Schleim und Schimmel

Funken sprühend zog sie ihre letzte Bahn über den Himmel – ein geplanter Absturz. Am 23. März 2001 schlugen um 6 Uhr 57 Mitteleuropäischer Zeit die letzten unverbrannten Trümmer der russischen Raumstation „Mir“ im Südpazifik ein. Während ihres Abwärtsfluges durch die Atmosphäre verglühten an Bord etliche Milliarden Passagiere. Aber keine, um derentwillen man Gedenkfeiern zelebriert – nämlich lästige, mikroskopisch kleine Trittbrettfahrer.

Wer gegen Ende ihrer 15-jährigen Erdumrundungen auf der „Mir“ mitgeflogen ist, wird die Szenerie nicht vergessen: schummriges Licht, feuchtheiße Luft, ein muffiger Geruch nach Metall und Gummi. Schwere Atemzüge im Hintergrund: Astronauten bei sportlichen Übungen, um sich fit zu halten. Ihr Schweiß und ihre Atemfeuchte kondensieren an den kalten Stellen der Wände – manchmal zu tellergroßen Blasen. In diesem Urwaldklima gediehen Mikroorganismen blendend und hinterließen deutliche Spuren. Eine dichte Schicht grünen Schimmels bedeckte Teile des Mir-Elektrolysegeräts. Die Metallverkleidung zeigte Korrosionsspuren. Gallertartiger Schleim wabbelte am Glas einer der Luken.

Winzige Einzeller waren die Auslöser all dieser Effekte – ein gigantisches Problem für Weltraumprojekte. Vorhaben wie die Internationale Raumstation ISS (International Space Station) oder eine über zwei Jahre dauernde Marsmission haben nur dann eine Chance auf Erfolg, wenn es gelingt, sich gegen die Kleinstlebewesen hinreichend zu wappnen.

Was Pilze und Bakterien auf der Mir angerichtet haben, ist penibel dokumentiert. Natalia Novikova, Laborleiterin am Institut für Biomedizinische Probleme in Moskau, kann aus zahlreichen Untersuchungen zitieren. „Es gab Schäden bis hin zur Funktionsuntüchtigkeit von Geräten“, bezeugt sie. Mitarbeiter des Instituts haben mit Hilfe der Besatzung die Zerstörungen auf der russischen Raumstation erfasst – unter anderem:

• Wiederholter Ausfall des Wasser- und Luftaufbereitungs-Systems wegen gallertartiger Pfropfen in den Leitungen.

• Schimmelbefall des Funkgeräts, der Videokameras und ihrer Kabelisolierungen, Schimmel auf der Wandverkleidung und den Astronautenanzügen.

• Korrosion am Gehäuse und an den Leitungen des Temperaturkontrollsystems und der Wasseraufbereitungsanlage, bis zu zwei Millimeter große Hohlräume durch Lochfraß im Aluminium.

Mehr als 230 verschiedene Arten von Mikroorganismen besiedelten die Mir. Darunter waren Pilze wie Penicillium (Schimmelpilz) und Fusarium sowie Bakterien wie Bacillus und Pseudomonas. Aus dem irdischen Alltag ist diese Sippschaft wohl bekannt: Penicillium notatum liefert das Antibiotikum Penicillin, Penicillium roqueforti den Blauschimmel im Roquefort-Käse. Fusarium verursacht Pflanzenkrankheiten, Pseudomonas mallei ist Erreger der Tierkrankheit Rotz.

Blinde Passagiere aus dem Mikrobenreich gingen mit den Besatzungsmitgliedern an Bord oder gelangten bereits während der Montage auf Bauteile der Station. In der Umlaufbahn ernährten sie sich von menschlichen Ausdünstungen und Hautpartikeln, erklärt Expertin Natalia Novikova.

Doch wie vermögen die Winzlinge sogar Kunststoffe zu zerfressen, Metalle zu korrodieren und Glas zu trüben? Für Dr. Thomas Warscheid, Leiter der Mikrobiologischen Abteilung der Amtlichen Materialprüfungsanstalt in Bremen, ist so etwas kein Buch mit sieben Siegeln: „Dahinter stecken grundsätzlich zwei Phänomene: Biokorrosion und Biofouling.“

Biokorrosion ist ein chemischer Vorgang, dem Ausscheidungen der Mikroorganismen zugrunde liegen. Das sind organische Säuren wie Oxal-, Citronen- und Fumarsäure, auch anorganische Säuren wie Salpeter- und Schwefelsäure, ferner Enzyme und biogene Oxidantien. „Die Zerstörung durch Enzyme kann man sich als richtiges Zerfressen vorstellen – so wie wir beim Kauen einen Bissen Brot nicht nur mechanisch zerkleinern, sondern gleichzeitig durch Speichelenzyme abbauen.“

Biofouling hingegen ist kein biochemischer, sondern ein physikalisch-chemischer Prozess. Pilze und Bakterien bilden dabei eine Lebensgemeinschaft im so genannten Biofilm. In dieser schleimigen, manchmal hellen, manchmal grünlich-schwarzen Schicht lebt einer vom anderen, und alle scheiden Stoffwechselprodukte aus. Der Schleim überzieht Oberflächen aus Metall, Kunststoff oder Glas wie eine Haut und – so Warscheid – „verändert die strukturellen Eigenschaften des Stoffes, was zu massiven Zerstörungen führen kann“.

Ehemals Wasser abweisende Flächen beginnen plötzlich Wasser aufzunehmen, thermische und Diffusionseigenschaften ändern sich, der klebrige Film absorbiert Partikel aus der Luft. Biofouling war der Grund für die Trübung der „Mir“-Fensterluke und für die Pfropfen in den Leitungen des Wasseraufbereitungssystems. Die Zerstörung wird durch die extreme Anpassungsfähigkeit der Mikroorganismen gefördert. Erstens entwickeln sie neue Eigenschaften: „Mikroorganismen bilden schnell Mutanten – sie sind höherer Strahlung als auf der Erde ausgesetzt und vermehren sich rasch“, sagt Monsi Roman vom NASA Marshall Space Flight Center. Er ist Chefbiologe des „Environmental Control and Life Support System“-Projekts (ECLSS) der NASA, das für sichere Lebensbedingungen auf der Internationalen Raumstation sorgen soll.

Zweitens kommt es durch die starke kosmische Strahlung – eine teilweise 100fach höhere Strahlenbelastung als auf der Erde – zu einer Selektion: Schwächere Mikroorganismen werden rasch zerstört, der Anteil der Unempfindlichen erhöht sich, die Population regeneriert sich. Am Ende dieser Auslese ist der Bestand an Pilzen und Bakterien resistenter, stoffwechselaktiver und dadurch aggressiver als die Ausgangs-Organismen.

Durch die Erfahrungen auf der „Mir“ sind die Wissenschaftler gewarnt. Sie versuchen auf der ISS, gegen Bakterien und Pilze verstärkt anzukämpfen. Die ISS wird seit Oktober 2000 Stück für Stück in der Umlaufbahn montiert und ist als Langzeitprojekt geplant. Noch nie waren so viele verschiedene Nationen an einem gemeinsamen Weltraum-Unternehmen beteiligt: neben den USA und Russland auch Japan, England, Deutschland und weitere europäische Staaten. So wird die ISS zwangsläufig zum internationalen Austauschpool aller erdenklichen Bakterien und Pilze.

„Wenn die Besatzungsmitglieder in die Station kommen, bringt jeder von ihnen seine eigene mikrobiologische Flora mit. Wenn sie auf die Erde zurückkehren, haben sie den größten Teil mit den anderen ausgetauscht“, sagt Dr. Duane Pierson, Direktor der Mikrobiologischen Abteilung des NASA Johnson Space Center.

Daher legen die Organisatoren größten Wert darauf, jeden Astronauten auf Infektionen zu untersuchen. Nur wer allem Anschein nach absolut gesund ist, darf fliegen. Außerdem müssen die Besatzungsmitglieder vor dem Flug in Quarantäne, um Kontakt mit Krankheitserregern in letzter Minute zu vermeiden. An Bord gekommen, sollen die Astronauten möglichst keimarme Luft atmen. Sie wird ständig in Bewegung gehalten und muss engporige Filter passieren („High Efficiency Particle Air Filter“), die kleinste Teilchen wie Mikroben zurückhalten können, erklärt Pierson.

Wichtig sei auch, die Luftfeuchtigkeit durch leistungsstarke Entfeuchter möglichst niedrig zu halten. „Auf der ISS wird nie eine so hohe Luftfeuchtigkeit herrschen wie auf der Mir“, hofft denn auch Petra Rettberg, Exobiologin am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums (DLR) in Köln.

Mit trockener, keimarmer Luft ist es indes nicht getan. Auch das Wasser auf der ISS muss möglichst rein gehalten werden. Hierfür hat die NASA den „Catalytic Oxidator“ entwickelt. In dieser Anlage wird das Wasser unter Druck auf 130 Grad Celsius erhitzt, wodurch Mikroorganismen weitgehend vernichtet werden. Es folgt eine Behandlung mit keimtötendem Jod. „Das Wasser ist extrem sauber im Vergleich zu dem, das wir zu Hause trinken“, versichert Monsi Roman vom ECLSS-Projekt.

Das russische Institut für Biomedizinische Probleme richtet unterdessen sein Augenmerk auf einen neuen Ansatz, dem Bakterien- und Pilzfilm auf Bordwand und Geräten zu Leibe zu rücken: Die Moskauer wollen Mikroben den chemischen Scheintod verordnen.

Mikroorganismen besitzen die natürliche Fähigkeit, extreme Lebensbedingungen in einer Art Scheintod zu überstehen, der Anabiose. Dabei fahren sie ihren Stoffwechsel herunter und schränken ihre Aktivität fast völlig ein. Das brachte die russischen Forscher auf eine Idee. Es gelang ihnen, durch bestimmte Benzolderivate – so genannte polymodale Anabiose-Autoinduktoren – die Wirkung natürlicher Substanzen nachzuahmen, die diesen Ruhezustand hervorrufen. Auf diese Weise können Mikroben wenigstens vorübergehend „stillgelegt“ werden, indem man Wände und Gerätschaften mit diesen Chemikalien behandelt.

Je länger und weiter Raumfahrer ins All hinaus wollen, umso intensiver müssen sie die unsichtbaren Trittbrettfahrer bekämpfen. So hat die NASA beispielsweise das ehrgeizige Ziel, am 20. Juli 2019 die erste bemannte Raumfähre auf dem Mars zu landen, genau 50 Jahre nach den ersten Schritten des Menschen auf dem Mond. In vielen Köpfen existiert die Vorstellung einer ständigen Mondstation, manche denken gar an die Kolonisierung anderer Planeten.

Mikroorganismen könnten einen Strich durch alle diese Pläne machen. Ein Flug zum Mars dauert sieben bis acht Monate, eine Mars-Mission voraussichtlich mehrere Jahre. Zum Vergleich: Ein Flug von der Erde zum Mond dauert zwei bis drei Tage. Auf einem Flug zum Mars hätten Mikroben sehr viel mehr Zeit, um Schaden anzurichten.

DLR-Exobiologin Petra Rettberg sorgt sich um die Gesundheit der Besatzung: „Bei Marsflügen könnten sich pathogene Mikroorganismen anreichern – Organismen, die Allergien oder Infektionskrankheiten auslösen.“ Bisher ist zwar kein Fall bekannt geworden, wo ein Mensch im Weltall an einem Infekt erkrankt wäre. William Shearer, Forscher am National Space Biomedical Research Program, gibt allerdings zu bedenken, dass die Gesundheitsprotokolle der Astronauten strikt geheim gehalten werden.

Unstrittig ist indes, dass während Raumflügen durch stressbedingte hormonelle Schwankungen das Immunsystem von Astronauten geschwächt wird. Schlummernde Erreger könnten dann ihre Chance bekommen. Abgesehen davon haben Forscher beobachtet, dass manche Bakterien und Pilze im Weltall – möglicherweise durch die reduzierte Schwerkraft – eine dickere Zellwand ausbilden und zusätzlich virulenter werden.

Doch selbst wenn keine Krankheiten ausbrechen: Bei Mars-Missionen könnten die Astronauten bereits beim langen Anflug auf den roten Wüstenplaneten in Wassernot geraten. In einem Experiment hat Robert McLean, Mikrobiologe an der Southwest Texas State University, festgestellt: Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa kann dünnporige Filter, wie sie in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden, mit einem Biofilm bedecken und dadurch funktionsuntüchtig machen.

Und selbst wenn die Besatzung den Hinflug ungeschoren übersteht: Um die Aussicht, eine nach sieben Reisemonaten dezent faulende Fähre – womöglich auch mit Korrosionsschäden – auf dem Mars landen und mit ihr später den langen Heimflug antreten zu müssen, sind die Astronauten nicht zu beneiden.

Kompakt

• Mikroorganismen haben auf der russischen Raumstation „Mir“ manche Komponenten bis zur Funktionsuntüchtigkeit beschädigt.

• Langzeitprojekte wie die Internationale Raumstation ISS oder eine künftige Mars-Mission sind potenziell bedroht.

• Forscher entwickeln neue Methoden zur Bekämpfung, etwa, die Mikroben in eine Art Scheintod zu versetzen.

bdw-Community

INTERNET

Wie die NASA für sichere und angenehme Lebensbedingungen auf der ISS sorgen will, lesen Sie auf der ECLSS-Homepage:

www.msfc.nasa.gov/NEWMSFC/eclss.html

Homepage des russischen „Institute of Biomedical Problems“: www.ibmp.rssi.ru/webpages/engl/

welcom.html

Kontakt zum Experten für Pilze und Schwerelosigkeit, Dr. Michael R. McGinnis, bekommen Sie unter:

www.microbiology.utmb.edu/faculty/

mcginnis/homepage.htm

Neuigkeiten über die Internationale Raumstation ISS mit vielen instruktiven Bildern:

www.spaceflight.nasa.gov/station/ index.html

Lesen

Jerry M. Linenger

OFF THE PLANET

Known Books 2000, $ 24,95

Dorling Kindersley

MIKROORGANISMEN

Bakterien, Viren, Pilze

Gerstenberg 1998, DM 24,90

Jutta Perkert