alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.34-36.044-058alternative-2083Research ArticleI. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 7. Нетрадиционные источники возобновляемой энергииI. RENEWABLE ENERGY. 7. Unconventional sources of renewed energyРастительно-микробные топливные элементы на основе неинвазивных электродных системPlant-microbial fuel cells based on non-invasive International Publishing House for scientific periodicals electrode systemsКулешоваТ. Э.KuleshovaT. E.

Кулешова Татьяна Эдуардовна - научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, научный сотрудник Агрофизического научно-исследовательского института.

194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26, тел. (812) 292-71-14; 195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14, тел. (812) 535-79-09

Kuleshova Tatiana Eduardovna - Researcher Ioffe Institute, Researcher Agrophysical Research Institute.

194021, St. Petersburg, Politekhnicheskaya, 26, tel.: (812) 292-71-14; 195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14, tel.:(812) 535-79-09

www.piter.ru@bk.ruИвановаА. Г.IvanovaA. G.

Иванова Александра Геннадьевна - и.о. зав. лаборатории неорганического синтеза, в.научный сотрудник.

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2, (812) 323-60-14

Ivanova Alexandra Gennadevna - Acting head of Laboratories of Inorganic Synthesis, Leading Researcher.

199034, St. Petersburg, Makarova, 2, tel.: (812) 323-60-14

agp-13@inbox.ruГалушкоА. С.GalushkoA. S.

Ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14, тел. (812) 535-79-09

Galushko Alexander Sergeevich - leading researcher, Agrophysical Research Institute.

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14, tel.:(812) 535-79-09

gaiane@inbox.ruКручининаИ. Ю.KruchininaI. V.

Кручинина Ирина Юрьевна - директор института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН.

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2, (812) 323-60-14

Kruchinina Irina Yurievna - Director of the Institute of Silicate Chemistry. I.V. Grebenshchikov RAS, Doctor of Technical Sciences.

199034, St. Petersburg, Makarova, 2, tel.: (812) 323-60-14

agp-13@inbox.ruШиловаО. А.ShilovaO. A.

Шилова Ольга Алексеевна - главный научный сотрудник, Академик всемирной академии керамики, профессор, доктор химических наук.

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2, (812) 323-60-14

Shilova Olga Alekseevna - Chief Researcher, World Academy of Ceramics, professor, Doctor of Chemical Sciences.

199034, St. Petersburg, Makarova, 2, tel.: (812) 323-60-14

agp-13@inbox.ruУдаловаО. Р.UdalovaO. R.

Удалова Ольга Рудольфовна - ведущий научный сотрудник, зав. сектором, кандидат сельскохозяйственных наук.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14, тел. (812) 535-79-09

Udalova Olga Rudolfovna - Leading Researcher, head of Department in Agrophysical Research Institute, candidate of biological sciences.

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14, tel.:(812) 535-79-09

gaiane@inbox.ruЖестковА. С.ZhestkovA. S.

Жестков Алексей Сергеевич - ведущий инженер.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14, тел. (812) 535-79-09

Zhestkov Alexey Sergeevich - Lead Engineer in Agrophysical Research Institute.

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14, tel.:(812) 535-79-09

gaiane@inbox.ruГалльН. Р.GallN. R.

Галль Николай Ростиславович – заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук наук.

194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26, тел. (812) 292-71-14

Gall Nikolay Rostislavovich - head of laboratory in Ioffe Institute, Doctor of Physical and Mathematical Sciences.

194021, St. Petersburg, Politekhnicheskaya, 26, tel.: (812) 292-71-14

www.piter.ru@bk.ruПановаГ. Г.PanovaG. G.

Панова Гаянэ Геннадьевна – ведущий научный сотрудник, заведующий отделом, кандидат биологических наук.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14, тел. (812) 535-79-09

Panova Gayane Gennadievna – Leading Researcher, head of Department in Agrophysical Research Institute, candidate of biological sciences.

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14, tel.:(812) 535-79-09

gaiane@inbox.ruФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Российская академия наук; Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институтРоссияIoffe Institute; Agrophysical Research InstituteRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова, Российская академия наукРоссияInstitute of Silicate ChemistryRussian FederationФедеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институтРоссияAgrophysical Research InstituteRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Российская академия наукРоссияIoffe InstituteRussian Federation202016112021034-364458Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20212021Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2083

Работа посвящена созданию растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ). Разработана конструкция ячейки для РМТЭ, позволяющей изучить влияние конфигурации и материала электродных систем на величины генерируемых в системе корнеобитаемая среда-растение биоэлектрических потенциалов (БЭП). Показана возможность использования разработанной технологии измерения БЭП для создания длительно работающих растительно-микробных топливных элементов, основанных на применении электрической активности растений в качестве электродвижущей силы. Электроды были выполнены из различных углеродных материалов. Максимально полученное значение тока в прототипах РМТЭ составило 83 нА на исследуемый объем зоны роста растений 0.0023 м3. Максимальное значение биопотенциала, полученное с одного элемента на 16-й день вегетации, составило 150 мВ; в среднем БЭП был порядка 100 мВ. Таким образом, гибридная система, сочетающая в себе растительные и микробные организмы, обладающие электрогенными свойствами, направлена на генерацию устойчивой возобновляемой экологически чистой энергии. Технология РМТЭ позволит производить зеленую энергию практически везде, где растут растения, и применима как в естественной среде, так и для выращивания сельскохозяйственных культур в открытом грунте, теплицах, фитотехкомплек-сах и регулируемых агроэкосистемах. Агротехнологический энергетический комплекс на базе РМТЭ не только способен обеспечить производство возобновляемой энергии, но и позволит параллельно получать высококачественную растительную продукцию. Биоэлектрохимическая система на основе электрогенеза растений может быть использована для создания маломощных необслуживаемых источников электроэнергии, способных частично поддерживать жизнедеятельность растений путем подачи питания на насосы, источники света на основе светодиодов, беспроводные сенсорные сети (WSN) и датчики на основе Интернета вещей (IoT), различные датчики параметров окружающей среды и физиологического состояния растений. Также ее можно использовать в научных исследованиях в области растениеводства, агрофизики, биофизики растений в качестве биосенсора для мониторинга состояния растения и корректировки технологий выращивания.

The work is devoted to studying the mechanisms of generating bioelectric potentials in the root-inhabited-plant system and the creation of plant-microbial fuel cells (PMFC). The construction of experimental PMFC that allows studying the influence of the configuration and material of electrode systems on the values of bioelectric potentials (BEP) generated in the         root-inhabited-plant system, on the physiological state of the plant organism depending on environmental factors: mineral nutrition, light regime, soil layer depth, has been developed. The possibility of using the developed technology for measuring BEP to create long-lasting plant-microbial fuel cells based on the use of the electrical activity of plants as an electromotive force was shown. The electrodes were made of various carbon materials. The maximum current value obtained in the experimental PMFC was 83 nA per plant growth area (0.0023 m3). The maximum value of the biopotential obtained from one PMFC on the 16th day of the growth was 150 mV; the average BEP was about 100 mV. Thus, a hybrid system that combines plant and microbial organisms with electrogenic properties is aimed at generating sustainable renewable environmentally friendly energy. PMFC technology allows the production of green energy almost everywhere where plants grow, and is applicable both in the natural environment and for growing agricultural crops in open ground, greenhouses, phytotech complexes and regulated agroecosystems. An agrotechnological energy complex based on PMFC is not only capable of ensuring the production of renewable energy, but will also make it possible to simultaneously obtain high-quality plant products. A bioelectrochemical system based on plant electrogenesis can be used to create low-power unattended energy sources capable of partially supporting the vital activity of plants by supplying power to pumps, light sources based on LEDs, wireless sensor networks (WSNs) and IoT-based sensors, various sensors of environmental parameters and physiological state of plants. It can also be used in scientific research in the field of plant growing, agrophysics, plant biophysics as a biosensor for monitoring the condition of a plant and correcting cultivation technologies.

растительно-микробный топливный элементбиоэлектрический потенциалуглеродные электродысветовая конверсияplant-microbial fuel cellbioelectric potentialgraphite electrodeslight conversion efficiencyИсследования частично выполнялись за счёт гранта РФФИ (Российский фонд фундаментальных исследований) № 20-03-00938 АReferencesStrik D. P. et al. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell //International Journal of Energy Research. - 2008. - Т. 32. - №. 9. -С. 870-876.1. Strik D. P. et al. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell //International Journal of Energy Research. - 2008. - T. 32. - №. 9. - S. 870-876.Свистова И. Д., Кувшинова Н. М., Назаренко H. Н. Микробно-растительные ассоциации нетрадиционных сахароносов и продуцентов натуральных подсластителей //Теоретическая и прикладная экология. - 2016. - №. 3. - С. 41-47.Svistova I. D., Kuvshinova N. M., Nazarenko N. N. Mikrobno-rastitel'nye assotsiatsii netraditsionnykh sakharonosov i produtsentov natural'nykh podslastitelei //Teoreticheskaya i prikladnaya ehkologiya. - 2016. -№. 3. - S. 41-47.Deng H., Chen Z., Zhao F. Energy from plants and microorganisms: progress in plant-microbial fuel cells //ChemSusChem. - 2012. - Т. 5. - №. 6. - С. 10061011.Deng H., Chen Z., Zhao F. Energy from plants and microorganisms: progress in plant-microbial fuel cells //ChemSusChem. - 2012. - T. 5. - №. 6. - S. 10061011.Logan B. E. Microbial fuel cells. - John Wiley & Sons, 2008.Logan B. E. Microbial fuel cells. - John Wiley & Sons, 2008.Bennetto H. P. et al. Electricity generation by microorganisms //Biotechnology education. - 1990. - Т. I. - №. 4. - С. 163-168.Bennetto H. P. et al. Electricity generation by microorganisms //Biotechnology education. - 1990. - T. 1. - №. 4. - S. 163-168.Nitisoravut R., Regmi R. Plant microbial fuel cells: A promising biosystems engineering //Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Т. 76. - С. 81-89.Nitisoravut R., Regmi R. Plant microbial fuel cells: A promising biosystems engineering //Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - T. 76. - S. 81-89.Wetser K. et al. Electricity from wetlands: Tubular plant microbial fuels with silicone gas-diffusion biocathodes //Applied energy. - 2017. - Т. 185. - С. 642-649.Wetser K. et al. Electricity from wetlands: Tubular plant microbial fuels with silicone gas-diffusion biocathodes //Applied energy. - 2017. - T. 185. - S. 642-649.Wetser K. et al. Electricity generation by a plant microbial fuel cell with an integrated oxygen reducing biocathode //Applied energy. - 2015. - Т. 137. - С. 151157.Wetser K. et al. Electricity generation by a plant microbial fuel cell with an integrated oxygen reducing biocathode //Applied energy. - 2015. - T. 137. - S. 151157.Strik D. P. et al. Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms //Trends in biotechnology. - 2011. - Т. 29. - №. 1. - С. 41-49.Strik D. P. et al. Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms //Trends in biotechnology. - 2011. - T. 29. - №. 1. - S. 41-49.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. - Т. 195. - С. 115121.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. - T. 195. - S. 115121.Kaku N. et al. Plant/microbe cooperation for electricity generation in a rice paddy field //Applied microbiology and biotechnology. - 2008. - Т. 79. - №. 1. - С. 43-49.Kaku N. et al. Plant/microbe cooperation for electricity generation in a rice paddy field //Applied microbiology and biotechnology. - 2008. - T. 79. - №. 1. - S. 43-49.Khare A. P., Bundela H. Generation of electricity using vermicompost with different substrates through single chamber MFC approach //Int J Eng Trends Technol. - 2013. - Т. 4. - №. 9. - С. 4206-4210.Khare A. P., Bundela H. Generation of electricity using vermicompost with different substrates through single chamber MFC approach //Int J Eng Trends Technol. - 2013. - T. 4. - №. 9. - S. 4206-4210.Liu S. et al. Power generation enhancement by utilizing plant photosynthate in microbial fuel cell coupled constructed wetland system //International Journal of Photoenergy. - 2013. - Т. 2013.Liu S. et al. Power generation enhancement by utilizing plant photosynthate in microbial fuel cell coupled constructed wetland system //International Journal of Photoenergy. - 2013. - T. 2013.Moqsud M. A. et al. Compost in plant microbial fuel cell for bioelectricity generation //Waste Management. - 2015. - Т. 36. - С. 63-69.Moqsud M. A. et al. Compost in plant microbial fuel cell for bioelectricity generation //Waste Management. - 2015. - T. 36. - S. 63-69.Шеремет В. В., Волченко Н. Н., Самков А. А. Влияние состава питательной среды и растительного компонента на электрогенез в растительномикробном топливном элементе //Биотехнология и общество в XXI веке. - 2015. - С. 429-431.Sheremet V. V., Volchenko N. N., Samkov A. A. Vliyanie sostava pitatel'noi sredy i rastitel'nogo komponenta na ehlektrogenez v rastitel'no-mikrobnom toplivnom ehlemente //Biotekhnologiya i obshchestvo v XXI veke. - 2015. - S. 429-431.Кулешова Т.Э., Бушлякова А.В., Галль Н.Р. Неинвазивное измерение биоэлектрических потенциалов растений // Письма в ЖТФ. - 2019. - Т. 45. - №. 5. - С. 6-8.Kuleshova T.E., Bushlyakova A.V., Gall N.R. Noninvasive measurement of bioelectric potentials of plants // Technical Physics Letters. - 2019. - V. 45. - № 3. - S. 190-192.Rahimnejad M. et al. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review //Alexandria Engineering Journal. - 2015. - Т. 54. - №. 3. - С. 745-756.Rahimnejad M. et al. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review //Alexandria Engineering Journal. - 2015. - T. 54. - №. 3. - S. 745-756.Желтов Ю.И., Панова Г.Г. Патент РФ на полезную модель №108705, Бюл. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, № 27 (2011).Zheltov YU.I., Panova G.G. Patent RF na poleznuyu model' №108705, Byul. Federal'noi sluzhby po intellektual'noi sobstvennosti, patentam i tovarnym zna.kam. № 27 (2011).Панова Г. Г. и др. Научно-технические основы круглогодичного получения высоких урожаев качественной растительной продукции при искусственном освещении //Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2015. - №. 4. -С. 17-21.Panova G. G. i dr. Nauchno-tekhnicheskie osnovy kruglogodichnogo polucheniya vysokikh urozhaev kachestvennoi rastitel'noi produktsii pri iskusstvennom osveshchenii //Doklady Rossiiskoi akademii sel'skokhozyaistvennykh nauk. 2015. - №. 4. - S. 17-21.Кулешова Т.Э. и др. Комплекс неинвазивных измерений оптических свойств листьев и биопотенциалов растений для фитомониторинга // Материалы II Международной научной конференции «Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего», посвященной памяти академика Е.И. Ермакова. СПб.: ФГБНУ АФИ. -2019. - С. 212-219.Kuleshova T.E. i dr. Kompleks neinvazivnykh izmerenii opticheskikh svoistv list'ev i biopotentsialov rastenii dlya fitomonitoringa // Materialy II Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii «Tendentsii razvitiya agrofiziki: ot aktual'nykh problem zemledeliya i rastenievodstva k tekhnologiyam budushchegO», posvyashchennoi pamyati akademika E.I. Ermakova. SPb.: FGBNU AFI. - 2019. - S. 212-219.Медведев С. С. Физиология растений. - БХВ-Петербург, 2013.Medvedev S. S. Fiziologiya rastenii. - BKHV-Peterburg, 2013.Кулешова Т.Э. и др. Влияние спектральных особенностей световой среды на поглощение света листьями салата и его нетто-продуктивность // Биофизика. - 2020. - Т. 65. - № 1. - С. 112-124.Kuleshova T.E. et al. The influence of the spectral properties of the lighting environment on light absorption by lettuce leaves and the net productivity of lettuce // Biophysics. - 2020. - V. 65. - №. 1. - S. 97107.Liu X. et al. Power generation from ambient humidity using protein nanowires //Nature. - 2020. - Т. 578. - №. 7796. - С. 550-554.Liu X. et al. Power generation from ambient humidity using protein nanowires //Nature. - 2020. - T. 578. - №. 7796. - S. 550-554.Калюжный С. В., Федорович В. В. Микробные топливные элементы //Химия и жизнь. - 2007. - №. 5. - С. 36-39.Kalyuzhnyi S. V., Fedorovich V. V. Mikrobnye toplivnye ehlementy //Khimiya i zhizn'. - 2007. - №. 5. - S. 36-39.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.