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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-297564
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.29756
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 15 Mai 2014 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Tag der Prüfung: | 26 März 2014 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Mikrobiologie (Archaeenzentrum) > Prof. Dr. Reinhard Wirth |
| Stichwörter / Keywords: | mikrobielle Diversität, MARS 500, ESA Standard, PhyloChip, microbial diversity |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Zum Teil |
| Dokumenten-ID: | 29756 |
Zusammenfassung (Englisch)
Biocontamination in confined manned habitats poses a risk for the health of the crew and for the on-board equipment. The reduced immune response of humans that are exposed to extreme environmental conditions, like during long-term confinement, and the degradation capacities of some microorganisms call for continuous monitoring of biocontamination, and measures to mitigate it. Prevention includes ...
Zusammenfassung (Englisch)
Biocontamination in confined manned habitats poses a risk for the health of the crew and for the on-board equipment. The reduced immune response of humans that are exposed to extreme environmental conditions, like during long-term confinement, and the degradation capacities of some microorganisms call for continuous monitoring of biocontamination, and measures to mitigate it. Prevention includes taking the acquired knowledge into account for future habitat design.
The MARS 500 project represented a unique opportunity to gain insight into the microbial distribution and its community structure during a long period of time. MARS 500 is the first full duration simulation of a manned flight to Mars, accomplished from June of 2010 to November of 2011. The six-man crew lived, worked, and performed scientific experiments in a closed spacecraft-like environment.
The scientific experiment MICHAm (MIcrobial ecology of Confined Habitats and humAn health, modified) aimed to survey the microbial flora in the MARS 500 facility from the start to the end of the simulation study (520 days), and to investigate the impact of confinement. Therefore, the microbial load and biodiversity in the air and on surfaces as well as their changes over time were monitored. The determination of cultivable microorganisms showed that the overall microbial load in the air and on different surfaces was moderate compared to other non-confined rooms (air: 0 to 716 CFU per m³ with an average value of 86 CFU per m³; surface: 0 to 29,760 CFU per 10 m² with an average value of 675 CFU per 10 cm²). The highest number of microorganisms was found in the air of the habitable module, where the crew members spent most of their time. This corresponds roughly to the results obtained from surfaces at certain locations. During the project, fluctuations in microbial load were detected. Those were analyzed in more detail by taking into account the crew activities in the different modules, the cleaning regimes, the air conditioning processes, et cetera. However, none of the single parameters revealed a significant influence, thus it is assumed that the combination of all of them led to the site- and time-specific contamination levels.
Phylogenetic investigations indicated a higher diversity in surface samples than in air samples. Dominance of microorganisms associated with humans, especially Staphylo-coccus species, was observed on surfaces and in the air. Environmental microorganisms, mainly spore-forming bacilli, were found to a lesser extent. Besides cultivation-based analyses, the microbial inventory was also studied on the molecular level via DNA isolation, 16S rRNA gene specific amplification, and subsequent PhyloChip analysis, to quantitatively measure the microbiome of two modules of the MARS 500 facility. The findings were surprising since the whole microbiome structure exhibited no significant influence for factor time, with the exception of a few taxa. However, significantly different microbiome structures were identified for both investigated modules, whereas the intragroup dissimilarity among samples was greater in the utility module than in the habitable module.
Furthermore, by applying both cultivation and molecular methods, a deeper understanding of the microbiota and microbiome was obtained that also unveiled potentially pathogenic organisms (e.g. Staphylococcus sp., Propionibacterium sp., Enterococcus sp., and many more) and microbes with degradative capacities (e.g., Pseudomonas sp., Micrococcus sp., Bacillus sp., Acinetobacter sp., Flavobacterium sp., Escherichia sp., and Actinomyces sp.). However, the majority of microorganisms were not harmful, but belonged to the group of microbes that are even highly valuable to humans. During no point of the confinement study there was any alert and health concern due to potential danger caused by microorganisms.
The scientific information obtained in this thesis is essential to evaluate biosafety risks, predict and mitigate the possible occurrence of biocorrosion, and improve the sanitary and hygienic quality of life for the crew inside closed habitats.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In abgeschlossenen Habitaten, in denen sich Menschen für längere Zeit aufhalten, stellt die biologische Kontamination ein Risiko dar, sowohl im Hinblick auf die Gesundheit des Einzelnen durch mögliche Infektionen als auch im Hinblick auf Materialschäden, die zu einer Fehlfunktion von wichtigen Instrumenten führen können. Geschwächte Immunabwehr bei Menschen, die über einen langen Zeitraum ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
In abgeschlossenen Habitaten, in denen sich Menschen für längere Zeit aufhalten, stellt die biologische Kontamination ein Risiko dar, sowohl im Hinblick auf die Gesundheit des Einzelnen durch mögliche Infektionen als auch im Hinblick auf Materialschäden, die zu einer Fehlfunktion von wichtigen Instrumenten führen können. Geschwächte Immunabwehr bei Menschen, die über einen langen Zeitraum extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, und durch Mikroorganismen verursachte Biokorrosion erfordern eine kontinuierliche Überwachung der mikrobiellen Kontamination, und die Entwicklung von Gegenmaßnahmen um einer Ausbreitung entgegenzuwirken. Für zukünftige Missionen kann eine Prävention nur dann ermöglicht werden, wenn durch detaillierte mikrobiologische Untersuchungen, Kenntnisse erworben werden, die charakteristisch für den Lebensraum Raumfahrzeug mit den besonderen vorherrschenden Bedingungen sind.
Das Projekt MARS 500 stellte eine einzigartige Gelegenheit dar, um Einblicke in die mikrobielle Verteilung in einem Habitat und die Veränderung über den Zeitraum hinweg zu gewinnen. Es ist die erste Echtzeitsimulationsstudie eines bemannten Fluges zum Mars, die von Juni 2010 bis November 2011 durchgeführt wurde. Die männliche, sechsköpfige Besatzung lebte in diesem geschlossenen raumschiff-ähnlichen Lebensraum und führte wissenschaftliche Experimente durch. In dem Experiment MICHAm (Mikrobiologie und Gesundheit im geschlossenen System) wurde sowohl die mikrobielle Population an Oberflächen und in der Luft des Habitats und deren Entwicklung im Verlauf der 520 Tage währenden Isolationsstudie verfolgt, als auch der Einfluss des Menschen auf die mikrobielle Diversität erfasst. Dabei wurden neben der Gesamtkeimzahl auch die Biodiversität in der Luft und auf Oberflächen, sowie deren zeitlichen Veränderung überwacht. Nach Bestimmung der kultivierbaren Mikroorganismen zeigte sich eine mäßige Keimbelastung (Luft: 0 bis 716 CFU pro m³ und einem Mittelwert von 86 CFU pro m³; Oberflächen: 0 bis 29.760 CFU pro 10 m² und einem Mittelwert von 675 CFU pro 10 cm²), verglichen mit anderen nicht-geschlossenen Räumen. Die höchste mikrobielle Belastung fand sich in der Luft des Wohnbereichs, die niedrigste im weniger frequentierten Lager und dem medizinischen Modul. Eine ähnliche Verteilung der vorhandenen Mikroflora lieferte auch die Analyse der entsprechenden Oberflächenwischproben. Während der gesamten Isolationsstudie wurden Schwankungen in der Gesamtkeimzahl beobachtet. Diese wurden genauer analysiert unter Berücksichtigung der Aktivitäten der Probanden in den verschiedenen Modulen, der Reinigung, der vorherrschenden klimatischen Gegebenheiten und so weiter. Keiner der einzelnen Parameter ergab einen signifikanten Einfluss, so dass die Kombination aller Faktoren zu den ortstypischen und zeitspezifischen Kontaminationen geführt haben musste. Die Identifizierung der Isolate mittels Gensequenzanalyse ergab sowohl verschiedene menschen-assoziierte Stämme, vor allem Staphylococcus-Arten als auch Umweltkeime. Die mikrobielle Diversität lag jedoch deutlich höher bei den Oberflächenproben als bei den Luftproben. Ein Pasteurisierungsschritt (15 min bei 80°C) eines Aliquots von den Oberflächenwischproben erlaubte die selektive Anreicherung von hitzetoleranten Mikroben - darunter befanden sich meist sporenbildende Bacillus-Arten.
Parallel zu den kultivierungsbasierten Analysen wurde die mikrobielle Population auch auf molekularer Ebene untersucht. Nach DNA-Isolierung und 16S rRNA-Gen-spezifischer Amplifikation wurde eine PhyloChip Analyse angewandt, um eine quantitative Aussage über die vorherrschenden Mikrobiome in zwei Modulen treffen zu können. Die Ergebnisse waren überraschend, da - mit Ausnahme einzelner Taxa - kein signifikanter Einfluss des Faktors Zeit auf die mikrobielle Zusammensetzung festgestellt werden konnte. Allerdings wurden in beiden Modulen deutlich unterschiedliche Mikrobiomstrukturen identifiziert, wobei sich die Proben innerhalb des Lager- und Sportbereiches weniger untereinander ähnelten als die aus dem Wohn-Modul entnommenen Poben.
Darüber hinaus wurde durch die Anwendung von Kultivierungs- als auch molekularer Analysen, ein tieferes Verständnis der Mikrobiota und des Mikrobioms erreicht. Zusätzlich lieferten beide Methoden Hinweise auf die Anwesenheit von potenziellen Krankheitserregern (z.B. Staphylococcus sp., Propionibacterium sp., Enterococcus sp., et cetera) sowie von Mikroben (wie z.B. Pseudomonas sp., Micrococcus sp., Bacillus sp., Acinetobacter sp., Flavobacterium sp., Escherichia sp., and Actinomyces sp.), die die Fähigkeit besitzen Metalle und andere Baumaterialien zu schädigen. Bei der Mehrheit der identifizierten Mikroorganismen handelt es sich jedoch nicht um schädliche, sondern im Gegenteil um lebensnotwendige Symbionten für den Menschen.
Zu keinem Zeitpunkt der Studie gab es ein erhöhtes Gesundheits- oder Sicherheitsrisiko und somit war die Gesundheit der Probanden nicht gefährdet.
Die aus dem MARS 500-Projekt MICHAm erzielten Erkenntnisse sind essentiell für künftige bemannte Weltraummissionen, um die Gesundheit durch eine hohe sanitäre und hygienische Lebensqualität zu gewährleisten und die Funktionalität lebenswichtiger Geräte sicherzustellen, die durch die Akkumulation von pathogenen Organismen und das mögliche Auftreten von Biokorrosion gefährdet werden könnten.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 01:18
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