Влияние гуминовых кислот на генерацию разности потенциалов в биоэлектрохимической системе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изучили возможность повышения электрогенных свойств корнеобитаемой среды за счет использования потенциальных переносчиков электронов – гуминовых кислот. Для этого создана биоэлектрохимическая ячейка, включающая электродные системы, внедряемые в растильни для снятия разности потенциалов, формируемой в процессе развития растений. На примере салата сорта Тайфун определено, что увеличение концентрации ГК в корнеобитаемой среде в 2 раза позволило повысить напряжение на 7–16% от контрольного варианта в зависимости от места их введения. Наилучший результат – более стабильная генерация высокой разности потенциалов уже с ранних периодов вегетации был характерен для варианта с дополнительным внесением ГК в область верхнего электрода – среднее значение напряжения для него составило 418 ± 29 мВ и удельная мощность 0.2 мВт/м2. Исследован ряд физико-химических показателей приэлектродных областей в растительных биоэлектрохимических системах: электропроводность, рН, концентрация гуминовых кислот по окончании вегетационного периода. Выявлена потенциальная электроактивность микроорганизмов в корнеобитаемой среде салата. Показано, что способность гуминовых кислот играть роль редокс-медиатора в биоэлектрохимической системе в значительной степени зависит от места их концентрирования.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

З. А. Гасиева

Агрофизический научно-исследовательский институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: melkii844@gmail.com
Россия, 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14

А. С. Галушко

Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: melkii844@gmail.com
Россия, 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14

Ю. В. Хомяков

Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: melkii844@gmail.com
Россия, 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14

Г. Г. Панова

Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: melkii844@gmail.com
Россия, 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14

Т. Э. Кулешова

Агрофизический научно-исследовательский институт

Email: melkii844@gmail.com
Россия, 195220 Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14

Список литературы

  1. Logan B. Microbial fuel cells. John Wiley & Sons, 2008. 216 р.
  2. McCormick A.J., Bombelli P., Bradley R.W., Thorne R., Wenzel T., Howe C.J. Biophotovoltaics: oxygenic photosynthetic organisms in the world of bioelectrochemical systems // Energy Environ. Sci. 2015. V. 8. № 4. P. 1092–1109.
  3. Strik D.P., Hamelers H.V.M., Snel J.F., Buisman C.J. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell // Inter. J. Energy Res. 2008. V. 32. № 9. P. 870–876.
  4. 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.
  5. Кулешова Т.Э., Галушко А.С., Панова Г.Г., Волкова Е.Н., Apollon W., Shuang C., Sevda S. Биоэлектрохимические системы на основе электроактивности растений и микроорганизмов в корнеобитаемой среде (обзор) // Сел.-хоз. биол. 2022. Т. 57. № 3. С. 425–440.
  6. Maddalwar S., Nayak K.K., Kumar M., Singh L. Plant microbial fuel cell: opportunities, challenges, and prospects // Bioresource Technol. 2021. V. 341. P. 125772.
  7. Ahn Y., Logan B.E. Altering anode thickness to improve power production in microbial fuel cells with different electrode distances // Energy and Fuels. 2013. V. 27. № 1. P. 271–276.
  8. Bond D.R., Lovley D.R. Evidence for involvement of an electron shuttle in electricity generation by Geothrixfermentans // Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71. № 4. P. 2186–2189.
  9. Martinez C.M., Luis H.A. Application of redox mediators in bioelectrochemical systems // Biotechnol. Аdv. 2018. V. 36. № 5. P. 1412–1423.
  10. Wilkinson S., Klar J., Applegarth S. Optimizing biofuel cell performance using a targeted mixed mediator combination // Electroanalysis: Inter. J. Devot. Fundament. Practic. Aspects Electroanal. 2006. V. 18. № 19–20. P. 2001–2007.
  11. Lovley D.R., Fraga J.L., Blunt-Harris E.L., Hayes L.A., Phillips E.J.P., Coates J.D. Humic substances as a mediator for microbially catalyzed metal reduction // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 1998. V. 26. № 3. P. 152–157.
  12. Lovley D., Coates J., Blunt-Harris E., Philips E., Woodward J. Humic substances as electron acceptors for microbial respiration. // Nature. 1996. V. 382. № 6590. P. 445–448.
  13. Zhang C., Katayama A. Humin as an electron mediator for microbial reductive dehalogenation // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. № 12. V. 6575–6583.
  14. Stern N., Mejia J., He S., Yang Y., Ginder-Vogel M., Roden E.E. Dual role of humic substances as electron donor and shuttle for dissimilatory iron reduction // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52. № 10. P. 5691–5699.
  15. Pham D.M., Kasai T., Yamaura M., Katayama A. Humin: No longer inactive natural organic matter // Chemosphere. 2021. V. 269. P. 128697.
  16. Yang P., Jiang T., Cong Z., Liu G., Guo Y., Liu Y., Shi J., Hu L., Yin Y., Cai Y., Jiang G. Loss and increase of the electron exchange capacity of natural organic matter during its reduction and reoxidation: The Role of quinone and nonquinone moieties // Environ. Sci. Technol. 2022. V. 56. № 10. P. 6744–6753.
  17. Scott D.T., McKnight D.M., Blunt-Harris E.L., Kolesar S.E., Lovley D.R. Quinone moieties act as electron acceptors in the reduction of humic substances by humics-reducing microorganisms // Environ. Sci. Technol. 1998. V. 32. № 19. P. 2984–2989.
  18. Walpen N., Getzinger G.J., Schroth M.H., San-der M. Electron-donating phenolic and electron-accepting quinone moieties in peat dissolved organic matter: quantities and redox transformations in the context of peat biogeochemistry // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52. № 9. P. 5236–5245.
  19. Stevenson F.J. Humus chemistry: genesis, composition, reactions. John Wiley & Sons, 1994.
  20. Sun J., Li W., Li Y., Hu Y., Zhang Y. Redox mediator enhanced simultaneous decolorization of azo dye and bioelectricity generation in air-cathode microbial fuel cell // Bioresour. Technol. 2013. V. 142. P. 407–414.
  21. Thygesen A., Poulsen F.W., Min B., Angelidaki I., Thomsen A.B. The effect of different substrates and humic acid on power generation in microbial fuel cell operation // Bioresour. Technol. 2009. V. 100. № 3. P. 1186–1191.
  22. Чесноков В.А., Базырина Е.Н., Бушуева Т.М. Выращивание растений без почвы. Л.: Изд-во ЛГУ, 1960. 170 с.
  23. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса: Учеб. пособ. для студ.-почвовед. ун-тов и сел.-хоз. ин-тов. М.: Изд-во МГУ, 1981. 272 с.
  24. Ширшова Л.Т., Гиличинский Д.А., Остроумова Н.В., Ермолаев А.М. Применение спектрофотометрии для определения содержания гуминовых веществ в многолетнемерзлых отложениях // Криосфера Земли. 2015. Т. 19. № 4. С. 107–113.
  25. Кулешова Т.Э., Панова Г.Г., Галль Н.Р., Галушко А.С. Концентрационный элемент на основе электрогенных процессов в корнеобитаемой среде // Письма в журн. техн. физики. 2022. Т. 48. № 8. С. 29–32.
  26. Кулешова Т.Э., Галль Н.Р. Динамика биоэлектрического потенциала в прикорневой зоне растений при поливах // Почвоведение. 2021. № 3. С. 338–346.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Калибровочная кривая для определения содержания гуминовых кислот в субстрате (оптическая плотность при длине волны 465 нм – среднее 2-х точек).

Скачать (95KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Динамика разности потенциалов в корнеобитаемой среде в БЭС различного состава, варианты: (а) – БЭС-К (контроль без растений), (б) – БЭС-Р (с салатом сорта Тайфун), (в) – БЭС-ГК (с внесенными в субстрат ГК), (г) – БЭС-ГКв (с добавленными ГК в верхнюю приэлектродную область), (д) – БЭС-ГКн (с внесенными ГК в область нижнего электрода). То же на рис. 3.

Скачать (197KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость мощности БЭС от подключаемой нагрузки.

Скачать (311KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024