Институт аналитического приборостроения РАН
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург и Ленинградская область, Россия
В работе рассмотрено влияния состава питательного раствора на формирование разности потенциалов в корнеобитаемой среде и проведен поиск возможных потенциалобразующих ионов в биоэлектрохимических системах, основанных на электроактивных растительно-микробных взаимодействиях. Измерена разность потенциалов в корнеобитаемой среде при выращивании растений салата по технологии панопоники с использованием питательных растворов с увеличенным в два раза содержанием сульфата магния, хлорида калия и дигидроортофосфата калия. Проанализированы изменения электропроводности питательных растворов в процессе вегетационного периода и различия в водородных показателях и концентрациях ионов кальция, калия, аммония, нитрата в верхней и нижней приэлектродных областях биоэлектрохимических систем. Увеличение концентрации хлорида калия и дигидроортофосфата калия в питательном растворе привело к снижению и биомассы и среднего значения напряжения до 221 мВ и 188 мВ, соответственно, относительно характерной для контрольного варианта с классическим раствором Кнопа разности потенциалов составляющей 213 мВ. Удвоение концентрации сульфата магния, наоборот, вызвало повышение разности потенциалов до среднего значения 263 мВ и увеличения биомассы более чем на 30% относительно контроля. Вероятно, сульфат магния играет потенциалобразующую роль в формировании электрогенных реакций в системе корнеобитаемая среда-растения.
растительно-микробный топливный элемент, панопоника, углеродный войлок, салат
1. Кулешова Т.Э., Галушко А.С., Панова Г.Г., Волкова Е.Н., Аполлон В., Шуан С., Севда С. Биоэлектрохимические системы на основе электроактивности растений и микроорганизмов в корнеобитаемой среде (обзор). Сельскохозяйственная биология, 2022, т. 57, № 3, doi:https://doi.org/10.15389/agrobiology.2022.3.425rus .
2. Juan A.D. Microbial Fuel Cell-Literature review. Technical evaluation of the microbial fuel cell technology in wastewater applications. Res. Gate, 2014, pp. 1-18, doi:https://doi.org/10.13140/2.4481.0569.
3. Obileke K., Onyeaka H., Meyer E.L., Nwokolo N. Microbial fuel cells, a renewable energy technology for bio-electricity generation: A mini-review. Electrochemistry Communications, 2021, vol. 125, doi:https://doi.org/10.1016/j.elecom.2021.107003.
4. Pant D., Van Bogaert G., Diels L., Vanbroekhoven K. A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production. Bioresource technology, 2010, vol. 101, no. 6, doi:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.10.017.
5. Chiranjeevi P., Yeruva D.K., Kumar A.K., Mohan S.V., Varjani S. Plant-microbial fuel cell technology. In Microbial electrochemical technology. Elsevier, 2019, doi:https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64052-9.00022-4.
6. Dommergues Y.R., Krupa S.V. Interactions between Non-pathogenic Soil Microorganisms and Plants. Developments in Agricultural and Managed-Forest Ecology (Book Series), Elsevier Science Ltd., Netherlands, 1978.
7. Schroder U. Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency. Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, vol. 9, no. 21, pp. 2619-2629, doi:https://doi.org/10.1039/B703627M.
8. Mohan S.V., Mohanakrishna G., Chiranjeevi P. Sustainable power generation from floating macrophytes based ecological microenvironment through embedded fuel cells along with simultaneous wastewater treatment. Bioresource technology, 2011, vol. 102, no. 14, doi:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.04.033.
9. Pamintuan K.R.S., Sanchez K.M. Power generation in a plant-microbial fuel cell assembly with graphite and stainless steel electrodes growing Vigna Radiata. IOP conference series: materials science and engineering, 2019, vol. 703, no. 1, doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/703/1/012037.
10. 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, doi:https://doi.org/10.1002/er.1397.
11. Gulamhussein M., Randall D.G. Design and operation of plant microbial fuel cells using municipal sludge. J. Water Process. Eng, 2020, vol. 38, p. 101653, doi:https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101653.
12. Helder M., Strik D.P., Timmers R.A., Raes S.M., Hamelers H.V., Buisman C.J. Resilience of roof-top plant-microbial fuel cells during Dutch winter. Biomass and Bioenergy, 2013, vol. 51, no. 1-7, doi:https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2012.10.011.
13. Lu L., Xing D., Ren Z.J. Microbial community structure accompanied with electricity production in a constructed wetland plant microbial fuel cell. Bioresource technology, 2015, vol. 195, doi:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.098.
14. Habibul N., Hu Y., Wang Y.K., Chen W., Yu H.Q., Sheng G.P. Bioelectrochemical chromium (VI) removal in plant-microbial fuel cells. Environmental science & technology, 2016, vol. 50, no. 7, doi:https://doi.org/10.1021/acs.est.5b06376.
15. Arends J.B., Speeckaert J., Blondeel E., De Vrieze J., Boeckx P., Verstraete W., Rabaey K., Boon N. Greenhouse gas emissions from rice microcosms amended with a plant microbial fuel cell. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, vol. 98, doi:https://doi.org/10.1007/s00253-013-5328-5.
16. Maddalwar S., Nayak K.K., Kumar M., Singh L. Plant microbial fuel cell: opportunities, challenges, and prospects. Bioresource Technology, 2021, vol. 341, doi:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125772.
17. Ahn Y., Logan B.E. Altering anode thickness to improve power production in microbial fuel cells with different electrode distances. Energy and Fuels, 2013, vol. 27, no. 1, doi:https://doi.org/10.1021/ef3015553.
18. Wilkinson S., Klar J., Applegarth S. Optimizing biofuel cell performance using a targeted mixed mediator combination. Electroanalysis: An International Journal Devoted to Fundamental and Practical Aspects of Electroanalysis, 2006, vol. 18, no. 19-20, doi:https://doi.org/10.1002/elan.200603621.
19. Helder M., Strik D.P., Hamelers H.V., Buisman C.J. The flat-plate plant-microbial fuel cell: the effect of a new design on internal resistances. Biotechnology for biofuels, 2012, vol. 5, no. 1, doi:https://doi.org/10.1186/1754-6834-5-70.
20. Кулешова Т.Э., Желначева П.В., Гасиева З.А., Галушко А.С., Панова Г.Г. Зависимость биоэлектрического потенциала в корнеобитаемой среде от формы азота в питательном растворе. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2022, т. 7, № 4, doi:https://doi.org/10.29039/rusjbpc.2022.0558 .
21. 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, vol. 90, no. 10, doi:https://doi.org/10.21883/JTF.2020.10.49792.429-19 .
22. Кулешова Т.Э., Бушлякова А.В., Галль Н.Р. Неинвазивное измерение биоэлектрических потенциалов растений. Письма в Журнал технической физики, 2019, vol. 45, no. 5, doi:https://doi.org/10.21883/PJTF.2019.05.47387.17541 .
23. Чесноков В.А., Базырина Е.Н., Бушуева Т.М. Выращивание растений без почвы. Изд. ЛГУ, 1960.
