Biopotential evaluation of Lunar Regolith for Future Development of Biological Life Support Systems (BLSSs)

This research thesis is a preliminary study to explore the potential use of Lunar Regolith in developing Biological Life Support Systems (BLSS) for space exploration. The main objective is to assess the feasibility of using Eisenia fetida earthworms to enhance regolith fertilization, making it a viable substrate for space agriculture within the In-Situ Resource Utilization (ISRU) methodology. The experiment aimed to investigate how earthworms interact with lunar regolith simulant (LHS-1), involving a regolith feeding phase preceded and followed by periods of starvation to allow for gut clearing and cast collection. The casts were collected for future microbial analysis to assess potential shifts in microbial composition due to regolith ingestion. Earthworms were weighed at each phase, with the experiment replicated in three biological replicates of 13 individuals each to ensure statistical significance, enabling the assessment of potential weight loss or stress effects caused by regolith ingestion. During the study, unexpected behavioral changes were observed in the earthworms after regolith ingestion, such as increased activity and curling, possibly indicating stress. These observations led to the inclusion of histological analyses to examine potential tissue damage, particularly in the intestine and gizzard organs within the digestive apparatus. The results showed a 35% average weight loss during the starvation phases compared to the initial weight. However, after the 48-hour regolith feeding phase, a partial recovery of weight was observed. Statistical analysis indicated that the weight differences between the control and experimental groups were not statistically significant, suggesting that earthworms ingested similar amounts of substrate, without showing a clear preference or aversion to regolith compared to natural soil. Furthermore, histological analysis revealed potential damage to intestinal tissues in the earthworms that ingested regolith. While technical artifacts cannot be ruled out, the observed tissue damage could explain the curling behavior noted in the earthworms when placed in deionized water following the regolith feeding phase. However, the extent of the damage may vary compared to the observed one. These initial findings suggest that, although earthworms are capable of ingesting and surviving for 48 hours on a regolith substrate, this could induce physiological stress or mechanical damage. This emphasizes the need for long-term monitoring of the health of individuals exposed to regolith. Moreover, future microbial analyses will provide further insight into how gut microbiota and cast microbial communities respond to regolith ingestion, and whether these changes can facilitate regolith fertilization for plant growth. These findings are crucial for assessing the potential of Eisenia fetida within BLSS for long-term space missions.

Questa tesi di ricerca rappresenta uno studio preliminare volto a esplorare il potenziale utilizzo della regolite lunare nello sviluppo dei Sistemi Biologici di Supporto alla Vita (BLSS) per l’esplorazione spaziale. L’obiettivo principale è valutare la possibilità di impiegare i lombrichi Eisenia fetida per migliorare la fertilità della regolite, rendendola un substrato idoneo per l’agricoltura spaziale, in linea con la metodologia di Utilizzo delle Risorse In-Situ (ISRU). L’esperimento ha esaminato l'interazione dei lombrichi con un simulante di regolite lunare (LHS-1), prevedendo una fase di alimentazione con regolite seguita e preceduta da periodi di digiuno per permettere lo svuotamento intestinale e la raccolta degli escrementi. Questi ultimi sono stati successivamente raccolti per future analisi microbiologiche, con lo scopo di valutare eventuali cambiamenti nella composizione microbica dovuti all’ingestione della regolite. I lombrichi sono stati pesati in ogni fase, e l’esperimento è stato replicato in tre serie biologiche, ciascuna composta da 13 individui, per garantire significatività statistica e valutare possibili perdite di peso o effetti di stress legati all'ingestione della regolite. Durante lo studio, sono stati osservati cambiamenti comportamentali nei lombrichi dopo l’ingestione della regolite, come un aumento dell’attività e un comportamento di arricciamento, indicatori di un potenziale stato di stress. Queste osservazioni hanno portato all’inclusione di analisi istologiche per indagare eventuali danni ai tessuti, in particolare all’intestino e al ventriglio. I risultati hanno mostrato un calo di peso medio del 35% durante le fasi di digiuno, rispetto al peso iniziale. Tuttavia, dopo la fase di alimentazione con regolite di 48h, si è osservato un parziale recupero di peso. Le analisi statistiche hanno rivelato che le differenze di peso tra il gruppo di controllo e sperimentale non erano statisticamente significative, suggerendo che i lombrichi hanno ingerito una quantità simile di substrato, senza mostrare una preferenza o avversione netta verso la regolite rispetto al terreno naturale Inoltre, l'analisi istologica ha evidenziato potenziali danni ai tessuti intestinali nei lombrichi che hanno ingerito regolite. Anche se non è possibile escludere la presenza di artefatti tecnici, i danni in questi tessuti potrebbero spiegare il comportamento di arricciamento osservato nei lombrichi posti in acqua deionizzata dopo la fase di alimentazione con regolite. L’entità del danno potrebbe però essere differente rispetto a quanto osservato. I risultati iniziali suggeriscono che, sebbene i lombrichi siano in grado di ingerire e sopravvivere per 48h posti su un substrato di regolite, questo potrebbe causare stress fisiologico o danni meccanici, evidenziando la necessità di un monitoraggio dello stato di salute degli individui a lungo termine. Inoltre, le analisi microbiologiche future forniranno ulteriori informazioni su come il microbiota intestinale e la comunità microbica degli escrementi reagiscano all’ingestione della regolite e se tali cambiamenti possano facilitare la fertilizzazione della regolite per la crescita delle piante. Questi risultati sono cruciali per valutare il potenziale dell'impiego di Eisenia fetida all'interno di BLSS per missioni spaziali a lungo termine.