The “Doctor Robik 109” complex biopreparation as a bioagent for utilizing aquatic plant phytomass in biofuel cells

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The paper demonstrates the possibility of using the “Doctor Robik 109” complex microbiological preparation (OOO VIPEKO, Russia), applied in cesspools and sewage caissons, for obtaining electric current in biofuel elements during the utilization of the Ulothrix sp., Spirogyra sp., Elodea canadensis aqueous plant phytomass. The kinetics of electrical parameters of the studied biofuel cells was characterized by a steady and prolonged growth – for at least 30 days. This may be associated with the slow transformation of the used substrate by microorganisms, which additionally ensures the long-term operation of biofuel cells on their basis. In Spirogira sp. biofuel cells, the biological preparation generated the voltage (broken circuit mode) and current strength (short circuit mode) equal up to 746mV and 1745 A, respectively. In Ulothrix sp. biofuel cells, these values comprised 360 mV and 1120 μA for a 25-day period, respectively. When using a E. canadensis substrate, the studied bioagent microorganisms generated the voltage and current of up to 643 mV and 568 μA during a 25-day period, respectively. An increase in the electrical parameters of biofuel cells, which were based on the studied biological preparation and the phytomass of higher aquatic plants and algae, was accompanied by an increase in the number of viable microorganism cells and a decrease in the plant biomass. Since phytomass growth is activated by the phytoremediation measures of additional wastewater treatment or during the eutrophication of water bodies, the proposed method for applying aquatic plants in biofuel cells represents a promising approach to utilizing excess phytomass.

Sobre autores

D. Stom

Irkutsk State University; Baikal Museum of the SB RAS; Irkutsk National Research Technical University

Email: stomd@mail.ru

G. Zhdanova

Irkutsk State University

Email: zhdanova86@ya.ru

N. Yudina

Tula State University

Email: tysia21-05-90@mail.ru

S. Alferov

Tula State University

Email: chem@tsu.tula.ru

A. Chesnokova

Irkutsk National Research Technical University

Email: chesnokova@istu.edu

M. Tolstoy

Irkutsk National Research Technical University

Email: tolstoi@istu.edu

A. Kupchinsky

Baikal Museum of the SB RAS

Email: albor67@mail.ru

M. Saksonov

Irkutsk State University

Email: msaksonov@mail.ru

S. Zakarchevskiy

Irkutsk National Research Technical University

Email: serzh94lan@mail.ru

T. Enkhdul

Mongolian State University

Email: enkhdult@gmail.com

A. Franzetti

University of Milano – Bicocca

Email: andrea.franzetti@unimib.it

M. Rahimnejad

Babol Noshirvani University of Technology

Email: Rahimnejad_mostafa@yahoo.com

Bibliografia

  1. Bhagowati B., Ahamad K. U. A review on lake eutrophication dynamics and recent developments in lake modeling // Ecohydrology & Hydrobiology. 2019. Vol. 19, no. 1. P. 155–166. https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2018.03.002.
  2. Kobanova G. I., Takhteev V. V., Rusanovskaya O. O., Timofeyev M. A. Lake Baikal ecosystem faces the threat of eutrophication // International Journal of Ecology. 2016. Vol. 2016. P. 1–8. http://dx.doi.org/10.1155/2016/6058082.
  3. Kai W. U., Xuzhou M. A., Youcheng W., Wu W., Yuelin L. Effect of three water plants decomposition on water quality // Journal of Shanghai Ocean University. 2016. Vol. 25, no. 5. P. 726–734.
  4. Tang J.-Y., Cao P.-P., Xu Ch., Liu M.-S. Effects of aquatic plants during their decay and decomposition on water quality // Ying Yong Sheng Tai Xue Bao. 2013. Vol. 24, no. 1. Р. 83–89.
  5. Timoshkin O. A., Samsonov D. P., Yamamuro M., Moore M. V., Belykh O. I., Malnik V. V., et al. Rapid ecological change in the coastal zone of Lake Baikal (East Siberia): Is the site of the world's greatest freshwater biodiversity in danger? // Journal of Great Lakes Research. 2016. Vol. 42, no. 3. P. 487–497. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2016.02.011.
  6. Kravtsova L. S., IzhboldinaIgor L. A., Khanaev I. V., Pomazkina G. V., Rodionova E. V., Domysheva V. M., et al. Nearshore benthic blooms of filamentous green algae in Lake Baikal // Journal of Great Lakes Research. 2014. Vol. 40, no. 2. P. 441– 448. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2014.02.019.
  7. Khanaev I. V., Kravtsova L. S., Maikova O. O., Bukshuk N. A., Sakirko M. V., Kulakova N. V., Butina T. V., et al. Current state of the sponge fauna (Porifera: Lubomirskiidae) of Lake Baikal: Sponge disease and the problem of conservation of diversity // Journal of Great Lakes Research. 2018. Vol. 44, no. 1. P. 77– 85. https://doi.org/10.1016/j.jglr.2017.10.004.
  8. Malaviya P., Singh A., Anderson T. A. Aquatic phytoremediation strategies for chromium removal // Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 2020. Vol. 19. Р. 897–944. https://doi.org/10.1007/s11157-020-09552-y.
  9. Delgado-González C. R., Madariaga-Navarrete A., Fernández-Cortés J. M., Islas-Pelcastre M., Oza G., Iqbal H. M. N., et al. Advances and applications of water phytoremediation: a potential biotechnological approach for the treatment of heavy metals from contaminated water // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. Vol. 18, no. 10. Р. 5215. https://doi.org/10.3390/ijerph18105215.
  10. Jeevanantham S., Saravanan A., Hemavathy R. V., Senthil Kumar P., Yaashikaa P. R., Yuvaraj D. Removal of toxic pollutants from water environment by phytoremediation: A survey on application and future prospects // Environmental Technology & Innovation. 2019. Vol. 13. P. 264–276. https://doi.org/10.1016/j.eti.2018.12.007.
  11. Kathi S. Chapter 6 – Bioenergy from phytoremediated phytomass of aquatic plants via gasification // Bioremediation and Bioeconomy. 2016. P. 111–128. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802830-8.00006-X.
  12. Rezania S., Park J., Rupani P. F., Darajeh N., Xu X., Shahrokhishahraki R. Phytoremediation potential and control of Phragmites australis as a green phytomass: an overview // Environmental Science and Pollution Research. 2019. Vol. 26. Р. 7428–7441. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04300-4.
  13. Castillo-Llamosas A. D., del Río P. G., Pérez-Pérez A., Yáñez R., Garrote G., Gullón B. Recent advances to recover value-added compounds from avocado by-products following a biorefinery approach // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2021. Vol. 28. P. 100433. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2020.100433.
  14. Abdel-Shafy H. I., Mansour M. S. M. Solid waste issue: sources, composition, disposal, recycling, and valorization // Egyptian Journal of Petroleum. 2018. Vol. 27, no. 4. P. 1275–1290. https://doi.org/10.1016/j.ejpe.2018.07.003.
  15. Saravanan А., Kumar P. S., Khoo K. Sh., Show P.-L., Carolin C. F., Jackulin C. F., et al. Biohydrogen from organic wastes as a clean and environment-friendly energy source: Production pathways, feedstock types, and future prospects // Bioresource Technology. 2021. P. 126021. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126021.
  16. da Silva Mazareli R. C., Montoya A. C. V., Delforno T. P., Centurion V. B., de Oliveira V. M., Silva E. L., et al. Enzymatic routes to hydrogen and organic acids production from banana waste fermentation by autochthonous bacteria: optimization of pH and temperature // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46, no. 12. P. 8454–8468. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.12.063
  17. Байбакова О. В. Химико-энзиматическая конверсия в биоэтанол отходов злаковых культур // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 2. С. 51–56. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-2-51-56.
  18. Ledesma B., Beltramone A. Revalorization of agro-industrial waste as a catalyst source for production of biofuels // Renewable Energy. 2021. Vol. 174. P. 747–757. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.04.131.
  19. Zanivan J., Bonatto C., Scapini T., Dalastra C., Bazoti S. F., Júnior S. L. A., et al. Evaluation of bioethanol production from a mixed fruit waste by Wickerhamomyces sp. UFFS-CE-3.1.2 // BioEnergy Research. 2021. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/s12155-021-10273-5.
  20. Reshmy R., Philip E., Madhavan A., Sindhu R., Binod P., Balakumaran P. A., et al. Potential utilisation of fruit and vegetable waste: an overview // Sustainable Bioconversion of Waste to Value Added Products. 2021. P. 179–191. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61837-7_11.
  21. Shrestha S., Khatiwada J. R., Sharma H. K., Qin W. Bioconversion of fruits and vegetables wastes into value-added products // Sustainable Bioconversion of Waste to Value Added Products. 2021. P. 145– 163. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61837-7_9.
  22. Mehmood T., Nadeem F., Qamar S. A., Bilal M., Iqbal H. M. N. Bioconversion of agro-industrial waste into value-added compounds // Sustainable Bioconversion of Waste to Value Added Products. 2021. P. 349– 368. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61837-7_22.
  23. Santhi V. P., Sriramavaratharajan V., Murugan R., Masilamani P., Gurav Sh. S., Sarasu V. P., et al. Edible fruit extracts and fruit juices as potential source of antiviral agents: a review // Journal of Food Measurement and Characterization. 2021. Vol. 15. P. 5181–5190. https://doi.org/10.1007/s11694- 021-01090-7.
  24. Abari A. H., Rourani H. A., Ghasemi S. M., Kim H., Kim Y.-G. Investigation of antioxidant and anticancer activities of unsaturated oligogalacturonic acids produced by pectinase of Streptomyces hydrogenans YAM1 // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Article number 8491. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87804-9.
  25. Lizárraga-Velázquez C. E., Leyva-López N., Hernández C., Gutiérrez-Grijalva E. P., SalazarLeyva J. A., Osuna-Ruíz I., et al. Antioxidant molecules from plant waste: extraction techniques and biological properties // Processes. 2020. Vol. 8, no. 12. P. 1566. https://doi.org/10.3390/pr8121566.
  26. Varadavenkatesan T., Vinayagam R., Selvaraj R. Structural characterization of silver nanoparticles phyto-mediated by a plant waste, seed hull of Vigna mungo and their biological applications // Journal of Molecular Structure. 2017. Vol. 1147. P. 629–635. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.07.002.
  27. Annegowda H. V., Majumder P. Valuable bioactives from vegetable wastes // Valorization of AgriFood Wastes and By-Products. 2021. P. 83–109. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824044-1.00003-9.
  28. Pandit S., Savla N., Sonawane J. M., Sani A. M., Gupta P. K., Mathuriya A. S., et al. Agricultural waste and wastewater as feedstock for bioelectricity generation using microbial fuel cells: recent advances // Fermentation. 2021. Vol. 7, no. 3. P. 169. https://doi.org/10.3390/fermentation7030169.
  29. Javed M. M., Nisar M. A., Ahmad M. U. Effect of NaCl and pH on bioelectricity production from vegetable waste extract supplemented with cane molasses in dual chamber microbial fuel cell // Pakistan Journal of Zoology. 2021. Vol. 54, no. 1. P. 247–254. https://dx.doi.org/10.17582/journal.pjz/20180611050622.
  30. Chandra M. S., Srinivasulu M., Yadav P. S., Ramesh B., Narasimha G., Chandrasekhar T. Value added products from agriculture, paper and food waste: a source of bioenergy production. In: Clean Energy Production Technologies. Srivastava M., Srivastava N., Singh R. (eds.). Singapore: Springer, 2021. https://doi.org/10.1007/978-981-16-1190-2_3.
  31. Zhdanova G. O., Konovalova E. Yu., Tolstoy M. Yu., Kashevsky A. V., Barbora L., Goswami P., et al. Comparative analysis of electrogenic activity of complex microbial preparations in microbial fuel cells // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 272, no. 3. P. 032161. https://doi.org/10.1088/1755-1315/272/3/032161.
  32. Rudenko R. R., Vasilevich E. E., Zhdanova G. O., Chizhick K. I., Topchiy I. A., Stom D. I. The use of urban sewage sludge as a substrate in a microbial fuel cell // International Journal of Engineering & Technology. 2018. Vol. 7, no. 2. P. 277– 280. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.23.11931.
  33. Коркина О. С., Сарапулова Г. И., Жданова Г. О., Горбунова Ю. О., Иванчиков Е. А., Стом Д. И.. Микробиологический препарат «Доктор Робик 109» как биоагент для получения электрического тока в МТЭ при добавлении жиров // Известия Иркутского государственного университета. Серия: Биология. Экология. 2019. Т. 28. С. 17–25. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2019.28.17.
  34. Stom D. I., Zhdanova G. O., Kashevskii A. V. New designs of biofuel cells and their work testing // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 262. P. 012219. https://doi.org/10.1088/1757-899X/262/1/012219.
  35. Grigorova R., Norris J. R. Methods in microbiology. Academic Press, 1990. Vol. 22. 618 р.
  36. Kaur M., Kumar M., Sachdeva S., Puri S. K. Aquatic weeds as the next generation feedstock for sustainable bioenergy production // Bioresource Technology. 2018. Vol. 251. P. 390–402. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.11.082.
  37. Varanasi J. L., Kumari S., Das D. Improvement of energy recovery from water hyacinth by using integrated system // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol. 43, no. 3. P. 1303–1318. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.110.
  38. Ndayisenga F., Yu Z., Kabera T., Wang B., Liang H., Phulpoto I. A., et al. Co-substrate facilitated charge transfer for bioelectricity evolution in a toxic blue-green alga-fed microbial fuel cell technology // Clean Technologies and Environmental Policy. 2021. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02173-1.
  39. Sani A. M., Savla N., Pandit S., Mathuriya A. S., Gupta P. K., Khanna N., et al. Recent advances in bioelectricity generation through the simultaneous valorization of lignocellulosic biomass and wastewater treatment in microbial fuel cell // Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2021. Vol. 48. P. 101572. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101572.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar


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».