Uzayda Biyomadencilik Çalışmaları

Giriş

Önceki yazımızda CRISPR gen düzenleme teknolojisinin uzaydaki biyomadencilik uygulamalarındaki potansiyelini inceledik. CRISPR’in genetik materyali istenilen doğrultuda modifiye etme kapasitesi, uzay madenciliği alanında umut verici bir çözüm olarak değerlendirilmektedir.

Bu teknoloji, uzaydaki biyomadencilik süreçlerinde mikroorganizmaların zorlu uzay koşullarına uyum sağlama yeteneğini geliştirerek, biyomadencilik süreçlerini geliştirebilir ve uzaydaki maden kaynaklarının işlenmesini daha verimli hale getirebilir.

Bu yazının amacı biyomadencilik uygulamalarının nasıl kullanılabileceğine dair daha ayrıntılı bir analiz sunmaktır.

Uzayda Biyomadencilik Nedir ?

Uzay madenciliği, Dünya dışı gezegenler ve uzay materyallerinden değerli madenlerin çıkarılmasını amaçlar. Dünya’daki maden rezervlerinin tükenme olasılığı, insanları Güneş sistemi içindeki bu tür ham madenlerin elde edilmesi için harekete geçirmiştir.

Teknolojik ilerlemeler, uzayda tespit edilen ve Dünya üzerinde kritik öneme sahip madenlerin işlenmesi ve kullanımı konusundaki stratejilerin önemini artırmıştır. Örneğin, altın, gümüş, bakır ve platin gibi metallerin Dünya’ya taşınması düşünülürken; demir grubu metaller, kobalt ve titanyum gibi elementlerin ise uzay yapılarında kullanılması planlanmaktadır.

Bu kapsamda biyomadencilik, değerli metallerin minerallerden ve atıklardan elde edilmesi ve geri kazanılması amacıyla mikroorganizmaların kullanıldığı bir süreç olarak öne çıkmaktadır. Bu yöntem hem çevresel sürdürülebilirliği hem de ekonomik verimliliği sağlamak adına önemli bir alternatif sunmaktadır.

Uzayda Biyomadencilik Çalışmaları

Uzay biyomadenciliği hakkında yeterli bilgi birikimi bulunamamaktadır. Dünya ve uzay ortamları arasındaki farklılıklar hali hazırda kullanılan biyomadencilik yöntemlerinin doğrudan uzay koşullarında uygulanabilirliğini sınırlayabilir. Bu nedenle uzay ortamlarının biyomadencilik üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde incelemek amacıyla yeni ve kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır.

Uzay biyomadenciliğinin en ilgili uygulamalarından biri (ISRU) yerinde kaynak kullanımıdır. Özellikle Bio-ISRU, gezegenlerden kaynakların işlenmesinin sağlanması için biyoteknolojilerin kullanılmasını ifade eder.

Yerinde kaynak kullanımı (ISRU) yaklaşımları, malzeme ve ürünlerin Dünya’dan temin edilmesini azaltarak sürdürülebilir uzay keşfinin ve yerleşimini sağlamayı amaçlamaktadır.

Biyomadenciliğin Dünya üzerindeki klasik yöntemlere kıyasla sunduğu birçok avantaj uzay ortamında da geçerlidir ancak uzaydaki koşullar ve mevcut bulunan kaya malzemeleri Dünya’da yaygın olarak kullanılan biyomadencilik malzemelerinden farklıdır.

Biyomadencilik açısından potensiyel taşıyan asteroitler, Dünya’ya yakın cisimler ya da Mars yörüngesinin ötesindeki asteroid kuşağındandır. Ay yerleşimleri veya Dünya’ya dönüş için, Dünya’ya yakın cisimler daha uygun olabilirken, Mars yerleşimleri için asteroid kuşağından nesneler kullanılabilir.

Uzay Biyomadenciliği Prensipleri

Uzay biyomadenciliği ve yerinde kaynak kullanımı (ISRU) söz konusu olduğunda, üç temel sorunun yanıtlanması gerekmektedir:

1. Belirli bir uygulama için hangi elementlerin elde edilmesi gerekmektedir?
2. Bu elementleri hangi bölgelerde keşfedebiliriz?
3. Hangi madencilik yöntemi en etkili şekilde çalışır ve bu bazı durumlarda biyomadenciliği kapsam dışı bırakabilir? (Berliner et al. 2021).

İlk soruya yanıt verebilmek için, uzay biyomadenciliği açısından önemli olan elementler amaca bağlı olarak değişiklik gösterebilmektedir (Cockell 2011; Raafat et al. 2013).

Genel olarak, insan yerleşimlerinin kurulabilmesi için önemli olan elementler ve bileşikler şunlardır: su, moleküler oksijen, temel mineral besin maddeleri, gaz halinde bulunan uçucular (hidrojen, karbon, azot, helyum), yapısal metaller (demir, bakır, nikel, vanadyum) ve elektronik cihazlar için gerekli olan silikon ve nadir toprak elementleri (Menezes et al. 2015).

Uzay Koşulları ve Biyomadenciliğe Etkileri

Uzay koşulları, Dünya koşullarından oldukça farklıdır ve biyomadencilik süreçlerini bu farklılıklar büyük ölçüde etkiler. Bu farklılıklar basınç, sıcaklık, radyasyon ve mikro yerçekimi gibi unsurları içerir.

Özellikle, mikroorganizmaların uzay ortamında büyüme, hayatta kalma, dayanıklılık ve biyofilm oluşumu gibi özellikleri bu koşullardan etkilenmekte ve bu etkilerin sonuçları henüz tam olarak bilinememektedir.

Bu koşullarda, biyomadencilik süreçlerinin uzayda nasıl işlediğini anlamak için Mars, Ay ve asteroidler gibi farklı uzay ortamlarındaki özel koşulları incelemek oldukça önemlidir.

Mars ve Ay yüzeylerinde biyomadencilik uygulamaları kapsamında, nadir toprak elementleri  ve vanadyum, Mars ve Ay’ı simüle eden kayaçlardan organotrof bakteriler (Sphingomonas desiccabilis ve Bacillus subtilis) kullanılarak çıkartılmıştır (Cockell et al. 2020, 2021).

Bu mikroorganizmalar düşük sülfür içeren minerallerden metal geri kazanımını gerçekleştirebilmekte ve Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki Mars yerçekimi ve mikro yerçekimi koşullarında da başarılı bir şekilde rol oynadıkları gözlemlenmiştir.

Ay ve Mars yüzeylerinde biyomadenciliği ve yerleşimi engelleyebilecek birçok toksik bileşen bulunmaktadır. Mars’taki perkloratlar (güçlü bir oksitleyicidir) (Hecht et al. 2009; Kounaves et al. 2014) ve toksik Ay tozları (Linnarsson et al. 2012) bu örnekler arasındadır.

Biyomadencilik yapan mikroorganizmalar bu bileşenleri daha az toksik hale getirebilmek ya da ortadan kaldırmak amacı biyoremidasyon (mikroorganizmalar ile kirliliği temizleme işlemi) yaklaşımlarının önemini vurgulamaktadır.

Toksik bileşenlerin ortadan kaldırılması veya daha az zararlı hale getirilmesi amacıyla biyomadencilik mikroorganizmalarının biyoremidasyon özellikleri kullanılır.

Sentetik biyoloji ve biyoteknolojik teknikler, mikroorganizmaların toksik bileşenlere karşı dirençlerini  ve metal çıkarımını geliştirebilir.

Örneğin, Deinococcus radiodurans gibi ekstrem koşullara karşı dirençli mikroorganizmalar biyoremidasyon kapasitesini artırmak için biyomühendislikten yardım almıştır (Daly 2000).

Biyomühendislik ile istenen özellikleri artırmak veya istenmeyen etkileri azaltmak mümkündür ancak bu mühendislik yaklaşımlarının başarısı, mikroorganizmaların genetik manipülasyona karşı dirençliliği ile ilgilidir.

Uzay biyomadenciliğinde regolit ve kayaçların biyoliçi  su,oksijen, hidrojen, karbon, kükürt vb. sağlayabilir. Bu süreçler, Dünya’da toksik bileşenleri temizlemek amacıyla kullanılan biyoremidasyon yöntemlerine benzer kimyasal reaksiyonları içermektedir. Ekstrem koşullarda yaşayabilen ekstremofiller ve poliekstremofiller uzay koşullarında faydalı olabilir.

Mars ve Ay’daki zorlu koşullarda toksik bileşenleri biyobirikim ve biyoremidasyon kapasitesine sahip mikroorganizmalar Dünya üzerindeki amaçlar için kullanılabilir ya da  benzer hedeflere nasıl ulaşabileceğimiz hakkında bizleri bilgilendirebilir.

Çoğu Dünya’da gerçekleştirilen biyomadencilik anlayışı karbon bileşenlerine ihtiyaç duymadan sülfidik mineralleri parçalayabilen ototrofik mikroorganizmalar üzerine kuruludur ve Güneş Sistemi’ndeki birçok kaya düşük kükürt içeriğine sahiptir ve bu sebeple bu tür durumlarda organik bileşenler gerektiren heterotrofik mikroorganizmalar daha iyi bir seçim olabilir.

Belirli bir uygulama için en uygun tekniklerin ya da mikroorganizmaların dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekir. (Averesch 2021)

Sonuç olarak, uzay koşullarının biyomadencilik ve biyoremidasyon üzerindeki etkilerini anlamak biyoliç mekanizmalarının sınırlamaları aşmak için sentetik biyoloji kullanımını araştırmak önemlidir.

Etik ve gezegen koruma tartışmaları bu derlemenin kapsam dışında kalmakla ile birlikte bu faktörlerin gezegen ya da bölge için madencilik ve yerinde kaynak kullanımı (ISRU) planlamasında dikkate alınmalıdır.

Uzay Biyomadenciliği Deneyleri

Uzay biyomadenciliği üzerine gerçekleştirilen deneyler arasında Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) üzerinde yapılan BioRock  ve BioAsteroid deneyleri ile BioRock için hazırlık hedefi bulunmaktadır.

Bu deneyler uzayda biyomadenciliğin heterotrofik mikroorganizmalar (bakteri ve mantarlar) ve bazalt veya meteorit gibi substratlar kullanılarak gerçekleştirilebilirliğini ilk kez göstermişlerdir.

2007 yılında NASA’nın lunar regolit biyomadencilik çalışmasında, mikroorganizmaların lunar materyallerden metalleri ve diğer kaynakları çıkarabilme potansiyeli öne sürülmüş ve bu fikir yapılan araştırmalarla desteklenmiş ve geliştirilmiştir.

Özellikle, model biyomadencilik bakterisi Acidithiobacillus ferrooxidans kullanılarak yapılan çalışmalarda Ay ve Mars regolit simülantlarından metallerin ekstrakte edilmesi incelenmiştir.

Bu araştırmalar mikro yerçekiminin, anaerobik koşullarda yetiştirilen A. ferrooxidans hücrelerinde hücre içi nanopartiküllerin biyosentezine yönlendirdiğini göstermiştir.

Elektron mikroskobu gözlemleri, A. ferrooxidans‘ın uzayda metal biyoliç ve yararlı nanopartiküller üretme potansiyeline sahip olduğunu söylemektedir. (Kaksonen et al. 2021).

Bu mikroorganizmaların sentetik biyoloji yöntemleriyle  mikro fabrikalar olarak tasarlanabileceği ve hedef gezegen kaynaklarını yerinde faydalı ürünlere dönüştürebileceği belirtilmektedir.

Ayrıca, A. ferrooxidans‘ın modelleme yapılan mikro yerçekimi koşullarında, oksitlerden oluşan Ay ve Mars regolit modellerinden anaerobik olarak büyüyüp metallerin çözünmesini sağladığı gözlemlenmiştir.

Metallerin türüne bağlı olarak biyotik çözünme ile karşılaştırıldığında farklı performanslar gözlemlenmiş ve hücre içi magnetit biyosentezi artmıştır. Bu da A. ferrooxidans‘ın uzayda nanopartiküller geliştirme imkanını ortaya koymuştur. (Kaksonen et al. 2021)

Mantarlar da biyomadencilik işlemleri için çeşitli organik asitler üretebilmektedir. Bu süreç biyolojik çözünme olarak bilinmekte ve metal elementlerin oksit formunda bulunduğu kayaçlarla organik asitler arasındaki kimyasal etkileşimlere dayanmaktadır.

Metalin çıkartılması asidoliz ve kompleksoliz gibi kimyasal reaksiyonların ardından gerçekleşir. (Dusengemungu et al. 2021). Mantarlar, bakterilere göre daha çeşitli substratları işleyebilme kapasitesine sahip olsa da, sürekli bir organik karbon kaynağına ihtiyaç duymaları maliyetleri bakteriyel yöntemlerden önemli ölçüde artırabilir.

MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) Deneyi

Uzay üssündeki insan aktivitelerinden kaynaklanan atık ürünler, mikroorganizmalar için gerekli organik karbonu sağlayabilir. Bu fırsat, Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından dikkate alınmış ve MELiSSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative) projesinde biyomadenciliğe yer verilmiştir.

MELiSSA, uzay keşfi için yenilikçi bir ağ olarak tasarlanmış ve görev sırasında üretilen atıklardan gıda, su ve oksijen üretmeye yönelik regeneratif sistemlere dayanmaktadır.

Bu kapsamda biyomadencilik regolitten metal çıkarımında kullanılabilir ve aynı zamanda bir uzay aracındaki mürettebatın sürdürülebilirliğine katkıda bulunabilir. (Lasseur and Mergeay 2021)

BioRock Deneyi

2019 yılında Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından Uluslararası Uzay İstasyonu’nda (ISS) gerçekleştirilen BioRock deneyinde, bazalt kayacın biyomadenleştirme süreçleri ve bu süreçlerin farklı yerçekimi koşullarındaki etkileri incelenmiştir.

Deneyin esas amacı, Ay ve Mars’taki regolit materyalleri için bir örnek olan bazalt kayacından ekonomik olarak önemli elementlerin, özellikle nadir toprak elementlerinin mikroorganizmalar kullanılarak çıkarılabilme potansiyelini değerlendirmekti.

Deney, üç farklı heterotrofik bakteriyel türün bazaltik kayacın çözündürülmesindeki etkinliğini mikro yerçekimi, simüle edilmiş Mars yerçekimi ve Dünya yerçekimi koşullarında karşılaştırdı.

Bu mikroorganizmalar Sphingomonas desiccabilis, Bacillus subtilis ve Cupriavidus metallidurans’tı. Araştırma sonuçları, bu bakteriyel türlerin, özellikle S. desiccabilis’in, farklı yerçekimi koşullarında nadir toprak elementlerini başarılı bir şekilde çözündürme yeteneklerini ortaya koyduğunu sunmuştur.

Sphingomonas desiccabilis’in tüm yerçekimi koşullarında nadir toprak elementlerinin ortalama çıkarılan konsantrasyonlarını artırdığı gözlemlenebilmiş ve bu sonuç bakterinin, mikro yerçekimi dahil olmak üzere tüm yerçekimi koşullarında biyolojik olmayan kontrol örneklerine kıyasla belirgin bir verim artışı sağladığını belirtmiştir.

Ancak, mikro yerçekimi ve diğer yerçekimi simülasyonları arasında çözündürme rolünde istatistiksel olarak anlamlı bir fark bulunamamıştır. Bu durum, mikro yerçekimin biyolojik çözünme üzerindeki etkisinin sınırlı olduğunu ve süreçlerin mikroorganizmalara özgü olduğu sonucunu ortaya çıkartmaktadır.

S. desiccabilis türünün Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki farklı yerçekimi koşullarında nadir toprak elementlerini ve vanadyumu çıkarabilme yeteneği olduğu gösterilmiştir.

Bu durum, S. desiccabilis‘in biyomadencilik kapasitesinin ilk kez kanıtlandığı bir durumdur ve bu keşif, Dünya üzerindeki uygulamalar için yenilikçi bir gelişme sunmuştur. Düşük kaliteli madenlerden ve ekstrem koşullardan elementlerin çıkarılmasına yönelik suşların geliştirilmesi, benzer hedefler için Dünya’da da kullanılabilecek biyomadencilik teknolojilerinin gelişimine katkıda bulunabilir.

Öte yandan, Bacillus subtilis ve Cupriavidus metallidurans ile gerçekleştirilen biyolojik deneyler, Dünya yerçekimi simülasyonuna kıyasla belirgin bir fark ortaya koymamış, ancak S. desiccabilis ile yapılan deneylerde biyolojik olmayan kontrol örneklerine göre belirgin bir artış sağlanmıştır.

Bu durum, özellikle S. desiccabilis’in yerçekimi koşullarına bağımlı olmaksızın etkin bir şekilde biyomadenleştirme gerçekleştirebildiğini işaret etmektedir.

S.desiccabilis ve Cupriavidus metallidurans‘ın, mikro yerçekimi, simüle edilmiş Mars yerçekimi ve Dünya yerçekimi gibi üç farklı yerçekimi koşulunda kayacın yüzeyinde olumlu biyofilm oluşumu sağladığı gözlemlenmiştir.

Ayrıca, bu yerçekimi koşullarında S. desiccabilis ve B. subtilis‘in, steril kontrol kültürlerine kıyasla vanadyumun çözünürlük oranını artırdığı da tespit edilmiştir.

Sonuç olarak, BioRock deneyinin verileri, uzaydaki biyomadenleştirme potansiyelini ve bu potansiyelin farklı yerçekimi koşullarında nasıl etkili olabileceğini ortaya koymuştur.

S. desiccabilis’in biyomadenleştirme yeteneği, özellikle düşük yerçekimli ortamlarda, asteroitler ve diğer düşük yerçekimli gezegen nesnelerinde element çıkarımı için umut verici bir keşif olarak görülmektedir.

Bu deney, Dünya üzerindeki düşük kaliteli madenlerden ve ekstrem koşullardan elementlerin çıkarılması için biyomadenleştirme teknolojilerinin geliştirilmesi açısından kritik bir zemin oluşturabilir.

Şekil-1. Sphingomonas desiccabilis, BioRock deneyinde seçilen üç mikroptan biri olarak, bazalt üzerinde gelişirken gözlemlendi. (Image Credit: UK Centre for Astrobiology/University of Edinburgh-Rosa Santomartino)

Şekil-2. BioRock Deney Ünitesi, Cockell et al. 2020 (Image Credit:NASA-ESA)

a. Üstten bakışla gösterilen bir deneysel konteyner içerisinde ki bir deneysel ünite, her iki kültür odasının da besiyeriyle dolu olduğunu belirtir.

b. Kültür odasından alınan yan kesit görüntüsü, arka kısımdaki bazalt kayasının konumunu ve besiyerinin nasıl enjekte edildiğini ve membranın nasıl ters çevrildiğini (burada sarı renkte gösterilmiş; sol taraf kapalı, sağ taraf besiyeriyle dolmuş) açıklar.

c. Zemin deneylerinde kullanılan, %50 R2A içinde batırılmış bazalt kayasının petri kabındaki görüntüsü.

ç. ESA astronotu Luca Parmitano, Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki KUBIK inkübatörüne bir deneysel konteyner yerleştiriyor. (Image Credit ESA)

Şekil-3. ESA astronotu Luca Parmitano, Uluslararası Uzay İstasyonu’nda BioRock deneyinin fotoğraflarını çekiyor. (Image Credit NASA – ESA)