Растительно-микробные топливные элементы на основе неинвазивных электродных систем

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.

1. Strik 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.

2. 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.

3. Deng H., Chen Z., Zhao F. Energy from plants and microorganisms: progress in plant-microbial fuel cells //ChemSusChem. - 2012. - Т. 5. - №. 6. - С. 10061011.

4. Logan B. E. Microbial fuel cells. - John Wiley & Sons, 2008.

5. Bennetto H. P. et al. Electricity generation by microorganisms //Biotechnology education. - 1990. - Т. I. - №. 4. - С. 163-168.

6. Nitisoravut R., Regmi R. Plant microbial fuel cells: A promising biosystems engineering //Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - Т. 76. - С. 81-89.

7. Wetser K. et al. Electricity from wetlands: Tubular plant microbial fuels with silicone gas-diffusion biocathodes //Applied energy. - 2017. - Т. 185. - С. 642-649.

8. 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.

9. Strik D. P. et al. Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms //Trends in biotechnology. - 2011. - Т. 29. - №. 1. - С. 41-49.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Moqsud M. A. et al. Compost in plant microbial fuel cell for bioelectricity generation //Waste Management. - 2015. - Т. 36. - С. 63-69.

15. 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.

16. Кулешова Т.Э., Бушлякова А.В., Галль Н.Р. Неинвазивное измерение биоэлектрических потенциалов растений // Письма в ЖТФ. - 2019. - Т. 45. - №. 5. - С. 6-8.

17. 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.

18. Желтов Ю.И., Панова Г.Г. Патент РФ на полезную модель №108705, Бюл. Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, № 27 (2011).

19. 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.

20. 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.

21. Медведев С. С. Физиология растений. - БХВ-Петербург, 2013.

22. 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.

23. Liu X. et al. Power generation from ambient humidity using protein nanowires //Nature. - 2020. - Т. 578. - №. 7796. - С. 550-554.

24. Калюжный С. В., Федорович В. В. Микробные топливные элементы //Химия и жизнь. - 2007. - №. 5. - С. 36-39.