Влияние параметров электродных систем на генерацию электроэнергии и возможность получения водорода в растительно-микробном топливном элементе

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.

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 Н. 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. 1006- 1011.

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. 1. – №. 4. – С. 163-168.

6. Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1979.—296 с.

7. Новотны Я., Везироглу Т.Н. Влияние водорода на окружающую среду //Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – T. 01-03. – C. 16-24.

8. Дас Д., Везироглу Т.Н. Достижения в области получения водорода биологическим путем // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2017. – Т. 22-24. – С. 83-98.

9. Thauer R. K., Jungermann K., Decker K. Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria //Bacteriological reviews. – 1977. – Т. 41. – №. 1. – С. 100-180.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

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

19. Higinbotham N. Movement of ions and electrogenesis in higher plant cells //American zoologist. – 1970. – Т. 10. – №. 3. – С. 393-403.

20. Опритов В. А., Тятыгин С. С., Ретивин В. Г. Биоэлектрогенез у высших растений. – 1991.

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

22. 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.

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

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

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

29. 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.

30. Panova G. G. et al. Fundamentals of Physical Modeling of “Ideal” Agroecosystems //Technical Physics. – 2020. – Т. 65. – №. 10. – С. 1563-1569.

31. Чесноков В.А., Базырина Е.Н., Бушуева Т.М. Выращивание растений без почвы, Изд. ЛГУ, – 1960.

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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.

36. Медведев С. С. Физиология растений. – БХВ- Петербург, 2013.

37. 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. 95-105

38. 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.

39. 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. 115788