Natural microbial populations in a water-based biowaste management system for space life support

AbstractThe reutilization of wastewater is a key issue with regard to long-term space missions and planetary habitation. This study reports the design, test runs and microbiological analyses of a fixed bed biofiltration system which applies pumice grain (16–25 mm grain size, 90 m2/m3 active surface) as matrix and calcium carbonate as buffer. For activation, the pumice was inoculated with garden soil known to contain a diverse community of microorganisms, thus enabling the filtration system to potentially degrade all kinds of organic matter. Current experiments over 194 days with diluted synthetic urine (7% and 20%) showed that the 7% filter units produced nitrate slowly but steadily (max. 2191 mg NO3–N/day). In the 20% units nitrate production was slower and less stable (max. 1411 mg NO3–N/day). 84% and 76% of the contained nitrogen was converted into nitrate. The low conversion rate is assumed to be due to the high flow rate, which keeps the biofilm on the pumice thin. At the same time the thin biofilm seems to prevent the activity of denitrifiers implicating the existence of a trade off between rate and the amount of nitrogen loss. Microbiological analyses identified a comparatively low number of species (26 in the filter material, 12 in the filtrate) indicating that urine serves as a strongly selective medium and filter units for the degradation of mixed feedstock have to be pre-conditioned on the intended substrates from the beginning

apex: A new commercial off-the-shelf on-board computer platform for sounding rockets

In order to supersede the aging Microchip ATMEGA328P as the de facto standard for Commercial off-the-shelf (COTS) On-Board Computers (OBCs) with a more powerful system for different kinds of high-speed sensors and image acquisition applications, we developed advanced processors, encryption, and security experiment (apex). The platform consisting of a newly developed OBC using COTS components has been flight tested during the ATEK/MAPHEUS-8 sounding rocket campaign. The main advantages of the apex OBC lies in the speed and simplicity of the design while maintaining operational security with a redundant master-master microcontroller system, as well as dual flash storage within each master. Additionally, a single board computer with a containerized and failure-resistant Operating System (OS) (balenaOS) was included to allow usage of a high-definition camera or other more compute-intensive tasks. The bench and flight tests were performed successfully and already showed feasible ways to further improve operational performance

Interaction Network Provides Clues on the Role of BCAR1 in Cellular Response to Changes in Gravity

When culturing cells in space or under altered gravity conditions on Earth to investigate the impact of gravity, their adhesion and organoid formation capabilities change. In search of a target where the alteration of gravity force could have this impact, we investigated p130cas/BCAR1 and its interactions more thoroughly, particularly as its activity is sensitive to applied forces. This protein is well characterized regarding its role in growth stimulation and adhesion processes. To better understand BCAR1′s force-dependent scaffolding of other proteins, we studied its interactions with proteins we had detected by proteome analyses of MCF-7 breast cancer and FTC-133 thyroid cancer cells, which are both sensitive to exposure to microgravity and express BCAR1. Using linked open data resources and our experiments, we collected comprehensive information to establish a semantic knowledgebase and analyzed identified proteins belonging to signaling pathways and their networks. The results show that the force-dependent phosphorylation and scaffolding of BCAR1 influence the structure, function, and degradation of intracellular proteins as well as the growth, adhesion and apoptosis of cells similarly to exposure of whole cells to altered gravity. As BCAR1 evidently plays a significant role in cell responses to gravity changes, this study reveals a clear path to future research performing phosphorylation experiments on BCAR1

The influence of feed automatization on pH-fluctuations in urine processing trickling filters

With respect to crewed long-term space missions, closed-loop systems for resource management become increasingly important. Processing human wastes into plant-available nitrogen sources is a crucial part of ensuring food supply in space. This study describes a 90-day experiment in which trickling filters fitted with 6 L of lava rock (16-25 mm grain size), mussel shells as buffer material and a 28 L tank were fed with synthetic urine (SU) and observed with regard to their nitrogen conversion rates and pH stability. The filters were operated semi-continuously with a daily withdrawal of 500 mL processed SU and addition of 500 mL new SU. The processed urine was removed from the system with only one withdrawal for all filters. The addition was done at intervals that differed between the filters: the first filter triplet received 500 mL SU once a day, the second filter triplet received ten times 50 mL and the third filter triplet received 108 times 4.6 mL. Nitrogen conversion rates, measured as nitrate production/day, did not differ significantly between the filters. However, the pH fluctuations were reduced by the divided addition (\Delta pHminmax [triplet 1] \geq 1; \Delta pHminmax [triplet 2] \geq 0.7; for triplet 3 the measurement has not yet been completed; pHmeanmin [triplet 1] \sim pHmeanmin [triplet 2] \sim 3.8; pHmeanmax [triplet 1] \sim 5; pHmeanmax [triplet 2] \sim 4.5). We hypothesize that pH fluctuations with lower maximum values reduce the precipitation in the tank induced by the mussel shells. The measurements are ongoing

The enigmatic Placozoa part 2: Exploring evolutionary controversies and promising questions on earth and in space

The placozoan Trichoplax adhaerens has been bridging gaps between research discilplines like no other animal. As outlined in part 1, placozoans have been subject of hot evolutionary debates and placozoans have challenged some fundamental evolutionary concepts. Here in part 2 we discuss the exceptional genetics of the phylum Placozoa and point out some challenging model system applications for the best known species, Trichoplax adhaerens

Funktionelle Charakterisierung von frühen Graviperzeptionsmechanismen in Pflanzen

Abstract: Funktionelle Charakterisierung von frühen Graviperzeptionsmechanismen in Pflanzen - Die Ergebnisse der Arbeit zur Untersuchung der funktionellen Charakterisierung von frühen Graviperzeptionsmechanismen in Pflanzen leisten einen wesentlichen Beitrag zur Aufklärung der sehr frühen Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung in den Wurzelstatozyten Höherer Pflanzen. Es existierten bis dato zahlreiche Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen den sedimentierenden Statolithen und den Aktinfilamenten der Statozyten während der Gravisuszeption. Im Rahmen der hier vorgestellten Bodenkontroll- und Parabelflugexperimente ist es nun erstmalig gelungen, die Rolle des Aktinzytoskeletts während der Graviperzeption in Wurzeln näher zu charakterisieren. Ein intaktes Aktinnetzwerk in den schwerkraftwahrnehmenden Wurzelzellen ist keine notwendige Voraussetzung für die ersten Prozesse der Schwerkraftwahrnehmung. Die vollständige Zerstörung von Aktin mittels Latrunculin B resultiert nicht in einer verringerten Krümmungsreaktion der behandelten Wurzeln, sondern im Gegenteil in einem erhöhten Krümmungswinkel verglichen mit unbehandelten Kontrollen. - Parabelflugexperimente lieferten entscheidende Hinweise dafür, dass das Aktinzytoskelett in den Wurzelstatozyten wichtige Aufgaben bei der Regulation der hochdynamischen Mechanismen der Graviperzeption übernimmt. Die Beweglichkeit der Statolithen und damit die Sensibilität des Wahrnehmungsapparates wird durch das Aktomyosinsystem kontrolliert, wodurch die Intensität und/oder die Dauer des an einem Gravirezeptor ausgelösten Signals reguliert wird. Das Prinzip dieses Schwerkraftwahrnehmungssystems ist dadurch hoch dynamisch und sehr sensitiv. Gleichzeitig wird eine von der Pflanze unerwünschte Reaktion auf transiente Reize vermieden. Für die Auslösung eines schwerkraftinduzierten Signals in den Statozyten Höherer Pflanzen ist der Kontakt zwischen den sedimentierten Statolithen und den Schwerkraftrezeptoren ausreichend. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmals, dass die Aufhebung des Kontakts zwischen Statolithen und Zellmembran durch Wegsedimentieren der Statolithen zu einer Unterbrechung der Graviperzeption führt. In Hyper-g-Experimenten, in denen ein erhöhter Druck auf die Schwerkraftrezeptoren durch ein erhöhtes Gewicht der sedimentierten Statolithen wirkt, bleibt die gravitrope Krümmung unbeeinflusst. Es ist demnach sehr wahrscheinlich dass direkte elektrische oder chemoelektrische Wechselwirkungen zwischen Statolithenoberfläche und Schwerkraftrezeptor für die Auslösung einer schwerkraftspezifischen Signalkaskade ausschlaggebend sind. Dementsprechend sind “schwerelose“ Statolithen, die auf den Rezeptoren aufliegen, in der Lage, die gravitrope Wurzelkrümmung auszulösen, wie in Parabelflugexperimenten deutlich gezeigt wurde. - Darüber hinaus haben Untersuchungen am Modellsystem der Niederen Pflanzen, dem Chara-Rhizoid, ebenfalls zu neuen Erkenntnissen bezüglich der Prozesse der schwerkraftabhängigen Krümmungsreaktion geführt. Untersuchungen der Membranpotentialverhältnisse in Chara-Rhizoiden geben erstmals Hinweise darauf, dass der Calciumgradient in spitzenwachsenden Zellen einen Einfluss auf den Depolarisationsgrad von sekretorischen Vesikeln hat, die durch ihre Fusion mit der apikalen Membran das Spitzenwachstum der Zelle ermöglichen. Auch wenn die genaue Funktion der Depolarisation von Vesikel noch nicht verstanden ist, gibt es doch deutliche Hinweise auf eine Population depolarisierter Vesikel, die direkt mit dem Spitzenwachstum verknüpft sind. Auch wurde eine lokal begenzte Hyperpolarisation der Vesikel am Ort der Sedimentation von Statolithen auf der Plasmamembran beobachtet. Durch die Entwicklung des NIKON Eclipse 80i “Horizontal“ ist es möglich, bis zu drei Fluoreszenzmarkierungen (z.B. Membranpotential, Calcium und ER) simultan in vivo während der gravitropen Krümmung einzusetzen, um weitere Erkenntnisse über die Dynamik und das Verhalten der beteiligten Zellkompartimente zu gewinnen. - Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die Planung, Konstruktion und den Bau einer neuen Parabelflugexperimenteinheit (Carbocryonix). Diese ermöglicht erstmals die Fixierung von biologischen Proben während Parabelflugexperimenten mittels Schockgefrierung. Die Qualität des mit dieser Experimenteinheit fixierten Materials ermöglicht im Anschluss an die eigentlichen Parabelflugexperimente molekularbiologische Analysen und verspricht zur Aufklärung einiger molekular- und zellbiologischer Fragestellungen bezüglich der Schwerkraftwahrnehmung in pflanzlichen und tierischen Systemen beizutragen

C.R.O.P ® - Combined Regenerative Organic-Food Production

This keynote speech had a focus on presenting the C.R.O.P. ® System of the German Aerospace Centre (DLR) for closed Greenhouses and for new applications in agricultural systems