Динамика формирования разности потенциалов в растительной биоэлектрохимической системе в зависимости от расстояния между электродами
Динамика формирования разности потенциалов в растительной биоэлектрохимической системе в зависимости от расстояния между электродами
Аннотация
Рассмотрены варианты биоэлектрохимических систем типа растительно-микробный топливный элемент с различным расположением электродных систем в корнеобитаемой среде для определения оптимального расстояния между катодом и анодом. Измерены динамики формирования разности потенциалов, морфометрические показатели растений и физико-химические показатели (электропроводность, pH) приэлектродных областей в растительных биоэлектрохимических системах на основе салата сорта Тайфун. Из исследованных вариантов расположения электродных систем наибольшее напряжение в БЭС до 400 мВ было получено при размещении верхнего электрода на расстоянии 30 мм от поверхности ячейки и нижнего электрода на расстоянии 30 мм от него.
1. Введение
Принцип работы растительных биоэлектрохимических систем (БЭС) или растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ) – устройств для получения зеленой энергии при выращивании растительной продукции, основан на электрогенных процессах, протекающих в корнеобитаемой среде – окислительно-восстановительных реакциях и диффузии ионов, сопутствующих развитию корневой системы, и окислении ризодепозитов микроорганизмами с образованием углекислого газа, протонов и электронов , .
Эффективность БЭС зависит от совокупности ряда факторов, включающих как электроактивность растений и микроорганизмов , так и влияние внешних параметров – температуры, влажности, состава и структуры корнеобитаемой среды, характеристик световой среды, связанной с интенсивностью фотосинтеза .
Одной из наиболее значимых причин низкой производительности БЭС является высокое сопротивление корнеобитаемой среды, выступающей аналогом электролита в электрохимических устройствах . К возможным путям решения данной проблемы относят подбор электродных систем с высокой удельной поверхностью и изменение расстояния между электродами . В настоящее время в качестве материалов для электродов активно используются углеродные структуры – графитовые войлок, ткань, гранулы, стержень, бумагу, которые обладают развитой поверхностью благоприятной для развития микроорганизмов . При этом оптимальное расположение электродов в БЭС с использованием различных растительных культур с учетом особенностей развития их корневой системы остается до сих пор не выявленным.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании генерации разности потенциалов в корнеобитаемой среде в ходе выращивании культурного растения в условиях различной конфигурации электродных систем в БЭС.
2. Методы и принципы исследования
В качестве фитотест-объекта был выбран салат сорта Тайфун, имеющий развитую корневую систему стержневого типа с множеством боковых ответвлений. Растения выращивали в регулируемых условиях интенсивной светокультуры в вегетационно-облучательной установке с лампами ДНаТ-400 в качестве источников света . Облученность составляла70–75 Вт/м2 в области фотосинтетически активной радиации, световой период 14 часов в сутки, температура воздуха +20−22◦C днем и +18−20◦C ночью, относительная влажность воздуха 65–70%. В качестве корнеобитаемой среды использовали универсальный торфяной грунт Агробалт-С (ООО «Пиндструп», Россия). Влажность субстрата на уровне 60-70% от общей влагоемкости и количество микро- и макроэлементов, необходимых для получения качественной растительной продукции, поддерживали внесением раствора Кнопа .
Разработанная БЭС представляла собой емкость для выращивания растений площадью 70*70 мм2 и высотой 90 мм. Для определения расстояния, на котором наблюдается формирование максимальной разности потенциалов, электроды были размещены на разных уровнях по профилю корнеобитаемой среды (рис. 1):
1) вариант БЭС-4-2 – верхний электрод на глубине 40 мм от поверхности ячейки, нижний электрод на расстоянии 20 мм от него,
2) вариант БЭС-3-3 – 30 мм от поверхности до верхнего электрода и 30 мм между электродами,
3) вариант БЭС-2-4 – верхний электрод на расстоянии 20 мм от поверхности ячейки и нижний электрод в 40 мм от него,
4) вариант БЭС-3-1 – 30 мм от верха емкости до верхнего электрода и 10 мм между электродами,
5) вариант БЭС-3-2 –30 мм от поверхности системы до верхнего электрода и нижний электрод на расстоянии 20 мм от него. Верхний электрод был выполнен из нержавеющей стали, а нижний из графитового войлока.
Рисунок 1 - Схематичное представление экспериментальных БЭС с различным расположением электродов в корнеобитаемой среде
Примечание: 1 – БЭС-4-2 (40 мм от поверхности ячейки до верхнего электрода, 20 мм между электродами); 2 – БЭС-3-3 (30 мм от поверхности до верхнего электрода, 30 мм между электродами); 3 – БЭС-2-4 (20 мм от поверхности до верхнего электрода, 40 мм между электродами); 4 – БЭС-3-1 (30 мм от поверхности до верхнего электрода, 10 мм между электродами); 5 – БЭС-3-2 (30 мм от поверхности до верхнего электрода, 20 мм между электродами)
Измерение pH и электропроводности в приэлектродных областях проводили с помощью pH метра ST20 (OHAUS, Китай) и кондуктометра COM80 (HM Digital, Россия) в водных вытяжках путем разведения 5 г корнеобитаемой среды, взятой с электродов, в 100 мл дистиллированной воды.
3. Основные результаты
Для выявления оптимального расположения электродов в корнеобитаемой среде растений салата измерено изменение разности потенциалов в процессе вегетации при различных расположениях электродов в БЭС (рис. 2). Среднее значение разности потенциалов составило 220 мВ с разбросом в течении вегетационного периода 16 мВ для БЭС-4-2, 315 мВ с разбросом 64 мВ для БЭС-3-3, 253 мВ с разбросом 57 мВ для БЭС-2-4, 234 мВ с разбросом 35 мВ для БЭС-3-1, 229 мВ с разбросом 39 мВ для БЭС-3-2. Максимально наблюдаемое напряжение было 288 мВ для БЭС-4-2, 420 мВ для БЭС-3-3, 405 мВ для БЭС-2-4, 327 мВ для БЭС-3-1, 332 мВ для БЭС-3-2. Наибольшая генерация разности потенциалов была характерна для варианта БЭС-3-3.
Рисунок 2 - Изменение разности потенциалов в корнеобитаемой среде салата в зависимости от расположения электродов в экспериментальной установке
Примечание: 1 – БЭС-3-3; 2 – БЭС-2-4; 3 – БЭС-3-1; 4 – БЭС-3-2; 5 – БЭС-4-2
Таблица 1 - Водородный показатель pH и электропроводность в областях верхнего и нижнего электродов при различных вариантах их расположения в БЭС
Вариант БЭС | pH в верхней приэлектродной области | pH в нижней приэлектродной области | Электропроводность в верхней приэлектродной области, мкСм/см | Электропроводность в нижней приэлектродной области, мкСм/см |
БЭС-4-2 | 6,32±0,08 | 6,54±0,06 | 213±24 | 146±17 |
БЭС-3-3 | 6,25±0,07 | 6,68±0,05 | 240±32 | 137±9 |
БЭС-2-4 | 6,04±0,04 | 6,45±0,07 | 335±21 | 112±15 |
БЭС-3-1 | 6,35±0,08 | 6,55±0,04 | 268±18 | 135±20 |
БЭС-3-2 | 6,40±0,03 | 6,71±0,03 | 267±16 | 161±13 |
Морфометрические показатели салатов в исследованных БЭС были одинаковые – масса растений составила 34.1±1.8 г, высота 17.4±1.0 см, это говорит о том, что расположении электродов в корнеобитаемой среде не повлияло на развитие надземной части. На рисунке 3 представлен ход опыта – развитие салатов в БЭС, подключенных к регистрирующему устройству.
Рисунок 3 - Общий вид экспериментальных вариантов
Примечание: 1 – на 8-ой день; 2 – на 15-ый день; 3 – на 22-ой день эксперимента
4. Обсуждение
Исследованы следующие варианты конфигурации БЭС с различным расположением электродов в корнеобитаемой среде – смещение верхнего электрода относительно поверхности ячейки на 40 мм (БЭС-4-2), 30 мм (БЭС-3-3) и 20 мм (БЭС-2-4) при одинаковом расположении нижнего электрода на расстоянии 30 мм от дна емкости, и изменение положения нижнего электрода на 50 мм (БЭС-3-1) и на 40 мм (БЭС-3-2) от дна ячейки при размещении верхнего электрода на расстоянии 30 мм от поверхности.
Для всех вариантов наблюдалось схожая динамика формирования разности потенциалов в корнеобитаемой среде салата. В первые 3 дня вегетации генерируемое напряжение составляло ~200 мВ и было стационарным. На 4-5 дни наблюдался плавный рост и стабилизация на 10-15 сутки.
Смещение верхнего электрода относительно поверхности емкости с 40 мм на 30 мм при фиксированном нижнем электроде привело к увеличению напряжения в БЭС более чем в 1.5 раза уже на 5-ый день вегетации, а сдвиг еще на 10 мм дальше привел к росту напряжения лишь с 10-ого дня эксперимента. Увеличение расстояния от поверхности ячейки до нижнего электрода (варианты БЭС-3-1 и БЭС-3-2) практически не повлияло на величину и динамику разности потенциалов.
Наличие разности потенциалов в корнеобитаемой среде может быть связано с неравномерным распределением питательных веществ и ионов по профилю и концентрационными эффектами. В целом, рН использованного торфяного субстрата был нейтральным. При этом водородный показатель верхнего электрода для всех вариантов был ниже, чем pH нижнего электрода, что говорит о подщелачивании нижних слоев почвы, вероятно, обусловленным вымыванием водой и накоплением таких элементов, как Са2+, Mg2+ и Na+. В работе было показано, что в БЭС на основе гидропонных систем при использовании графитового войлока в качестве материала для обоих электродов, наоборот, кислотность раствора, которым пропитан верхний электрод, составила 6.6 ± 0.1, а нижнего – 6.1 ± 0.2, что соответствовало наблюдаемой в системе полярности: верхний электрод электроотрицателен, то есть, вероятно, на нем накапливается больше ионов OH-, а нижний электроположителен, так как содержит большее количество H+. Видимо, для почвенной системы, в которой применяются электроды из различного материала, дополнительную роль играют различия в стандартном электродном потенциале, который отличается для металла и углеродного материала. В рассматриваемых БЭС в качестве верхнего электрода использовали нержавеющую сталь, а нижнего – графитовый войлок, при чем верхний электрод всегда был электроотрицателен по отношению к нижнему, из чего следует, что электродный потенциал углеродного материала выше, на нем происходят реакции восстановления, а на нержавеющей стали – окисления.
На основе измеренных показателей также видно, что чем ближе верхний электрод расположен к поверхности корнеобитаемой среды, тем выше pH– на расстоянии 20 мм он составляет 6.0, а на 40 мм – 6.3. Для нижнего электрода различия в водородном показателе на различном расположении от дна емкости менее значительны и лежат в диапазоне 6.5–6.7.
Электропроводность для всех вариантов выше в области верхнего электрода, что, возможно, связано с более интенсивными процессами в области корневой шейки растения. Наибольшая разница в показателях pH – 0.41 и электропроводности – 223 мкСм/см соответствовала варианту с наиболее разнесенным расстоянием между электродами в 40 мм.
5. Заключение
На основе полученных данных о градиенте электрического потенциала, генерируемого в корнеобитаемой среде при выращивании растений салата в условиях защищенного грунта, были выбраны лучшие из исследованных условия расположения электродных систем – верхний электрод на расстоянии 30 мм от поверхности ячейки и нижний электрод на расстоянии 30 мм от него, которые позволили получать напряжение в БЭС на основе салата до 400 мВ.
Возможности использования растительных БЭС включают как фундаментальную значимость с точки зрения установления механизмов биоэлектрогенеза в корнеобитаемой среде, так и практическую ценность для областей биотехнологии и зеленой энергетики – от электроремедиации почв до ресурсосбережения и электропитания датчиков и портативных устройств, а также внедрение в умное сельское хозяйство и осуществление фитомониторинга.