Radish Productivity Under Inclusion of Plant Inedible Biomass in Mass Exchange Processes of a Biological-Technical Life Support System

Использование почвоподобного субстрата (ППС) в качестве корнеобитаемого субстрата является одним из перспективных способов культивирования растений в биолого-технических системах жизнеобеспечения (БТСЖО). Возможным способом увеличения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО длительного срока функционирования служит вовлечение в массообменные процессы несъедобной растительной биомассы. В статье приводятся результаты оценки трех способов минерализации несъедобной биомассы пшеницы и редиса: «биологический», физико-химический и комбинированный. «Биологический» способ осуществляли путем внесения сухой несъедобной биомассы пшеницы и редиса в ППС, который служил корнеобитаемой средой и биореактором для разложения растительных отходов. Физико-химический способ основан на методе «мокрого» сжигания несъедобной биомассы пшеницы и редиса перекисью водорода в переменном электромагнитном поле с последующим внесением полученного раствора в поливной раствор. Комбинированный способ включал в себя внесение физико-химически минерализованной пшеничной соломы в поливной раствор, а несъедобной биомассы редиса непосредственно в ППС. Состояние растений редиса оценивали по состоянию фотосинтетического аппарата, по показателям СО2 газообмена комплекса «ценоз редиса – ППС», по продуктивности и другим физиологическим характеристикам. Из исследованных способов минерализации оптимальным оказалось комбинирование физико- химической минерализации соломы пшеницы и «биологического» метода минерализации несъедобной биомассы редисаUse of the soil-like substrate (SLS) as a root-inhabited substrate is one of the most perspective ways of plants cultivation in biological-technical life support systems (BTLSS). Inclusion of plant inedible biomass seems to be necessary for closure increase of mass exchange processes of a long-functioning BTLSS. The work presents estimation data of three ways of processing wheat and radish inedible biomass introduced into the SLS: a ‘biological’ method, a physical-technical way and a combined one. Radish (Raphanus sativus L.) “Mokhovsky” variety was a test culture. The ‘biological’ method represented the SLS used as a bioreactor in which dry wheat and radish inedible biomass was introduced. The physical-technical method consisted of ‘wet’ oxidation of wheat and radish inedible biomass by hydrogen peroxide in alternating current with further introduction of the solution obtained into the solution for plants irrigation. The combined method included physical-chemical mineralization of wheat straw and radish inedible biomass introduced directly into the SLS. The combined method consisted of the physical-chemical oxidation of wheat straw and the ‘biological’ processing of radish inedible biomass appeared to be the most optimal way from all methods under stud

Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible Constituent of Bioregenerative Life Support Systems’ Phototrophic Link

The work is devoted to investigation of productivity, biochemical and mineral composition of Salicornia europaea grown under intensive light culture conditions as applied to bioregenerative life support systems (BLSS). Furthermore influence of amide form of nitrogen on plants growth is investigated in the work. Biochemical composition of the Salicornia europaea edible part showed that raw protein was contained in the highest degree. The water-soluble sugars content and the polysaccharides number (except cellulose) were not high in the Salicornia europaea edible part. It was shown that the plants lipids are characterized by a high unsaturation degree mainly due to alpha linolenic and linoleic acids. Nitrogen nutrition form did not significantly affect the Salicornia europaea productivity. Sodium and its concentrations predominated in the plants mineral composition. Hence Salicornia europaea vegetable plants not only contribute to involvement of sodium chloride in BLSS matter turnover, but also can be the source of several biochemical substances and essential fatty acids for a human

Salicornia europaea L. (fam. Chenopodiaceae) Plants as Possible Constituent of Bioregenerative Life Support Systems’ Phototrophic Link

The work is devoted to investigation of productivity, biochemical and mineral composition of Salicornia europaea grown under intensive light culture conditions as applied to bioregenerative life support systems (BLSS). Furthermore influence of amide form of nitrogen on plants growth is investigated in the work. Biochemical composition of the Salicornia europaea edible part showed that raw protein was contained in the highest degree. The water-soluble sugars content and the polysaccharides number (except cellulose) were not high in the Salicornia europaea edible part. It was shown that the plants lipids are characterized by a high unsaturation degree mainly due to alpha linolenic and linoleic acids. Nitrogen nutrition form did not significantly affect the Salicornia europaea productivity. Sodium and its concentrations predominated in the plants mineral composition. Hence Salicornia europaea vegetable plants not only contribute to involvement of sodium chloride in BLSS matter turnover, but also can be the source of several biochemical substances and essential fatty acids for a human

Analysis of Closure Dynamics of an Experimental Biological Life Support System

В ИБФ СО РАН создана экспериментальная модель биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека с высокой степенью замкнутости круговоротных процессов с вовлечением в массообмен растительных отходов и экзометаболитов человека. Для прогноза возможностей дальнейшего повышения степени замкнутости рассматриваемой экспериментальной модели БСЖО построена математическая модель, опирающаяся на кинетические коэффициенты и зависимости, полученные в экспериментальных исследованиях. Процессы массообмена, протекающие в системе БСЖО, представлены в модели как непрерывные динамические процессы и описываются дифференциальными уравнениями, записанными в размерностях массы. Модель описывает основные процессы массообмена, позволяющие исследовать поведение системы, не превращая в то же время ее в сложную для анализа имитационную модель. Верификация модели была проведена по экспериментальным данным, полученным при работе с БСЖО. Ключевой особенностью математической модели является возможность динамического численного расчета коэффициента замыкания системы. Коэффициент замыкания рассматривается здесь как отношение скорости поступления вещества от гетеротрофных организмов к автотрофным к сумме этой скорости и скорости ухода вещества в тупик. Модель замкнутой БСЖО способна указывать пути повышения замкнутости системы путем варьирования параметров модельного счета и его влияния на рассчитываемый коэффициент замыканияAn experimental model of a biological life support system (BLSS) created at the Institute of Biophysics SB RAS has a high level of closure of material cycling with plant wastes and human waste products incorporated into mass exchange. To predict the ways to further increase the level of closure of the BLSS experimental model, a mathematical model based on kinetic coefficients and dependences obtained during experimental research has been constructed. The processes of mass transfer occurring in the BLSS are presented in the model as continuous dynamic processes and are described by differential equations written in the dimensions of mass. The model describes the basic mass transfer processes that make it possible to investigate the behavior of the system without transforming it into an imitation model, which would be too complex to analyze. The verification of the model was conducted using the experimental data obtained in the BLSS experiments. The main distinction of the mathematical model is the possibility of dynamic numerical determination of the system closure coefficient. The closure coefficient is considered here as the ratio of the rate of substance transfer from heterotrophic to autotrophic organisms to the sum of this rate and the rate of the flow of the substance to the dead end. The model of the closed BLSS is able to suggest the ways to increase the degree of the system closure by varying the parameters of the model calculation and its effect on the calculated closure coefficien

Radish Productivity Under Inclusion of Plant Inedible Biomass in Mass Exchange Processes of a Biological-Technical Life Support System

Использование почвоподобного субстрата (ППС) в качестве корнеобитаемого субстрата является одним из перспективных способов культивирования растений в биолого-технических системах жизнеобеспечения (БТСЖО). Возможным способом увеличения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО длительного срока функционирования служит вовлечение в массообменные процессы несъедобной растительной биомассы. В статье приводятся результаты оценки трех способов минерализации несъедобной биомассы пшеницы и редиса: «биологический», физико-химический и комбинированный. «Биологический» способ осуществляли путем внесения сухой несъедобной биомассы пшеницы и редиса в ППС, который служил корнеобитаемой средой и биореактором для разложения растительных отходов. Физико-химический способ основан на методе «мокрого» сжигания несъедобной биомассы пшеницы и редиса перекисью водорода в переменном электромагнитном поле с последующим внесением полученного раствора в поливной раствор. Комбинированный способ включал в себя внесение физико-химически минерализованной пшеничной соломы в поливной раствор, а несъедобной биомассы редиса непосредственно в ППС. Состояние растений редиса оценивали по состоянию фотосинтетического аппарата, по показателям СО2 газообмена комплекса «ценоз редиса – ППС», по продуктивности и другим физиологическим характеристикам. Из исследованных способов минерализации оптимальным оказалось комбинирование физико- химической минерализации соломы пшеницы и «биологического» метода минерализации несъедобной биомассы редисаUse of the soil-like substrate (SLS) as a root-inhabited substrate is one of the most perspective ways of plants cultivation in biological-technical life support systems (BTLSS). Inclusion of plant inedible biomass seems to be necessary for closure increase of mass exchange processes of a long-functioning BTLSS. The work presents estimation data of three ways of processing wheat and radish inedible biomass introduced into the SLS: a ‘biological’ method, a physical-technical way and a combined one. Radish (Raphanus sativus L.) “Mokhovsky” variety was a test culture. The ‘biological’ method represented the SLS used as a bioreactor in which dry wheat and radish inedible biomass was introduced. The physical-technical method consisted of ‘wet’ oxidation of wheat and radish inedible biomass by hydrogen peroxide in alternating current with further introduction of the solution obtained into the solution for plants irrigation. The combined method included physical-chemical mineralization of wheat straw and radish inedible biomass introduced directly into the SLS. The combined method consisted of the physical-chemical oxidation of wheat straw and the ‘biological’ processing of radish inedible biomass appeared to be the most optimal way from all methods under stud

Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 2/2. Verification of the model and scenarios

According to experimental data a dynamic model of biological life support system (BLSS) module was verified. The soil-like substrate (SLS) lies in the basis of this BLSS. The module was designed for requirements of 1/30 of a virtually present human; it involves higher plants, unit for vegetable wastes processing and gas exchange for carbon dioxide and oxygen. Application of the model helped in estimation of variants of system functioning at optimal and non-optimal modes of illumination and according to the number of age groups in the phytoblock. The alternatives of system development at death of a part or the whole wheat phytomass have been demonstrated, the degree of biotic turnover closedness for C and N in different methods of system mass exchange organization has been estimated. BLSS with SLS exceed the system with physico-chemical method of matter oxidation by the degree of matter turnover closedness. From this viewpoint, SLS based experimental module can become the prototype of new generation BLSS with more high closedness of internal matter turnover.По экспериментальным данным верифицирована динамическая модель модуля биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). В основе БСЖО использование почвоподобного субстрата (ППС). Модуль включает высшие растения, блок переработки растительных отходов, газообмен по углекислому газу и кислороду, и по массо-газообмену рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. При помощи модели оценены варианты функционирования системы при неоптимальном и оптимальном режимах освещенности и по количеству возрастов в фитоблоке, продемонстрированы варианты развития системы для такой критической ситуации как гибель части или всей фитомассы пшеницы, оценена степень замкнутости биотического круговорота по С и N для различных способов организации массооборота системы. БСЖО с ППС по степени замкнутости круговорота вещества имеет преимущество перед системой с физико-химическим способом окисления вещества. В этом смысле экспериментальный модуль (на основе ППС) может послужить прообразом в создании нового поколения БСЖО с повышенным замыканием внутреннего круговорота вещества

Mathematical and Computer Simulation of the Biological Life Support System Module 2/2. Verification of the model and scenarios

According to experimental data a dynamic model of biological life support system (BLSS) module was verified. The soil-like substrate (SLS) lies in the basis of this BLSS. The module was designed for requirements of 1/30 of a virtually present human; it involves higher plants, unit for vegetable wastes processing and gas exchange for carbon dioxide and oxygen. Application of the model helped in estimation of variants of system functioning at optimal and non-optimal modes of illumination and according to the number of age groups in the phytoblock. The alternatives of system development at death of a part or the whole wheat phytomass have been demonstrated, the degree of biotic turnover closedness for C and N in different methods of system mass exchange organization has been estimated. BLSS with SLS exceed the system with physico-chemical method of matter oxidation by the degree of matter turnover closedness. From this viewpoint, SLS based experimental module can become the prototype of new generation BLSS with more high closedness of internal matter turnover.По экспериментальным данным верифицирована динамическая модель модуля биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО). В основе БСЖО использование почвоподобного субстрата (ППС). Модуль включает высшие растения, блок переработки растительных отходов, газообмен по углекислому газу и кислороду, и по массо-газообмену рассчитан на условное присутствие 1/30 доли человека. При помощи модели оценены варианты функционирования системы при неоптимальном и оптимальном режимах освещенности и по количеству возрастов в фитоблоке, продемонстрированы варианты развития системы для такой критической ситуации как гибель части или всей фитомассы пшеницы, оценена степень замкнутости биотического круговорота по С и N для различных способов организации массооборота системы. БСЖО с ППС по степени замкнутости круговорота вещества имеет преимущество перед системой с физико-химическим способом окисления вещества. В этом смысле экспериментальный модуль (на основе ППС) может послужить прообразом в создании нового поколения БСЖО с повышенным замыканием внутреннего круговорота вещества