105 бактериальных спор. В применении к КА «Фобос-Грунт» принят первый подход, а именно, лимитируется вероятность разрушения КА.

2. Меры по планетарному карантину Земли Согласно классификации КОСПАР, этап экспедиции по доставке грунта Фобоса на Землю в капсуле, расположенной на спускаемом аппарате, подпадает под категорию V, к которой относятся любые экспедиции возврата на Землю. Была разработана концепция обеспечения планетарного карантина Земли в экспедиции «Фобос. Грунт» , которая была одобрена решением секции «Космическая биология и физиология» Совета РАН по космосу от 29. 05. 2006 г. , протоколом совещания с участием Dr. Gerhard Kminek – руководителя отдела планетарной защиты ЕКА и он же вице-председатель комиссии КОСПАР по планетарной защите, Dr. Catharine Conley – сотрудником отдела планетарной защиты НАСА, на 38 научной ассамблее КОСПАР.

2. Меры по планетарному карантину Земли Основные положения концепции обеспечения планетарного карантина Земли: - в связи с отсутствием данных о биологической безопасности грунта с Фобоса, должна быть предусмотрена разработка требований к организационным, санитарно – противоэпидемическим (профилактическим) мероприятиям, направленным на обеспечение личной и общественной безопасности, защиту окружающей среды при осуществлении доставки, приема и исследований грунта с Фобоса; - для обеспечения карантинных мероприятий исследования доставленного на Землю грунта с Фобоса необходимо проводить в специализированной организации, которая лицензирована на право работы с особо опасными микроорганизмами, имеет лабораторную и медицинскую базу для проведения соответствующих исследований

2. Меры по планетарному карантину Земли 1) Обеспечение герметичности контейнера с грунтом Фобоса (и биообразцов в эксперименте БИОФОБОС) на всех этапах экспедиции, вплоть до посадки на Землю. 2) Доставка грунта с Фобоса и биообразцов в специализированную организацию; 3) Что касается разрушения «цепи контакта» с Землей оборудования, побывавшего на Фобосе, то предусмотрен ряд мер, а именно: - перелетный модуль с грунтозаборным устройством (манипулятор) остается на Фобосе, - возвращаемая ракета, доставляющая спускаемый аппарат с грунтом на Землю, сгорает в атмосфере Земли, т. е. ее обломки подвергаются естественной стерилизации, - внешние поверхности спускаемого аппарата, содержащего капсулу с грунтом, в свободном падении в атмосфере Земли нагреваются до температур около тысячи градусов, что обеспечивает также их естественную стерилизацию. - СА на период после посадки на Землю и до доставки в научноисследовательский комплекс помещается в герметичный транспортировочный контейнер, отвакуумированный до давления Р = 10 -1 мм рт ст.

План работ по обеспечению карантина Земли в проекте «Фобос-Грунт» Работа состоит из трех этапов: I этап - Разработка медико-технических требований к обсервационно-ограничительным и карантинным мероприятиям, а также порядка и методик работ с возвращаемым аппаратом и исследуемыми образцами. II этап - Экспериментальное обоснование, выбор и стандартизация методов исследований грунта и биологических образцов, как в части обеспечения карантина Земли, так в части проведения первичных научных исследований. III этап - Проведение первичных исследований в специализированной лаборатории с грунтом, доставленным с Фобоса, и биологическими объектами, находившимися на борту КА «Фобос. Грунт» , на всех этапах его полета, с соблюдением всех мер безопасности для обеспечения карантина Земли.

Спасибо за внимание!