Tsjernobyl-schimmels als schild tegen kosmische straling voor missies in de diepe ruimte 

In 1986 werd de vierde eenheid van de kerncentrale Tsjernobyl in Oekraïne (de voormalige Sovjet-Unie) getroffen door een enorme brand en stoomexplosie. Door het ongekende ongeluk kwam meer dan 5% van de radioactieve kern van de reactor vrij, bestaande uit meer dan 100 radioactieve elementen (voornamelijk jodium-131, cesium-137 en strontium-90). Het stralingsniveau was extreem hoog voor de levensvormen in de omgeving om te overleven. De pijnbomen in een gebied van 10 km² rond de plaats van het ongeluk stierven binnen enkele weken door blootstelling aan dodelijke stralingsdoses. Bepaalde schimmels en zwarte zwammen overleefden echter niet alleen het gevaarlijk hoge stralingsniveau, maar bleken ook goed te gedijen op de plaats van het ongeluk. Latere studies isoleerden ongeveer 2000 stammen van 200 soorten schimmels van de locatie. Er werd vastgesteld dat de schimmeldraden naar de bron van ioniserende bèta- en gammastraling groeiden, net zoals groene planten naar zonlicht toe groeien. Interessanter is dat blootstelling aan ioniserende straling de gemelaniseerde schimmelcellen een verbeterde groei leek te hebben mogelijk gemaakt, wat wijst op energieopname door melaninepigment in aanwezigheid van hoogenergetische straling (vergelijkbaar met energieopname door chlorofyl in zonlicht bij fotosynthese). In 2022 toonde een experiment aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS) aan dat deze schimmels ook in de ruimte over de capaciteiten van radioresistentie en radiosynthese beschikken. Dit suggereert dat de gemelaniseerde schimmels die overleven en gedijen in extreme stralingsomstandigheden zoals de ramp in Tsjernobyl, kunnen worden gebruikt om menselijke bewoning in de diepe ruimte te beschermen tegen kosmische straling en om energie (uit de kosmische straling) op te vangen om de energie-autonomie van ruimtemissies zoals Artemis naar toekomstige menselijke bewoning op de Maan en Mars te vergroten.  

Kernreactoren wereldwijd gebruiken voornamelijk verrijkt uranium met ongeveer 3-5% uranium-235 als splijtbaar materiaal (sommige geavanceerde kweekreactoren kunnen ook plutonium-239 of thorium-233 gebruiken). De primaire producten van gecontroleerde splijting van uranium-235 in de reactoren zijn lichtere kernen van krypton en barium, vrije neutronen en een grote hoeveelheid energie. Verder radioactief verval van onstabiele lichtere splijtbare fragmenten (krypton- en bariumkernen) brengt bètadeeltjes, gammastraling en andere stabiele bijproducten vrij.  

Tsjernobyl-ongeluk (1986) 

In 1986 resulteerde een brand en stoomexplosie in de vierde eenheid van de kerncentrale van Tsjernobyl in Oekraïne (destijds de Sovjet-Unie) in de uitstoot van meer dan 5% van de radioactieve reactorkern in het milieu. Door dit ongekende ongeval kwamen meer dan 100 radioactieve elementen in het milieu terecht, waarvan jodium-131, cesium-137 en strontium-90 de belangrijkste waren. De laatste twee (cesium-137 en strontium-90) zijn nog steeds in aanzienlijke hoeveelheden aanwezig in het lokale milieu, omdat ze een langere halfwaardetijd hebben van ongeveer 30 jaar. Deze twee isotopen zijn er in de eerste plaats verantwoordelijk voor dat de verboden zone het meest radioactief besmette gebied op aarde is.  

Sommige plaatsen in de uitsluitingszone in de buurt van de locatie hebben extreem hoge stralingsniveaus. Het verwoeste reactorgebouw heeft een stralingsniveau van meer dan 20,000 röntgen per uur (ter vergelijking: ongeveer 500 röntgen gedurende vijf uur is de dodelijke stralingsdosis, wat minder is dan 1% van de straling in de buurt van de verwoeste reactorlocatie).   

Het stralingsniveau in het gebied van 10 km² rond de kerncentrale van Tsjernobyl binnen de uitsluitingszone (het zogenaamde Rode Bos) was zo hoog dat duizenden dennenbomen binnen enkele weken stierven na blootstelling aan ongeveer 60-100 Grays (Gy) straling. Deze stralingsdosis was dodelijk voor de dennenbomen in het gebied, die roestbruin kleurden en stierven. Zelfs vandaag de dag piekt de gammastraling op sommige plaatsen in het Rode Bos rond de 17 millirem/uur (ongeveer 170 µSv/h). Gammastraling is straling met zeer hoge energie. Ze dringt diep door en slaat elektronen af ​​van atomen en moleculen en vormt ionen en vrije radicalen die onherstelbare schade aanrichten aan cellen en weefsels, waaronder vitale biomoleculen zoals DNA en enzymen. Blootstelling aan zeer hoge doses gammastraling leidt tot de dood van levende organismen, zoals gebeurde met de dennenbomen rond de plaats van de ramp in Tsjernobyl. Maar niet altijd!  

Bepaalde schimmels overleefden niet alleen, maar gedijden zelfs goed op de plaats van het Tsjernobyl-ongeluk met de hoge stralingsintensiteit  

Terwijl pijnbomen in een gebied van 10 vierkante kilometer rond de plaats van het ongeluk binnen enkele weken afstierven door blootstelling aan extreem hoge stralingsniveaus, waren bepaalde zwarte schimmels, met name Cladosporium sphaerospermum  en Alternaria alternata Er werd waargenomen dat er enkele jaren na het ongeluk nog steeds schimmels groeiden in de buurt van de beschadigde vierde eenheid, ondanks het feit dat het stralingsniveau nog steeds dodelijk was/is. Dit was een verrassing. In 2004 isoleerden diverse studies ongeveer 2000 stammen van 200 soorten schimmels van de ongevalslocatie.  

Interessant genoeg werd ontdekt dat de schimmeldraden naar de bron van ioniserende straling groeiden (net zoals planten naar zonlicht toe groeien, wat fototropisme laat zien). Na het meten van de reactie van schimmels op ioniserende straling, toonden onderzoekers aan dat zowel bèta- als gammastraling de gerichte groei van schimmeldraden naar de bron bevordert.  

Omdat gemelaniseerde microbiële soorten vaker in de natuur voorkomen, werd gedacht dat melaninepigment een rol speelt bij dit opmerkelijke vermogen van sommige schimmels om te overleven en te gedijen in bodems die verontreinigd zijn met splijtbare fragmenten (radionucliden). Een experiment gepubliceerd in 2007 toonde aan dat dit inderdaad het geval was. Blootstelling van melanine aan ioniserende straling is de sleutel. De ioniserende straling veranderde de elektronische eigenschappen van melaninepigmenten, waardoor gemelaniseerde schimmelcellen een verbeterde groei vertoonden na blootstelling aan ioniserende straling. Dit duidde erop dat melanine een rol speelt bij energieopname (radiosynthese), vergelijkbaar met wat chlorofyl doet bij fotosynthese. Dit betekende ook dat deze schimmels mogelijk ingezet konden worden bij het opruimen van radionuclidenverontreiniging.   

Diepe ruimte Menselijke missies en behuizingen  

Op de lange termijn worden alle planetaire beschavingen geconfronteerd met existentiële bedreigingen door inslagen vanuit de ruimte, vandaar de noodzaak voor de mens om een ​​multiplanetaire soort te worden. Er zijn missies naar de diepe ruimte gepland om menselijke nederzettingen buiten de aarde te vestigen. De Artemis Maanmissie is een begin in deze richting, die tot doel heeft een langdurige menselijke aanwezigheid op en rond de Maan te creëren ter voorbereiding op menselijke missies en nederzettingen op Mars.   

Een van de grootste uitdagingen voor menselijke missies in de diepe ruimte wordt gevormd door de constante stroom krachtige kosmische straling die overal in de ruimte doordringt. Het aardmagnetisch veld beschermt ons tegen kosmische straling op aarde, maar vormt het grootste gezondheidsrisico voor menselijke missies in de ruimte. Daarom vereisen missies in de diepe ruimte beschermende schilden tegen kosmische straling. Aan de andere kant zou kosmische straling ook een onuitputtelijke energiebron kunnen zijn en de energie-autonomie van langere missies in de diepe ruimte kunnen vergroten als er geschikte technologie zou zijn om deze te benutten. 

Schimmels die welig tieren op de Tsjernobyl-locatie met hoge straling kunnen een oplossing bieden voor de uitdagingen die kosmische straling stelt aan menselijke missies en woonplaatsen in de diepe ruimte  

Zoals hierboven besproken, blijken bepaalde gemelaniseerde schimmels te groeien in de zwaar vervuilde omgeving van de beschadigde kerncentrale van Tsjernobyl en andere omgevingen met veel straling op aarde. Blijkbaar gebruiken de melaninepigmenten in deze schimmels de hoogenergetische straling om chemische energie op te wekken (net zoals het chlorofyl in groene planten zonnestralen gebruikt bij fotosynthese). De schimmels van Tsjernobyl zouden dus zowel kunnen dienen als beschermend schild tegen hoogenergetische kosmische straling (radioresistentie) als energieproducent (radiosynthese) tijdens missies in de diepe ruimte, als hun capaciteiten zich uitstrekken tot kosmische straling in de ruimte. Onderzoekers hebben dit in de ruimte getest.  

De schimmel Cladosporium sphaerospermum werd gekweekt aan boord van het Internationale Ruimtestation (ISS) om de groei en het vermogen ervan om ioniserende kosmische straling te absorberen en te dempen gedurende 26 dagen te bestuderen, onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met bewoning op het oppervlak van Mars. De resultaten toonden een verzwakking van kosmische straling door schimmelbiomassa en een groeivoordeel in de ruimte, wat suggereert dat de capaciteiten van bepaalde schimmels op de plaats van het ongeluk in Tsjernobyl ook toepasbaar zijn op kosmische straling in de ruimte.  

Het is nog te vroeg om te zeggen, maar het zou in de toekomst mogelijk kunnen zijn om deze schimmels naar Monn en Mars te transporteren, waar ze met behulp van geschikte infrastructuur een functionele rol kunnen gaan spelen als producent van chemische energie.  

*** 

Referenties:  

1. Zhdanova NN, c.s. 2004. Ioniserende straling trekt bodemschimmels aan. Mycol Res. 108: 1089–1096. DOI: https://doi.org/10.1017/S0953756204000966 

2. Dadachova E., c.s. 2007. Ioniserende straling verandert de elektronische eigenschappen van melanine en bevordert de groei van gemelaniseerde schimmels. PLOS One. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000457 

3. Dighton J., Tugay T. en Zhdanova N., 2008. Schimmels en ioniserende straling van radionucliden. FEMS Microbiology Letters, Volume 281, Nummer 2, april 2008, Pagina's 109-120. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1574-6968.2008.01076.x 

4. Ekaterina D. & Casadevall A., 2008. Ioniserende straling: hoe schimmels omgaan met, zich aanpassen aan en gebruikmaken van melanine. Current Opinion in Microbiology. Volume 11, nummer 6, december 2008, pagina's 525-531. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mib.2008.09.013 

5. Averesch NJH c.s. 2022. Kweek van de Dematiaceous-schimmel Cladosporium sphaerospermum Aan boord van het internationale ruimtestation ISS en de effecten van ioniserende straling. Front. Microbiol., 05 juli 2022. Sec. Extreme Microbiology Volume 13 2022. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.877625 

6. Sihver L., 2022. Tsjernobyl-schimmels als energieproducent. Beschikbaar op https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2022cosp…44.2639S/abstract 

7. Tibolla MH en Fischer J., 2025. Radiotrofe schimmels en hun gebruik als bioremediatiemiddelen voor door straling getroffen gebieden en als beschermende middelen. Onderzoek, Maatschappij en Ontwikkeling. DOI: https://doi.org/10.33448/rsd-v14i1.47965 

*** 

Gerelateerde artikelen 

• Massale uitstervingen in de geschiedenis van het leven: betekenis van NASA's Artemis Moon en planetaire verdediging DART-missies (23 Augustus 2022)  

• Artemis Moon Mission: Op weg naar menselijke bewoning in de diepe ruimte (11 Augustus 2022) 

• .... Lichtblauwe stip, het enige huis dat we ooit hebben gekend (13 januari 2022) 

***