Принадлежност Alterra, Wageningen UR, Wageningen, Холандия

марс

Принадлежност Alterra, Wageningen UR, Wageningen, Холандия

Партньорство Unifarm, Wageningen UR, Wageningen, Холандия

Партньорство Unifarm, Wageningen UR, Wageningen, Холандия

Affiliation Biometris, Wageningen UR, Wageningen, Холандия

  • G. W. Wieger Wamelink,
  • Джоеп Й. Фрисел,
  • Wilfred H. J. Krijnen,
  • М. Rinie Verwoert,
  • Пол У. Годхарт

Фигури

Резюме

Когато хората се установят на Луната или Марс, ще трябва да ядат там. Може да се пренася храна. Алтернатива може да бъде отглеждането на растения на самата площадка, за предпочитане в местни почви. Ние докладваме за първия мащабен контролиран експеримент за изследване на възможността за отглеждане на растения в симуланти на почвата на Марс и Луна. Резултатите показват, че растенията са в състояние да покълнат и да растат както на марсиански, така и на лунен симулант на почвата за период от 50 дни без добавяне на хранителни вещества. Растежът и цъфтежът на симуланта на реголит на Марс бяха много по-добри, отколкото на симуланта на лунен реголит и дори малко по-добри, отколкото на нашата контролна хранителна бедна речна почва. Reflexed stonecrop (диво растение); посевите домат, пшеница и кресон; и горската горчица от видове зелен тор се представя особено добре. Последните три цъфтяха, а кресонът и полската горчица също дадоха семена. Нашите резултати показват, че по принцип е възможно да се отглеждат култури и други растителни видове в марсиански и лунен симулатори на почвата. Остават обаче много въпроси относно водоносимостта на симулаторите и други физически характеристики, както и дали симулаторите са представителни за реалните почви.

Цитат: Wamelink GWW, Frissel JY, Krijnen WHJ, Verwoert MR, Goedhart PW (2014) Могат ли растенията да растат на Марс и Луната: Експеримент за растеж на симулатори на Марс и Луна. PLoS ONE 9 (8): e103138. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0103138

Редактор: Алберто де ла Фуенте, Лайбниц-Институт по биология на селскостопанските животни (FBN), Германия

Получено: 8 януари 2014 г .; Прието: 25 юни 2014 г .; Публикувано: 27 август 2014 г.

Финансиране: Това изследване беше подкрепено от холандския министър на икономиката. Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Въведение

По време на проекта Аполон не е имало експеримент с растежа на растенията на Луната. Въпреки това са проведени експерименти на земята с върнатия лунен материал. Тези експерименти не включват растеж на растения на лунна почва. Вместо това растенията бяха изложени на лунни камъни, като ги триеха и дори малки количества бяха добавяни към растежната среда. Тези експерименти показват, че няма токсични ефекти на лунната почва върху краткосрочния растеж на растенията [18], за преглед вж. Ferl и Paul [19]. Ферл и Павел [19] също предоставят снимки на моделното растение Arabidopsis thaliana, отглеждано на симулант на лунен реголит (JSC1a). Проучвания с лунен скален симулант (анортозит) са извършени с моделното растение Tagetes patula [20], [21]. Тези проучвания разкриват, че тези растения са били в състояние да растат с и без добавяне на бактерии [20], [21] и че растенията са били в състояние да цъфтят [20]. Има и експерименти с растеж на растения със симулант на реголит на Марс. Експерименти с бактерии на почвен симулант на Марс разкриват, че е възможен растеж, включително фиксиращи азот бактерии [22].

Нашата цел беше да изследваме дали видовете от трите групи диви растения, култури и азотни фиксатори (Таблица 1) ще покълнат и ще живеят достатъчно дълго, за да преминат през първите етапи от развитието на растенията на изкуствени реголити на Марс и Луна. Ако случаят е такъв, възможно е растежът на растенията да е възможен в рамките на изкуствена обстановка на Марс и лунната повърхност, въпреки че нашият експеримент е проведен на Земята с отклоняващата се гравитация. Освен това предположихме, че отглеждането на растения ще се извършва в затворена среда със Земята като светлина и атмосферни условия.

Материали и методи

Реголити

Симулантът за реголит на Марс и Луна е закупен от Orbitec (http://www.orbitec.com). И двата реголита са произведени от НАСА (за Марс използвахме JSC-1A симулант за реголит на Марс, за Луна използвахме симулант за лунен реголит JSC1-1A) [23], [24]. Тъй като симулаторите на реголит на Марс и Луна са сравними със земните почви, поне по минерален състав [23] - [28], те могат да бъдат имитирани чрез използване на вулканични земни почви, както е направено от НАСА [23], [24].

Като контрол използвахме груба речна Рейнска почва от 10 м дълбоки слоеве, която е бедна на хранителни вещества, без органични вещества и семена. Тъй като симулаторите на Луната и Марс бяха анализирани само за минерално съдържание и размер на частиците, ние ги анализирахме и за хранителни вещества, които са на разположение за растителните видове. И трите типа почви бяха анализирани за рН на водата в почвата, съдържание на органични вещества, общо съдържание на N и P (и двете разрушителни), NH4, NO2 +, NO3, PO4, Al, Fe, K и Cr (всичките седем в екстракта CaCl2). Всички анализи бяха повторени два пъти в съответствие със стандартния протокол (RvA-акредитация за лаборатории за изпитване; обхват на регистрационния номер: 342). Тези почвени параметри обикновено се използват за обяснение на появата на видове на Земята [29].

Анализът разкри, че симулантът на лунния реголит е наистина беден на хранителни вещества, въпреки че съдържа малко количество нитрати и амоний. Симулантът на реголит на Марс също съдържа следи от амониеви нитрати, както и значително количество въглерод (Таблица 2). РН и на трите почви е високо. РН на лунния реголит е толкова високо, че може да бъде проблематично за много растителни видове, особено за култури [30]. Приложихме реголитите и контролния земен пясък, както бяха доставени, пясъците не бяха стерилизирани, тъй като стерилизацията може да промени свойствата му.

Избор на видове

Видовете бяха избрани от три групи: четири различни култури, четири фиксатора на азот и шест диви растения, които се срещат естествено в Холандия (Таблица 1). Избрани са само видове с относително малки семена, така че хранителният запас в семената да се изчерпи бързо и растението да стане напълно зависимо от наличното в почвите за растежа си. За дивите растения избрахме видове, които могат да растат или при лоши хранителни условия, или при широк спектър от обстоятелства (виж Таблица 1) въз основа на отговорите на вида към абиотични условия [29], [30]. Имайте предвид, че въпреки че видовете могат да имат ограничения за условията на растеж в полето, те често са в състояние да растат в монокултури при различни обстоятелства, напр. по-богати на хранителни вещества или лоши хранителни условия поради липса на по-конкурентни видове. За да можем да наблюдаваме първите етапи на растеж, използвахме семена от вида. Реколтата и семената за фиксиране на азот са закупени в местния магазин (Welkoop, Wageningen), а семената от диви растения в Cruydt Hoeck (Nijeberkoop). Последните семена бяха събрани на полето. Външно присъстващите бактерии върху семената, ако има такива, не са били убити.

Експериментален дизайн и наблюдения

Малки саксии бяха напълнени със 100 g лунен почвен симулант, 100 g земна почва или 50 g почвен симулант на Марс и 25 g деминерализирана вода бяха добавени към всяка саксия. Масата на добавените симулатори беше различна, тъй като искахме да напълним саксиите с приблизително еднакъв обем, за да имаме еднаква височина на колоната. На дъното на всяка саксия беше поставен филтър, за да се предотврати изтичането на почвата. За всеки тип почва и растителен вид бяха използвани двадесет саксии с реплики. Това доведе до 840 саксии (3 почви × 14 вида × 20 копия). Във всяка саксия позиционирахме по пет семена, давайки по 100 семена на вид - комбинация от почва. Саксиите бяха поставени в оранжерия в напълно рандомизиран дизайн на блок, където всеки блок представлява реплика (фиг. 1). Всяка тенджера се поставя в чаша на Петри (без капачка), за да побере прекомерна вода и да предотврати нарастването на корени в други саксии. Саксиите бяха поставени на голяма маса в оранжерията (фиг. 2).

За съкращения на вида вижте Таблица 1.

Всеки блок съдържа 42 саксии. Блок 12 се вижда във фонов режим. Етикетите в саксиите показват номера на саксията, видовете (отляво надясно на първия ред Жълта сладка детелина (два пъти), леопардови бани, полска горчица, морков и червена власатка) и типа на почвата (L за луна или луна, M за Марс и E за Земята) в комбинация с номера на блока (2).

Експериментът стартира на 8 април 2013 г. Температурата в оранжерията се поддържа около 20 ° C. По време на експерименталния период средната температура е била 21,1 ± 3,02 ° C и влажността на въздуха е 65,0 ± 15,5%, и двете въз основа на 24-часово записване с интервал от 5 минути. Средният ден продължи 16 часа. Ако интензивността на слънчевата светлина е била под 150 вата/м 2, лампите, даващи 80 µmol (HS2000 от Hortilux Schréder) са включени. Саксиите се поливат веднъж или два пъти на ден в зависимост от скоростта на изпаряване чрез пръскане с деминерализирана вода (около 10 литра за целия експеримент за всеки случай). Използвахме деминерализирана вода, за да имитираме вода от Марс и Луна и да предотвратим замърсяването с (например) хранителни вещества, които присъстват в чешмяната вода. Използва се околен въздух.

Семената се оценяват по кълняемост, първоначално производство на листа, формиране на пъпки, цъфтеж и полагане на семена. В края на експеримента, 50 дни след 8 април, цялата биомаса се събира и след почистване се суши в печка за 24 часа при 70 ° C; След охлаждане над и под земята биомасата се претегля отделно. За 25 експериментални единици общата биомаса е по-малка от пределната граница. За тези единици на общата биомаса е определена стойност от 0,5 mg (за растения, които са покълнали, но не могат да бъдат възстановени в края на експеримента) или 0,1 mg (за растения, които са загинали преди края на експеримента непосредствено след покълването) . Над и под земята биомасата е настроена на половината от тази стойност. За 21 единици надземната биомаса е по-малка от пределната граница и това важи и за подземната биомаса от 25 единици. В тези случаи съответната биомаса се определя на 0,1 mg.

Статистически анализ

Използвана е логистична регресия за статистически анализ на броя на покълналите семена във всяка саксия, както и на броя на семената, които са развили листа, които са развили цветя (включително пъпки), и броя на растенията, които са били все още живи след 50 дни. Тест за съотношение на двойни вероятности, отделно за всеки вид и отчитащ разликите между блоковете, беше използван, за да се тества дали симулаторите на почвата на Земята, Луната и Марс дават различни резултати. Когато е необходимо, свръхдисперсията се отчита чрез надуване на биномната дисперсия с неизвестен фактор и след това се използва квазивероятност, а не максимална вероятност [31].

Беше извършен анализ на дисперсията, отново поотделно за всеки вид и отчитащ блокови ефекти, върху логаритъма на общата, над и под земята биомаса, както и върху съотношението на горната и подземната биомаса. Трансформацията на дневника беше използвана, защото това стабилизира дисперсията. Проведени са двойни t-тестове за разликата между почвите. Имайте предвид, че това е условен анализ, тъй като единици без биомаса са изключени. Това предполага, че не се дава биомаса за V. sativa sativa на Луната, тъй като нито едно от тези семена не е покълнало.

Резултати

Всички резултати са след 50 дни и процентите се основават на всички 100 семена на комбинация от растителен вид-тип почва. Разликите по двойки се показват чрез линия, която се присъединява към типовете почви, които са значително различни при 1% (тънка линия) и 0,1% (дебела линия) ) ниво на значимост. Основна информация може да се намери в таблица S1 и S2.

Биомасата в края на експеримента беше значително по-висока за единадесет от четиринадесетте вида на симулант на марсианска почва в сравнение с двете други почви. Биомасата за симулант на земна и лунна почва често е доста сходна (фиг. 4), въпреки че при девет вида нарастването на биомасата на земната почва е значително по-високо, отколкото при лунния симулант на почвата. Очевидно като цяло растенията са успели да се развиват със същата скорост на симуланти на марсиански и земни почви, но нарастването на биомасата е много по-високо при симуланта на Марс. Това е отразено както в биомасата отдолу, така и над земята, въпреки че има различия на видово ниво.

Биомасите се дават в mg сухо тегло по 10 log скала. Триъгълникът показва отклонение за Лупин (горе/под 19,7). За обикновената фия не е дадено съотношение, тъй като както надземната, така и подземната биомаса са нула. Разликите по двойки се показват чрез линия, която се присъединява към типовете почви, които са значително различни на ниво на значимост 1% (тънка линия) и 0,1% (дебела линия). Основна информация може да се намери в таблица S1 и S2.

Дискусия

Открихме кълняемост и растеж на растения както за лунни, така и за Марсови почвени симулатори. Нашите резултати са в съответствие с по-ранните изследвания на Arabidopsis thaliana и Tagetes patula [19] - [21] на лунен симулант на реголит и лунен скален симулант, въпреки че нашите резултати изглеждат по-малко обещаващи. Козировска и др. [20] имахме цъфтящи растения от T. patula, където имахме само едно растение от Sinapsis arvensis, което формираше цъфтеж, но умря преди цъфтежа.

Този експеримент е проведен в саксии. Някои от културите на Марс или Луната могат да се култивират в саксии, но част от културите може да се култивират в пълна почва (в камери за растеж или под куполи). Тогава условията на влага ще бъдат различни и могат да доведат до различни резултати между саксиите и пълната почва. Следователно е от интерес да се проведат бъдещи експерименти и при пълно отглеждане на почвата.

Причината за използването на азотни фиксатори в нашия експеримент е, че те евентуално могат да компенсират липсата на достатъчно реактивен азот в изкуствената марсианска и лунна почва. На първия етап на колонизация тези видове могат да се използват за обогатяване на почвите с азот, необходим за всички останали растения, чрез смесването им с почвата след растежа им, както обикновено се прави в Холандия през зимата [32] - [34] . Това може да се направи в допълнение към оборски тор, донесен от Земята или от човешки фекалии. Всички избрани азотни фиксатори могат да изпълняват тази функция; обаче обикновената фия не се представя много добре на симулант на марсианска почва, което може да означава, че може да е необходимо инокулиране с фиксиращи азот бактерии. В този експеримент не сме инокулирали почвените симулатори с фиксиращи азот бактерии, въпреки че не сме стерилизирали симулантите, нито семената. По този начин бактериите могат да присъстват, но ние не тествахме това в нашия експеримент. В бъдещи експерименти ще инокулираме почвите с тези бактерии. Азотфиксаторите също могат да играят роля при детоксикацията на почвите, замърсени с метали [35].

Заключения

подкрепяща информация

Таблица S1.

Процент семена, които покълват, произвеждат листа, цъфтят и са живи след 50 дни. Стойностите на P на двойни тестове за разлика, отделно за всеки вид, са дадени в последните три колони. Стойностите на P, по-малки от 0,01, са дадени с получер шрифт Всички комбинации от видове видове почви са имали 20 копия и по пет семена са били разположени във всяка саксия. Имайте предвид, че поради многото реплики малките разлики са статистически значими.

Таблица S2.

Брой семена, които покълват, образуват зелени листа, цъфтят, засяват семена, брой живи растения след 50 дни, обща биомаса в саксия, подземна биомаса в саксия и надземна биомаса на саксия. (вижте файла на Excel).

Файл S1.

Снимки от експеримента.

Благодарности

R.M.A. Wegman, T. Busser и M. van Adrichem помогнаха при започването на експеримента и прибирането на реколтата. Благодарим на Ф. ван дер Хелм и един анонимен рецензент за полезните им коментари относно предишна версия на този ръкопис.

Принос на автора

Замисля и проектира експериментите: GWWW PWG. Изпълнява експериментите: JYF WHJK MRV GWWW. Анализира данните: GWWW PWG JYF. Написа хартията: GWWW PWG JYF.