Газовый состав в приэлектродных областях биоэлектрохимических систем на основе электрогенных свойств корнеобитаемой среды томата

Работа посвящена комплексному исследованию свойств растительных биоэлектрохимических систем (БЭС), включая как электрогенные характеристики и мониторинг изменения газового состава приэлектродных зон, так и фотосинтетические, биохимические и морфологические параметры получаемой растительной продукции. В качестве тест-объекта выбраны томаты и три различные системы выращивания – с использованием технологии панопоники, торфяного субстрата и дерново-подзолистой супесчаной почвы. Напряжение БЭС с использованием питательного раствора составило 35-180 мВ, торфа – 160-430 мВ, почвы – 160-590 мВ в зависимости от стадии развития растений. Содержание углекислого газа в приэлектродных областях БЭС было повышено в среднем более чем в 5 раз. Обнаружено увеличение количества содержания водорода на 40% по сравнению с воздухом в БЭС на основе торфа. Идентифицировано присутствие соединений с m/z=56 и m/z=64 в газовой составляющей приэлектродных зон. Показано, что лучшими фотосинтетическими характеристиками и большей урожайности обладали томаты, выращенные в БЭС с почвой. Перспективы применения БЭС лежат в области возобновляемой энергетики, автономного автоматизированного агропроизводства и умного сельского хозяйства.

1. . Logan B. Microbial fuel cells / B. Logan.: John Wiley & Sons, 2008. – 199 p.

2. . McCormick A.J. Biophotovoltaics: oxygenic photosynthetic organisms in the world of bioelectrochemical systems / A.J. McCormick [et al] // Energy & Environmental Science. – 2015 – V. 8. – №. 4. – P. 1092-1109. DOI: 10.1039/C4EE03875D.

3. . Strik D.P. Electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell / D.P. Strik [et al] // International Journal of Energy Research. – 2008 – V. 32. – №. 9. – P. 870-876. DOI: 10.1002/er.1397.

4. . Chen B.Y. Reduction of carbon dioxide emission by using microbial fuel cells during wastewater treatment / B.Y. Chen [et al] //Aerosol and Air Quality Research. – 2013 – Т. 13. – №. 1. – P. 266-274. DOI: 10.4209/aaqr.2012.05.0122.

5. . Zaybak Z. Enhanced start-up of anaerobic facultatively autotrophic biocathodes in bioelectrochemical systems / Z. Zaybak [et al] //Journal of biotechnology. – 2013. – Т. 168. – №. 4. – С. 478-485. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2013.10.001.

6. . Wang X. Sequestration of CO2 discharged from anode by algal cathode in microbial carbon capture cells (MCCs) / X. Wang [et al] //Biosensors and Bioelectronics. – 2010. – Т. 25. – №. 12. – P. 2639-2643. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2013.10.001.

7. . Cheng S. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis / S. Cheng [et al] /Environmental science & technology. – 2009. – Т. 43. – №. 10. – P. 3953-3958. DOI: 10.1021/es803531g.

8. . Ceballos-Escalera A. Bioelectrochemical systems for energy storage: A scaled-up power-to-gas approach / A. Ceballos-Escalera [et al] //Applied energy. – 2020. – V. 260. – P. 114-138. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.114138.

9. . Oh S.E. Hydrogen and electricity production from a food processing wastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies / S.E. Oh, B.E. Logan //Water research. – 2005. – Т. 39. – №. 19. – С. 4673-4682. DOI: 10.1016/j.watres.2005.09.019.

10. . Rozendal R.A. Principle and perspectives of hydrogen production through biocatalyzed electrolysis / Rozendal R.A. [et al] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2006. –V. 31. – № 12. – P. 1632-1640. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2005.12.006.

11. . Rozendal R.A. Efficient hydrogen peroxide generation fromorganic matter in a bioelectrochemical system / Rozendal R.A. [et al] // Electrochemistry Communications. – 2009 – V. 11. – № 9. – P. 1752–1755. DOI: 10.1016/j.elecom.2009.07.008.

12. . Nevin K.P. Microbial electrosynthesis: feeding microbes electricity to convert carbon dioxide and water to multicarbon extracellular organic compounds/ K.P. Nevin [et al] // mBio – 2010 – V. 1. – № 2. DOI: 10.1128/mbio.00103-10 .

13. . Steinbusch K.J.J. Bioelectrochemical ethanol production through mediated acetate reduction by mixed cultures / K.J.J. Steinbusch [et al]// Environmental Science and Technology, – 2010. – V. 44. – № 1 – P. 513–517, DOI: 10.1021/es902371e.

14. . Kuntke P. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell / P. Kuntke // Water Research – 2012. – V. 46 – № 8 – P. 2627–2636. DOI: 10.1016/j.watres.2012.02.025.

15. . Choi O. Butyrate production enhancement by Clostridium tyrobutyricum using electron mediators and a cathodic electron donor / O. Choi, Y. Um, B.-I. Sang // Biotechnology and Bioengineering. – 2012. – V. 109. – № 10. – P. 2494–2502. DOI: 10.1002/bit.24520.

16. . van Eerten-Jansen M.C. Bioelectrochemical production of caproate and caprylate from acetate by mixed cultures / M.C. van Eerten-Jansen [et al] // Sustainable Chemistry and Engineering – 2013. – V. 1 – № 5. – P. 513–518. DOI: 10.1021/sc300168z.

17. . Saravanan A. Microbial electrolysis cells and microbial fuel cells for biohydrogen production: Current advances and emerging challenges / A. Saravanan [et al] //Biomass Conversion and Biorefinery. – 2020. – Т. 1. – №. 5. – С. 513-518. DOI: 1-21.10.1021/sc300168z.

18. . Gupta P. Design of a microbial fuel cell and its transition to microbial electrolytic cell for hydrogen production by electrohydrogenesis / P. Gupta [et al] // Indian journal of experimental Biology. – 2013. – V. 51. – P. 860-865. DOI: nopr.niscpr.res.in/handle/123456789/21455.

19. . Sharma Y. Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC) / Y. Sharma B. Li //International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – V. 35. – №. 8. – P. 3789-3797. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.01.042.

20. . Logan B.E. Biologically extracting energy from wastewater: biohydrogen production and microbial fuel cells / B.E. Logan // Environ. Sci. Technol. – 2004. – Т. 38. – №. 9. – С. 160-167.

21. . Clemens J. Mitigation of greenhouse gas emissions by anaerobic digestion of cattle slurry / J. Clemens [et al] //Agriculture, ecosystems & environment. – 2006. – Т. 112. – №. 2-3. – С. 171-177. DOI: 10.1016/j.agee.2005.08.016.

22. . Liu Q. Multiple syntrophic interactions drive biohythane production from waste sludge in microbial electrolysis cells / Q. Liu [et al] // Biotechnol. Biofuels. – 2016. – Т. 9. – С. 1-10. DOI: 10.1186/s13068-016-0579-x.

23. . Noori M.T. Fundamentals and recent progress in bioelectrochemical system assisted biohythane production / M.T. Noori, B. Min // Bioresource Technology. – 2022. DOI: 10.1016/j.biortech.2022.127641.

24. . Luo S. Onset Investigation on Dynamic Change of Biohythane Generation and Microbial Structure in Dual-chamber versus Single-chamber Microbial Electrolysis Cells / S. Luo [et al] // Water Res. – 2021. – V. 201. DOI: 10.1016/j.watres.2021.117326.

25. . Aelterman P. Continuous electricity generation at high voltages and currents using stacked microbial fuel cells / P. Aelterman [et al] // Environ. Sci. Technol. – 2006. – Т. 40. – №. 10. – P. 3388-3394. DOI: 10.1021/es0525511.

26. . Panova G.G. Fundamentals of physical modeling of “ideal” agroecosystems / Panova G.G. [et al] // Tech. Phys. – 2020. – V. 65. – P. 1563-1569. DOI: 10.1134/S1063784220100163.

27. . Панова Г.Г. Научно-технические основы круглогодичного получения высоких урожаев качественной растительной продукции при искусственном освещении / Г.Г. Панова // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2015 – № 4. – С. 17-21.

28. . Бойцова Л.В. Биологические свойства, общее и лабильное органическое вещество дерновоподзолистой супесчаной почвы при применении минеральной системы удобрения / Л.В. Бойцова // Агрофизика. – 2014. – Т. 2. – №. 14. – С. 8-15.

29. . Кулешова Т.Э. Концентрационный элемент на основе электрогенных процессов в корнеобитаемой среде / Т.Э. Кулешова [и др.] // Письма в Журнал технической физики. – 2022. – Т. 48. – № 8. – С. 29-32. DOI: 10.21883/PJTF.2022.08.52363.19066.

30. . Кулешова Т.Э. Влияние параметров электродных систем на генерацию электроэнергии и возможность получения водорода в растительно-микробном топливном элементе / Т.Э. Кулешова [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. – 2022. – № 1 – С. 32-51. DOI: 10.15518/isjaee.2022.01.032-051.

31. . Кузьмин А.Г. Малогабаритные квадрупольные масс-спектрометры для анализа состава газовых сред в медицине и экологии / А.Г. Кузьмин, Ю.А. Титов //Вакуумная техника и технология. – 2015. – Т. 25. – №. 2. – С. 35-36.

32. . Sims D.A. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages / D.A. Sims, J.A. Gamon // Remote sensing of environment. 2002. – V. 81. – №. 2-3. – P. 337-354. DOI: 10.1016/S0034-4257(02)00010-X.

33. . Peñuelas J. The reflectance at the 950–970 nm region as an indicator of plant water status / J. Peñuelas [et al] // International journal of remote sensing. 1993. – V. 14. – №. 10. – P. 1887-1905. DOI: 10.1080/01431169308954010.

34. . Gamon J.A. The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels / J.A. Gamon, L. Serrano, J.S. Surfus // Physiol. Comp. Oecol. – 1997. – V. 112. – P. 492-501. DOI: 10.1007/s004420050337.

35. . MINI-PAM Photosynthesis Yield Analyzer Manual. Edition 3. – М.: Heinz Walz GmbH, 2018. – 197 p.

36. . Ермаков А.И. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков. – М.: Агропромиздат, 1987. – 429 с.

37. . Методические указания по определению нитратов и нитритов в продукции растениеводства. – М.: МЗ РСФСР, 1990. – 49 с.

38. . Скурихин И.М., Тутельян В.А. Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов / И.М. Скурихин, В.А. Тутельян. – М.: Изд-во Медицина, 1998. – 342 с.