Effect of Humic Acids on the Generation of Potential Differences in a Bioelectrochemical System

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The possibility of increasing the electrogenic properties of the root environment through the use of potential electron carriers, humic acids (HA), was studied. For this purpose, a bioelectrochemical cell has been created, including electrode systems introduced into the planters to remove the potential difference formed during the development of plants. Using the example of Typhoon lettuce, it was determined that an increase in the concentration of HA in the root environment by 2 times allowed to increase the voltage by 7–16% of the control variant, depending on the place of their introduction. The best result – a more stable generation of a high potential difference from the early periods of vegetation was typical for the variant with addition of HA to the upper electrode area – the average voltage value for it was 418 ± 29 mV and a specific power of 0.2 MW/m2. A number of physicochemical parameters of near-electrode regions in plant bioelectrochemical systems have been studied: electrical conductivity, pH, concentration of humic acids at the end of the growing season. The potential electroactivity of microorganisms in the root environment of lettuce has been revealed. It is shown that the ability of humic acids to play the role of a redox mediator in a bioelectrochemical system largely depends on the place of their concentration.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Z. Gasieva

Agrophysical Research Institute

Autor responsável pela correspondência
Email: melkii844@gmail.com
Rússia, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

A. Galushko

Agrophysical Research Institute

Email: melkii844@gmail.com
Rússia, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

Yu. Khomyakov

Agrophysical Research Institute

Email: melkii844@gmail.com
Rússia, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

G. Panova

Agrophysical Research Institute

Email: melkii844@gmail.com
Rússia, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

T. Kuleshova

Agrophysical Research Institute

Email: melkii844@gmail.com
Rússia, Grazhdansky prosp. 14, St. Petersburg 195220

Bibliografia

  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.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. Calibration curve for determining the content of humic acids in the substrate (optical density at a wavelength of 465 nm is the average of 2 points).

Baixar (95KB)
Metadados
3. Fig. 2. Dynamics of the potential difference in the root–inhabited environment in BES of various compositions, options: (a) - BES–K (control without plants), (b) - BES–R (with Typhoon lettuce), (c) - BES-GC (with added GC to the substrate), (d) – BES-GCv (with added GC to the upper electrode region), (e) – BES-GCn (with added GC to the lower electrode region). The same is shown in Fig. 3.

Baixar (197KB)
Metadados
4. Fig. 3. The dependence of the power of the power plant on the connected load.

Baixar (311KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © The Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».