alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2022.01.032-051alternative-2118Research ArticleI. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. 7. Нетрадиционные источники возобновляемой энергииI. RENEWABLE ENERGY. 7. Unconventional sources of renewed energyВлияние параметров электродных систем на генерацию электроэнергии и возможность получения водорода в растительно-микробном топливном элементеInfluence of the electrode systems parameters on the electricity generation and the possibility of hydrogen production in a plant-microbial fuel cellКулешоваТ. Э.KuleshovаT. E.

Кулешова Татьяна Эдуардовна – к.ф.-м.н., научный сотрудник Агрофизического научно- исследовательского института; научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14;194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26

Kuleshova Tatiana Eduardovna – candidate of physical and mathematical sciences, Researcher Ioffe Institute, Researcher Agrophysical Research Institute

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14; 194021, St. Petersburg, Politekhnicheskaya, 26

 

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

Иванова Александра Геннадьевна  –  к.х.н., и.о. зав. лаборатории неорганического синтеза, в.н.с. 

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2

 

Ivanova Alexandra Gennadevna – PhD in Chemistry, Acting head of Laboratories of Inorganic Synthesis, Leading Researcher.

199034, St. Petersburg, Makarova, 2

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

Галушко Александр Сергеевич – к.б.н., в.н.с.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14

Galushko Alexander Sergeevich – candidate of biological sciences, leading researcher

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14

КручининаИ. Ю.KruchininaI. Yu.

Кручинина Ирина Юрьевна – д.т.н., Директор института

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2

Kruchinina Irina Yurievna – Doctor of Technical Sciences, Director of the Institute 

199034, St. Petersburg, Makarova, 2

ШиловаО. А.ShilovaO. A.

Шилова Ольга Алексеевна – д.х.н., г.н.с., Академик всемирной академии керамики, профессор

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2

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

199034, St. Petersburg, Makarova, 2

УдаловаО. Р.UdalovaO. R.

Удалова Ольга Рудольфовна  – к.с.-х.н., в.н.с., зав. cектором 

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14

Udalova Olga Rudolfovna – candidate of agricultural sciences, Leading Researcher, head of sector

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14

ЖестковА. С.ZhestkovA. S.

Жестков Алексей Сергеевич – вед. инженер

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14

Zhestkov Alexey Sergeevich – Lead Engineer 

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14

ПановаГ. Г.PanovaG. G.

Панова Гаянэ Геннадьевна – к.б.н., в.н.с., зав. отделом 

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14

Panova Gayane Gennadievna – candidate of biological sciences, Leading Researcher, head of Department

195220, St. Petersburg, Grazhdansky prospekt, 14

ГалльН. Р.GallN. R.

Галль Николай Ростиславович – д.ф.-м.н., зав.лаб. 

194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26

Gall Nikolay Rostislavovich – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, head of laboratory 

194021, St. Petersburg, Politekhnicheskaya, 26

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наукРоссияAgrophysical Research Institute; Ioffe InstituteRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии 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 Российской академии наукРоссияin Ioffe InstituteRussian Federation202207042022013251Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20222022Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2118

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 выполнены из различных углеродных материалов и нержавеющей стали. Созданные экспериментальные РМТЭ способны генерировать напряжения на уровне 230 мВ в почвенных системах и 150 мВ в гидропонных. Выходная мощность РМТЭ на основе почвогрунта составила порядка 50 мВт/м2 при нагрузке 10 кОм, которая не вызывала значительных отклонений в состоянии растений. Рассчитанный возможный выход водорода с 1 м3 корнеобитаемой среды составил 0,2 ммоль в течении суток. РМТЭ может стать перспективным источником зеленой энергии, комбинированным с производственными процессами получения растительной продукции и молекулярного водорода.

The work is devoted to the creation of plant-microbial fuel cells (PMFC). A design of a cell for PMFC has been developed, which makes it possible to study the effect of the configuration and material of electrode systems on the values of bioelectric potentials (BEP) generated in the system root environment-plant. The possibility of using the developed technology for measuring BEP to create long-term plant-microbial fuel cells based on the use of plants electrical activity as an electromotive force is shown. The electrodes are made of various carbon materials and stain- less steel. The created experimental PMFCs are capable of generating voltages at the level of 230 mV in soil systems and 150 mV in hydroponic ones. The output power was about 50 mW/m2 at a load of 10 kΩ, which did not cause sig- nificant deviations in the condition of the plants. The calculated possible yield of hydrogen per m3 of the root envi- ronment was 0.4 mmol during the day. Thus, PMFC can become a promising source of green energy that can be combined with significant production processes for obtaining plant products or hydrogen.

растительно-микробный топливный элементбиоэлектрический потенциалграфитовые электродысвето- вая конверсиязеленая энергияэлектрохимически активные бактерииplant-microbial fuel cellbioelectric potentialgraphite electrodeslight conversiongreen energyelectrochemically active bacteriaИсследования частично выполнялись за счёт гранта РФФИ № 20-03-00938 А и гранта Президен- та Российской Федерации для государственной под- держки молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-4397.2022.5).ReferencesStrik 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.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 Н. 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 //Teoretcheskaya 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. 1006- 1011.Deng H., Chen Z., Zhao F. Energy from plants and microorganisms: progress in plant–microbial fuel cells //ChemSusChem. – 2012. – T. 5. – №. 6. – S. 1006- 1011.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. 1. – №. 4. – С. 163-168.Bennetto H. P. et al. Electricity generation by microorganisms //Biotechnology education. – 1990. – T. 1. – №. 4. – S. 163-168.Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1979.—296 с.Mel'nikov P. S. Spravochnik po gal'vanopokrytiyam v mashinostroenii. — M.: Mashinostroenie, 1979.—296 s.Новотны Я., Везироглу Т.Н. Влияние водорода на окружающую среду //Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – T. 01-03. – C. 16-24.Nowotny J., Veziroglu T.N. Impact of hydrogen on the environment //Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). –2019. – Т. 01-03. – С. 16-24. (In Russ.)Дас Д., Везироглу Т.Н. Достижения в области получения водорода биологическим путем // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2017. – Т. 22-24. – С. 83-98.Das D., Veziroglu T.N. Advances in biological hydrogen production processes //Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017. – Т. 22-24. – С. 83-98. (In Russ.)Thauer R. K., Jungermann K., Decker K. Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria //Bacteriological reviews. – 1977. – Т. 41. – №. 1. – С. 100-180.Thauer R. K., Jungermann K., Decker K. Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria //Bacteriological reviews. – 1977. – T. 41. – №. 1. – S. 100-180.Sharma Y, Li B. Optimizing hydrogen production from organic wastewater treatment in batch reactors through experimental and kinetic analysis //Int J Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34(15). – P. 6171–80.Sharma Y, Li B. Optimizing hydrogen production from organic wastewater treatment in batch reactors through experimental and kinetic analysis //Int J Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34(15). – P. 6171–80.Logan BE, Oh SE, Kim IS, Van Ginkel S. Biological hydrogen production measured in batch anaerobic respirometers //Environ Sci Technol. – 2002. – V. 36(11). – P. 2530–5.Logan BE, Oh SE, Kim IS, Van Ginkel S. Bio- logical hydrogen production measured in batch anaerobic respirometers //Environ Sci Technol. – 2002. – V. 36(11). – P. 2530–5.Wang A., Sun D., Cao G., Wang H., Ren N., Wu W. M., Logan B. E. Integrated hydrogen production process from cellulose by combining dark fermentation, microbial fuel cells, and a microbial electrolysis cell //Bioresource Technology. – 2011. – Т. 102. – №. 5. – С. 4137-4143.Wang A., Sun D., Cao G., Wang H., Ren N., Wu W. M., Logan B. E. Integrated hydrogen production process from cellulose by combining dark fermentation, microbial fuel cells, and a microbial electrolysis cell //Bioresource Technology. – 2011. – T. 102. – №. 5. – S. 4137-4143.Oh S. E., Logan B. E. Hydrogen and electricity production from a food processing wastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies //Water research. – 2005. – V. 39. – №. 19. – P. 4673-4682.Oh S. E., Logan B. E. Hydrogen and electricity production from a food processing wastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies //Water research. – 2005. – V. 39. – №. 19. – P. 4673-4682.Sharma Y., Li B. Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC) //International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Т. 35. – №. 8. – С. 3789-3797.Sharma Y., Li B. Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC) //International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – T. 35. – №. 8. – S. 3789-3797.Chu C. Y., Tung L., Lin C. Y. Effect of substrate concentration and pH on biohydrogen production kinetics from food industry wastewater by mixed culture //International journal of hydrogen energy. – 2013. – Т.38. – №. 35. – С. 15849-15855.Chu C. Y., Tung L., Lin C. Y. Effect of substrate concentration and pH on biohydrogen production kinetics from food industry wastewater by mixed culture //International journal of hydrogen energy. – 2013. – T. 38. – №. 35. – S. 15849-15855.Wan, L. L., Li, X. J., Zang, G. L., Wang, X., Zhang, Y. Y., & Zhou, Q. X. A solar assisted microbial electrolysis cell for hydrogen production driven by a microbial fuel cell //RSC advances. – 2015. – Т. 5. – №. 100. – С. 82276-82281.Wan, L. L., Li, X. J., Zang, G. L., Wang, X., Zhang, Y. Y., & Zhou, Q. X. A solar assisted microbial electrolysis cell for hydrogen production driven by a microbial fuel cell //RSC advances. – 2015. – T. 5. – №. 100. – S. 82276-82281.Apollon W., Rusyn I., González-Gamboa N., Kuleshova T., Luna-Maldonado A.I., Vidales-Contreras J.A., Kamaraj S.K. Improvement of zero waste sustainable recovery using microbial energy generation systems: A comprehensive review //Science of The Total Environment. – 2022. – С. 153055.Apollon W., Rusyn I., González-Gamboa N., Kuleshova T., Luna-Maldonado A.I., Vidales-Contreras J.A., Kamaraj S.K. Improvement of zero waste sustaina- ble recovery using microbial energy generation systems: A comprehensive review //Science of The Total Envi- ronment. – 2022. – S. 153055.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.Higinbotham N. Movement of ions and electrogenesis in higher plant cells //American zoologist. – 1970. – Т. 10. – №. 3. – С. 393-403.Higinbotham N. Movement of ions and electrogenesis in higher plant cells //American zoologist. – 1970. – T. 10. – №. 3. – S. 393-403.Опритов В. А., Тятыгин С. С., Ретивин В. Г. Биоэлектрогенез у высших растений. – 1991.Opritov V. A., Tyatygin S. S., Retivin V. G. Bioehlektrogenez u vysshikh rastenii. – 1991.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. 151- 157.Wetser K. et al. Electricity generation by a plant microbial fuel cell with an integrated oxygen reducing biocathode //Applied energy. – 2015. – T. 137. – S. 151- 157.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. 115- 121.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. 115- 121.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 Tech- nol. – 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. 2013Moqsud 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 растительно- микробном 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 top- livnom ehlemente //Biotekhnologiya i obshchestvo v XXI veke. – 2015. – S. 429-431.Panova G. G. et al. Fundamentals of Physical Modeling of “Ideal” Agroecosystems //Technical Physics. – 2020. – Т. 65. – №. 10. – С. 1563-1569.Panova G. G. et al. Fundamentals of Physical Modeling of “Ideal” Agroecosystems //Technical Phys- ics. – 2020. – T. 65. – №. 10. – S. 1563-1569.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 rastenii bez pochvy, Izd. LGU, – 1960.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.Tou I., Azri Y.M., Sadi M., Lounici H., Kebbouche-Gana S. Chlorophytum microbial fuel cell characterization //International Journal of Green Energy. – 2019. – Т. 16. – №. 12. – С. 947-959.Tou I., Azri Y.M., Sadi M., Lounici H., Kebbouche-Gana S. Chlorophytum microbial fuel cell characterization //International Journal of Green Energy. – 2019. – T. 16. – №. 12. – S. 947-959.Kuleshova T. E., Bushlyakova A. V., Gall N. R. Noninvasive measurement of bioelectric potentials of plants //Technical Physics Letters. – 2019. – Т. 45. – №. 3. – С. 190-192.Kuleshova T. E., Bushlyakova A. V., Gall N. R. Noninvasive measurement of bioelectric potentials of plants //Technical Physics Letters. – 2019. – T. 45. – №.3. – S. 190-192.Kuleshova T. E., Gall N. R. Dynamics of Bioelectric Potential in the Root Zone of Plants during Irrigation //Eurasian Soil Science. – 2021. – Т. 54. – №. 3. – С. 381-388.Kuleshova T. E., Gall N. R. Dynamics of Bioelectric Potential in the Root Zone of Plants during Irrigation //Eurasian Soil Science. – 2021. – T. 54. – №. 3. – S. 381-388.Медведев С. С. Физиология растений. – БХВ- Петербург, 2013.Medvedev S. S. Fiziologiya rastenii. – BKHV- Peterburg, 2013.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. – Т. 65. – №. 1. – С. 95-105Kuleshova 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. – T. 65. – №. 1. – S. 95- 105.Kabutey F.T., Zhao Q., Wei L., Ding J., Antwi P., Quashie F.K., Wang W., An overview of plant microbial fuel cells (PMFCs): Configurations and applications. //Renew. Sustain. Energy Rev. – 2019. – V. 110. – P. 402–414.Kabutey F.T., Zhao Q., Wei L., Ding J., Antwi P., Quashie F.K., Wang W., An overview of plant microbial fuel cells (PMFCs): Configurations and applica- tions. //Renew. Sustain. Energy Rev. – 2019. – V. 110. – P. 402–414.Apollon W., Kamaraj S.K., Silos-Espino H., Per- ales-Segovia C., Valera-Montero L.L., Maldonado- Ruelas V.A., Gómez-Leyva J.F. Impact of Opuntia spe- cies plant bio-battery in a semi-arid environment: Demonstration of their applications //Appl Energy. – 2020. – V. 279: – P. 115788Apollon W., Kamaraj S.K., Silos-Espino H., Perales-Segovia C., Valera-Montero L.L., Maldonado- Ruelas V.A., Gómez-Leyva J.F. Impact of Opuntia spe- cies plant biobattery in a semi-arid environment: Demonstration of their applications //Appl Energy. – 2020. – V. 279: – P. 115788.

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