Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 55164 10.29039/rusjbpc.2022.0558 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика DEPENDENCE OF THE BIOELECTRIC POTENTIAL IN THE ROOT ENVIRONMENT ON THE NITROGEN FORM IN THE NUTRIENT SOLUTION ЗАВИСИМОСТЬ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА В КОРНЕОБИТАЕМОЙ СРЕДЕ ОТ ФОРМЫ АЗОТА В ПИТАТЕЛЬНОМ РАСТВОРЕ Кулешова Т. Э. Kuleshova T. E. kuleshova@agrophys.ru Желначева П. В. Zhelnacheva P. V. Гасиева З. А. Gasieva Z. A. Галушко А. С. Galushko A. S. Панова Г. Г. Panova G. G. gaiane@inbox.ru Агрофизический научно-исследовательский институт Санкт-Петербург Россия Agrophysical Research Institute Saint Petersburg Russian Federation Институт аналитического приборостроения РАН Санкт-Петербург Россия Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences Saint Petersburg Russian Federation Агрофизический научно-исследовательский институт Санкт-Петербург Россия Agrophysical Research Institute Saint Petersburg Russian Federation Агрофизический научно-исследовательский институт Санкт-Петербург Россия Agrophysical Research Institute Saint Petersburg Russian Federation Агрофизический научно-исследовательский институт Санкт-Петербург Россия Agrophysical Research Institute Saint Petersburg Russian Federation Агрофизический научно-исследовательский институт Санкт-Петербург Россия Agrophysical Research Institute Saint Petersburg Russian Federation 24 11 2022 24 11 2022 7 4 546 551 07 08 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/55164/view

В работе проведено исследование влияния формы азота (нитратная, амидная, нитратно-аммонийная) в составе питательного раствора на электрические характеристики биоэлектрохимической системы, базирующейся на электрогенных свойствах растений салата. Зарегистрирована динамика биоэлектрического потенциала (БЭП) в системе корнеобитаемая среда-растения, биометрические и биохимические показатели растительной продукции при использовании различных питательных растворов в ходе выращивания салата методом панопоники в интенсивной светокультуре. Среднее значение БЭП составило 243 мВ при использовании нитратной формы азота в питательном растворе, 147 мВ для амидной формы и 178 мВ для нитратно-аммонийной формы. Максимально наблюдаемая разность потенциалов была характерна для варианта, содержащего азот в нитратной форме, что, вероятно, указывает на потенциалобразующую роль NO3-. Отмечено увеличение концентрации положительных ионов (Ca2+, K+, NH4+) на нижнем электроде и отрицательных (NO3-) на верхнем, что соответствует наблюдаемой в БЭС полярности – верхний электрод электроотрицателен относительно нижнего. Показано, что лучшим по величине и стабильности из исследованных вариантов был питательный раствор, содержащий азот в нитратной форме. Перемещение ионов в корнеобитаемой среде в процессе жизнедеятельности растений может стать новым альтернативным источником зеленой электроэнергии.

The influence of the nitrogen form (nitrate, amide, nitrate-ammonium) in the composition of the nutrient solution on the electrical characteristics of a bioelectrochemical system based on the electrogenic properties of lettuce was studied. The dynamics of the bioelectric potential (BEP) in the root environment-plants system, biometric and biochemical parameters of plant production using various nutrient solutions during the cultivation of lettuce by the panoponic method in intensive artificial lightculture have been registered. The average BEP value was 243 mV when using the nitrate form of nitrogen in the nutrient solution, 147 mV for the amide form and 178 mV for the nitrate-ammonium form. The maximum observed potential difference was characteristic of the variant containing nitrogen in the nitrate form, which probably indicates the potential-forming role of NO3-. An increase in the concentration of positive ions (Ca2+, K+, NH4+) on the lower electrode and negative (NO3-) on the upper one was noted, which corresponds to the polarity observed in the BES – the upper electrode is electronegative relative to the lower one. It is shown that the nutrient solution containing nitrogen in the nitrate form was the best in terms of size and stability of the studied options. The diffusion of ions in the root environment during the life of plants can become a new alternative source of electricity.

 биоэлектрохимическая система растительно-микробный топливный элемент светокультура салат панопоника электрогенные свойства bioelectrochemical system plant-microbial fuel cell lightculture lettuce panoponics electrogenic properties Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-4397.2022.5).

Поздняков А.И., Позднякова А.Д. Электрофизика почв. Москва-Дмитров: ВНИИМЗ, МГУ, 2004, 48 c. Pozdnyakov A.I., Pozdnyakova A.D. Elektrofizika pochv. Moskva-Dmitrov: VNIIMZ, MGU, 2004, 48 p. (In Russ.) Поздняков А.И., Позднякова Л.А., Позднякова А.Д. Стационарные электрические поля в почвах. М: КМК Scientific Press Ltd., 1996, 358 с. Pozdnyakov A.I., Pozdnyakova L.A., Pozdnyakova A.D. Stationary electric fields in soils. M: KMK Scientific Press Ltd., 1996, 358 p. (In Russ.) Кулешова Т.Э., Панова Г.Г., Галль Н.Р., Галушко А.С. Концентрационный элемент на основе электрогенных процессов в корнеобитаемой среде. ПЖТФ, 2022, № 8. Kuleshova T.E., Panova G.G., Gall N.R., Galushko A.S. Concentration cell based on electrogenic processes in the root environment. Technical Physics Letters, 2022, vol. 48, no. 4, doi: 10.21883/PJTF.2022.08.52363.19066. (In Russ.) Strik D.P.B.T.B., Hamelers H.V.M., Snel J.F., Buisman C.J. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research, 2008, vol. 32, no. 9. Strik D.P.B.T.B., Hamelers H.V.M., Snel J.F., Buisman C.J. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research, 2008, vol. 32, no. 9. Knowles R. Denitrification. Microbiological reviews, 1982, vol. 46, no. 1, doi: 10.1128/mr.46.1.43-70.1982. Knowles R. Denitrification. Microbiological reviews, 1982, vol. 46, no. 1, doi: 10.1128/mr.46.1.43-70.1982. Johnson R.S., Uriu K. Mineral nutrition. Peach, Plum and Nectarine: Growing and Handling for Fresh Market. Oakland, University of California, 1989, p. 68. Johnson R.S., Uriu K. Mineral nutrition. Peach, Plum and Nectarine: Growing and Handling for Fresh Market. Oakland, University of California, 1989, p. 68. Pan Y., Ni B.J., Bond P.L., Ye L., Yuan Z. Electron competition among nitrogen oxides reduction during methanol-utilizing denitrification in wastewater treatment. Water research, 2013, vol. 47, no. 10, doi: 10.1016/j.watres.2013.02.054. Pan Y., Ni B.J., Bond P.L., Ye L., Yuan Z. Electron competition among nitrogen oxides reduction during methanol-utilizing denitrification in wastewater treatment. Water research, 2013, vol. 47, no. 10, doi: 10.1016/j.watres.2013.02.054. Morris J.M., Jin S. Influence of NO3 and SO4 on power generation from microbial fuel cells. Chemical Engineering Journal, 2009, vol. 153, no. 1-3, doi: 10.1016/j.cej.2009.06.023. Morris J.M., Jin S. Influence of NO3 and SO4 on power generation from microbial fuel cells. Chemical Engineering Journal, 2009, vol. 153, no. 1-3, doi: 10.1016/j.cej.2009.06.023. Helder M., Strik D.P.B.T.B., Hamelers H.V.M., Kuijken R.C.P., Buisman C.J.N. New plant-growth medium for increased power output of the Plant-Microbial Fuel Cell. Bioresource technology, 2012, vol. 104, doi: 10.1016/j.biortech.2011.11.005. Helder M., Strik D.P.B.T.B., Hamelers H.V.M., Kuijken R.C.P., Buisman C.J.N. New plant-growth medium for increased power output of the Plant-Microbial Fuel Cell. Bioresource technology, 2012, vol. 104, doi: 10.1016/j.biortech.2011.11.005. Apollon W., Valera-Montero L.L., Perales-Segovia C., Maldonado-Ruelas V.A., Ortiz-Medina R.A., Gomez-Leyva J.F., Vazquez-Gutiarreza M.A., Flores-Beniteza S., Kamaraj S.K., Effect of ammonium nitrate on novel cactus pear genotypes aided by biobattery in a semi-arid ecosystem. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2022, vol. 49, doi: 10.1016/j.seta.2021.101730. Apollon W., Valera-Montero L.L., Perales-Segovia C., Maldonado-Ruelas V.A., Ortiz-Medina R.A., Gomez-Leyva J.F., Vazquez-Gutiarreza M.A., Flores-Beniteza S., Kamaraj S.K., Effect of ammonium nitrate on novel cactus pear genotypes aided by biobattery in a semi-arid ecosystem. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2022, vol. 49, doi: 10.1016/j.seta.2021.101730. Панова Г.Г., Удалова О.Р., Канаш Е.В., Галушко А.С., Кочетов А.А., Прияткин Н.С., Архипов М.В., Черноусов И.Н. Основы физического моделирования «идеальных» агроэкосистем. Журнал технической физики, 2020, т. 90, № 10, doi: 10.21883/JTF.2020.10.49792.429-19. Panova G.G., Udalova O.R., Kanash E.V., Galushko A.S., Kochetov A.A., Priyatkin N.S., Arkhipov M.V., Chernousov I.N. Fundamentals of Physical Modeling of “Ideal” Agroecosystems. Technical Physics, 2020, vol. 65, no. 10, doi: 10.1134/S1063784220100163. (In Russ.) Кулешова Т.Э., Бушлякова А.В., Галль Н.Р. Неинвазивное измерение биоэлектрических потенциалов растений. Письма в Журнал технической физики, 2019, т. 45, № 5, doi: 10.21883/PJTF.2019.05.47387.17541. Kuleshova T.E., Bushlyakova A.V., Gall N.R. Noninvasive measurement of bioelectric potentials of plants. Technical Physics Letters, vol. 45, no. 3, doi: 10.1134/S1063785019030106. (In Russ.) Чесноков В.А., Базырина Е.Н., Бушуева Т.М. Выращивание растений без почвы. Изд. ЛГУ, 1960. Chesnokov V.A., Bazyrina E.N., Bushueva T.M. Vyrashchivanie rastenij bez pochvy. Izd. LGU, 1960. Битюцкий Н.П. Минеральное питание растений. Изд. СПГУ, 2020. Bityuckij N.P. Mineral'noe pitanie rastenij. Izd. SPGU, 2020. (In Russ.)