Dynamics of Potential Difference Formation in Plant Bioelectrochemical System, Depending on the Distance between Electrodes

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.38.11
Issue: № 10 (38), 2023
Suggested:
22.09.2023
Accepted:
03.10.2023
Published:
19.10.2023
465
10
XML
PDF

Abstract

The variants of bioelectrochemical systems of plant-microbial fuel element type with different arrangement of electrode systems in the root habitat to determine the optimal distance between the cathode and anode were examined. The dynamics of potential difference formation, morphometric parameters of plants and physico-chemical parameters (conductivity, pH) of the pre-electrode areas in plant bioelectrochemical systems based on lettuce of the Typhoon variety were measured. Of the studied variants of electrode system arrangement, the highest BEC voltage up to 400 mV was obtained when the upper electrode was placed at a distance of 30 mm from the cell surface and the lower electrode at a distance of 30 mm from it.

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.

Схематичное представление экспериментальных БЭС с различным расположением электродов в корнеобитаемой среде

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)

Мониторинг изменения разности потенциалов в БЭС проводился с помощью аппаратной платформы Arduino
, регистрация значений производилась каждые 15 минут в течение вегетационного периода.

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.

Изменение разности потенциалов в корнеобитаемой среде салата в зависимости от расположения электродов в экспериментальной установке

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

Для определения концентрационного распределения ионов по профилю корнеобитаемой среды были измерены pH и электропроводность (табл. 1) приэлектродных областей на разной глубине корнеобитаемой среды.

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.

Общий вид экспериментальных вариантов

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.

Article metrics

Views:465
Downloads:10
Views
Total:
Views:465