Биоэлектрогенез в корнеобитаемой среде листовых, плодовых и корнеплодных овощных культур

Биоэлектрогенез в корнеобитаемой среде листовых, плодовых и корнеплодных овощных культур

Автор: Кулешова Т.Э., Эзерина Е.М., Вертебный В.Е., Хомяков Ю.В., Синявина Н.Г., Панова Г.Г.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Крайний Север, Арктика, Антарктика: новые агротехнологии

Статья в выпуске: 5 т.59, 2024 года.

Бесплатный доступ

Возникающие в корнеобитаемой среде растений биоэлектрогенные процессы, связанные с генерацией разности потенциалов при протекании окислительно-восстановительных реакций и диффузии ионов, которые сопутствуют развитию корневой системы, служат основой для создания альтернативных устройств получения возобновляемой экологически чистой ресурсосберегающей энергии - биоэлектрохимических систем (БЭС). Поиск биосовместимых, энергогенерирующих, высокопроизводительных компонентов БЭС, включая технические элементы, корнеобитаемые среды и растения - актуальная задача, решение которой позволит повысить автономность и эффективность производства растительной продукции. В настоящее время практически отсутствуют разработки БЭС на основе овощных культур либо сообщалось о неудачных попытках их создания. В представленной работе впервые в комплексном исследовании электрогенных процессов в оригинальных БЭС корнеобитаемая среда-овощные растения показана бóльшая стабильность электрических свойств у салата (листовая культура), больший выход электроэнергии у редиса (корнеплодная культура) и более продолжительная выработка электричества у томата (плодовая овощная культура). Целью работы было измерение совокупности параметров - электрогенных свойств корнеобитаемой среды, спектров отражения и флуоресценции листьев, морфометрических показателей, биохимического состава, характеризующих эффективность электрогенерации, способность преобразования энергии света, урожайность и качество получаемой растительной продукции при выращивании различных овощных культур в биоэлектрохимических системах. Фитотест-объектами служили растения салата ( Lactuca sativa L.) сорта Балет, редис ( Raphanus sativus L.) сорта Петербургский фиолетовый и карликовый томат ( Solanum lycopersicum L.) сорта Наташа. Растения выращивали в 2023-2024 годах в контролируемых условиях интенсивной светокультуры на агробиополигоне ФГБНУ АФИ с регулируемыми условиями микроклимата. В качестве источников света использовали разработанные нами светодиодные светильники AFI-5000, имитирующие солнечный свет, в качестве корнеобитаемой среды - торфяной грунт. Питание осуществляли раствором Кнопа. БЭС представляла собой емкость для выращивания с биосовместимой коррозионно-стойкой системой электродов из пористого электропроводящего материала, обеспечивающего поверхностный электрический контакт с корневой системой и прикорневой зоной. Объем БЭС - 440 см3 для салата, 320 см3 для редиса и 3000 см3 для томата. Электроды размером 6×6 см располагали в корнеобитаемой среде горизонтально. Для формирования корнеплода верхний электрод модифицировали, добавив круглое отверстие диаметром 3 см. Разность потенциалов регистрировали автоматически каждые 15 мин с помощью автоматизированного вольтметра (Arduino, «Arduino Software», Китай). Поляризационные кривые снимали в конце вегетационного периода салата и редиса и на 64-е сут выращивания томата. Уборку растений салата и редиса осуществляли на 28-е сут, томата - на 110-е сут от посева семян. При уборке учитывали массу листьев, плодов и корнеплодов, высоту надземной части растений и урожайность. Биохимической состав (содержание сухого вещества, нитратов, сахаров, витамина С, пигментов, макро- и микроэлементов) определяли общепринятыми методами (термогравиметрический, ионометрический, титрометрический, фотометрический). Показатели фотосинтетической активности (спектры отраженной от поверхности листьев радиации и параметры флуоресценции) оценивали неиванзивным способом с помощью спектрометрической системы («Ocean Optics», США) и флуориметра MINI-PAM-II («Heinz Walz GmbH», Германия). Средняя разность потенциалов, формируемая в корнеобитаемой среде растений салата, составила 289±27 мВ, максимальное значение достигало 391 мВ. Для растений редиса величина разности потенциалов в корнеобитаемой среде равнялась в среднем 394±50 мВ при максимальном значении 532 мВ. Средняя разность потенциалов в корнеобитаемой среде томата составила 257±123 мВ: в процессе начального развития надземной массы и корней наблюдалась стабильная генерация напряжения 317±17 мВ, однако во время фазы налива плодов разность потенциалов падала до 120±34 мВ, а при переходе в фазу созревания наблюдалось обратное увеличение до 340±74 мВ. Общая производительность исследованных культур при выращивании с учетом возможного числа сборов урожая с одного яруса за год была схожей: 73,5±10,3 кг/м2 для салата, 68,6±3,8 кг/м2 для редиса и 71,2±9,2 кг/м2 для томата, и превосходила таковую при выращивании в стандартных системах для салата и томата. Качество растительной продукции соответствовало санитарно-гигиеническим требованиям РФ. Так, содержание нитратов в листьях салата составило 1597,0±214,7 мг/кг биомассы естественной влажности (е.в.) (ПДК 2000 мг/кг е.в.), в корнеплодах редиса - 1206,0±144,8 мг/кг е.в. (ПДК 1500 мг/кг е.в.), в плодах томата - 70,2±9,3 мг/кг е.в. (ПДК 300 мг/кг е.в.).

Еще

Lactuca sativa l, raphanus sativus l, solanum lycopersicum l, биоэлектрохимические системы, биосовместимые электроды, флуоресценция, индексы отражения, продуктивность, биохимический состав

Короткий адрес: https://sciup.org/142243782

IDR: 142243782   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2024.5.893rus

Список литературы Биоэлектрогенез в корнеобитаемой среде листовых, плодовых и корнеплодных овощных культур

  • 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). Сельскохозяйственная биология, 2022, 57(3): 425-440 (doi: 10.15389/agrobiology.2022.3.425rus).
  • Winaikij P., Sreearunothai P., Sombatmankhong K. Probing mechanisms for microbial extracel-lular electron transfer (EET) using electrochemical and microscopic characterisations. Solid State Ionics, 2018, 320: 283-291 (doi: 10.1016/j.ssi.2018.02.044).
  • Tongphanpharn N., Guan C.Y., Chen W.S., Chang C.C., Yu C.P. Evaluation of long-term per-formance of plant microbial fuel cells using agricultural plants under the controlled environment. Clean Technologies and Environmental Policy, 2023, 25(2): 633-644 (doi: 10.1007/s10098-021-02222-9).
  • Guan C.Y., Yu C.P. Evaluation of plant microbial fuel cells for urban green roofs in a subtropical metropolis. Science of the Total Environment, 2021, 765: 142786 (doi: 10.1016/j.sci-totenv.2020.142786).
  • Regmi R., Nitisoravut R., Charoenroongtavee S., Yimkhaophong W., Phanthurat O. Earthen pot—plant microbial fuel cell powered by Vetiver for bioelectricity production and wastewater treatment. CLEAN — Soil, Air, Water, 2018, 46(3): 1700193 (doi: 10.1002/clen.201700193).
  • Arulmani S.R.B., Gnanamuthu H.L., Kandasamy S., Govindarajan G., Alsehli M., Elfasa-khany A., Zhang H. Sustainable bioelectricity production from Amaranthus viridis and Triticum aestivum mediated plant microbial fuel cells with efficient electrogenic bacteria selections. Process Biochemistry, 2021, 107: 27-37 (doi: 10.1016/j.procbio.2021.04.015).
  • Sarma P.J., Mohanty K. Epipremnum aureum and Dracaena braunii as indoor plants for enhanced bio-electricity generation in a plant microbial fuel cell with electrochemically modified carbon fiber brush anode. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2018, 126(3): 404-410 (doi: 10.1016/j.jbiosc.2018.03.009).
  • Bhattacharya R., Parthasarthy V., Bose D., Gulia K., Srivastava S., Roshan K.R., Shankar R. Overview of the advances in plant microbial fuel cell technology for sustainable energy recovery from rhizodeposition. Biotechnology and Bioengineering, 2023, 120(6): 1455-1464 (doi: 10.1002/bit.28380).
  • Sophia A.C., Sreeja S. Green energy generation from plant microbial fuel cells (PMFC) using compost and a novel clay separator. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2017, 21: 59-66 (doi: 10.1016/j.seta.2017.05.001).
  • Hu J., Yang Z., Huang Z., Li H., Wu Z., Zhang X., Qin X., Li C., Ruan M., Zhou K., Wu, X., Zhang Y., Xiang Y., Huang J. Co-composting of sewage sludge and Phragmites australis using differ-ent insulating strategies. Waste Management, 2020, 108: 1-12 (doi: 10.1016/j.wasman.2020.04.012).
  • Di L., Li Y., Nie L., Wang S., Kong F. Influence of plant radial oxygen loss in constructed wetland combined with microbial fuel cell on nitrobenzene removal from aqueous solution. Jour-nal of Hazardous Materials, 2020, 394: 122542 (doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122542).
  • Sato C., Apollon W., Luna-Maldonado A. I., Paucar N. E., Hibbert M., Dudgeon J. Integrating microbial fuel cell and hydroponic technologies using a ceramic membrane separator to develop an energy—water—food supply system. Membranes, 2023, 13(9): 803-824 (doi: 10.3390/mem-branes13090803).
  • Lepikash R., Lavrova D., Stom D., Meshalkin V., Ponamoreva O., Alferov S. State of the art and environmental aspects of plant microbial fuel cells’ application. Energies, 2024, 17(3): 752 (doi: 10.3390/en17030752).
  • Bataillou G., Ondel O., Haddour N. 900-Days long term study of plant microbial fuel cells and complete application for powering wireless sensors, Journal of Power Sources, 2024, 593: 233965 (doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.233965).
  • Lu Z., Yin D., Chen P., Wang H., Yang Y., Huang G., Cai L., Zhang L. Power-generating trees: Direct bioelectricity production from plants with microbial fuel cells. Applied Energy, 2020, 268: 115040 (doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115040).
  • Osorio-de-la-Rosa E., Valdez-Hernández M., Vázquez-Castillo J., Franco-de-la-Cruz A., Woo-García R., Castillo-Atoche A., La-Rosa R. Plant microbial fuel cells as a bioenergy source used in precision beekeeping. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2023, 60: 103499 (doi: 10.1016/j.seta.2023.103499).
  • Maddalwar S., Nayak K.K., Singh L. Evaluation of power generation in plant microbial fuel cell using vegetable plants. Bioresource Technology Reports, 2023, 22: 101447 (doi: 10.1016/j.biteb.2023.101447).
  • Sinyavina N.G., Kochetov A.A., Kocherina N.V., Egorova K.V., Kurina A.B., Panova G.G., Chesnokov Y.V. Breeding approaches for controlled conditions of artificial light culture for small radish and radish (Raphanus sativus L.). Horticulturae, 2023, 9(6): 678 (doi: 10.3390/horticul-turae9060678).
  • Кочетов А.А., Синявина Н.Г. Патент на селекционное достижение 11518 РФ. Редис Raphanus sativus var. sativus Петербургский фиолетовый. ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский институт. Заявка № 8058521. Дата приоритета. 28.11.2019. Выдан 25.03.2021.
  • Panova G.G., Udalova O.R., Kanash E.V., Galushko A.S., Kochetov A.A., Priyatkin N.S., Arkhipov M.V., Chernousov I.N. Fundamentals of physical modeling of “ideal” agroecosystems. Technical Physics, 2020, 65: 1563-1569 (doi: 10.1134/S1063784220100163).
  • Кулешова Т.Э., Галль Н.Р. Динамика биоэлектрического потенциала в прикорневой зоне растений при поливах. Почвоведение, 2021, 3: 338-346 (doi: 10.31857/S0032180X21030084).
  • Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Смирнова-Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. Л., 1987.
  • Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов /Под ред. Скурихина И.М., Тутельяна В.А. М., 1998.
  • MINI-PAM Photosynthesis Yield Analyzer. Manual. Edition 3. Heinz Walz GmbH, Effeltrich, Ger-many, 2018.
  • Wang S., Gariepy Y., Adekunle A., Raghavan V. External resistance as a potential tool for bioe-lectricity and methane emission control from rice plants in hydroponic microbial fuel cell. Fuel, 2024, 368: 131431 (doi: 10.1016/j.fuel.2024.131431).
  • Holland B.L., Monk N.A.M., Clayton R.H., Osborne C.P. A theoretical analysis of how plant growth is limited by carbon allocation strategies and respiration. In Silico Plants, 2019, 1(1): diz004 (doi: 10.1093/insilicoplants/diz004).
  • Апалько А.Д., Кондратьев В.М., Осипова Г.С. Сравнительная агробиологическая оценка салата сорта Балет в условиях светокультуры. Вестник Студенческого научного общества, 2017, 8(1): 91-92.
  • Балашова И.Т., Сирота С.М., Пинчук Е.В., Вершинина Н.П., Сивоченко С.П. Семеноводство сортов томата, предназначенных для многоярусных гидропонных конструкций: первые шаги. Овощи России, 2020, 1: 29-34 (doi: 10.18619/2072-9146-2020-1-29-34).
  • СанПиН 2.3.2.1078-01. Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. 06.11.2001.
  • Осипова Г.С., Апалько А.Д., Кондратьев В.М. Агробиологическая оценка салата сорта Балет в условиях светокультуры. Научный вклад молодых исследователей в сохранение традиций и развитие АПК, 2016: 73-74.
  • Синявина Н.Г., Кочетов А.А., Хомяков Ю.В., Конончук П.Ю., Вертебный В.Е., Дубовиц-кая В.И., Ткачева А.Ю. Редис для светокультуры: задачи и перспективы селекции. Овощи России, 2019, 3: 35-39 (doi: 10.18619/2072-9146-2019-3-35-39).
  • Балашова И.Т., Сирота С.М., Пинчук Е.В., Удалова О.Р., Аникина Л.М., Панова Г.Г. Улучшение сортовых характеристик томата Наташа под влиянием искусственного освещения на вегетационной световой установке АФИ. Материалы II Международной научной конференции посвященной памяти академика Е.И. Ермакова «Тенденции развития агрофизики: от актуальных проблем земледелия и растениеводства к технологиям будущего». СПб, 2019: 180-189.
  • Кулешова Т.Э., Желнина А.И., Удалова О.Р., Панова Г.Г., Галль Н.Р. Динамика конверсии света листьями растений в электрический ток в прикорневой зоне. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2020, 5(3): 379-385.
  • Sims D.A., Gamon J.A. Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages. Remote Sensing of Envi-ronment, 2002, 81(2-3): 337-354 (doi: 10.1016/S0034-4257(02)00010-X).
  • Peñuelas J., Filella I., Biel C., Serrano L., Save R. The reflectance at the 950-970 nm region as an indicator of plant water status. International Journal of Remote Sensing, 1993, 14(10): 1887-1905 (doi: 10.1080/01431169308954010).
  • Gamon J.A., Serrano L., Surfus J.S. The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels. Oecologia, 1997, 112: 492-501 (doi: 10.1007/s004420050337).
  • Kitajima M., Butler W.L. Quenching of chlorophyll fluorescence and primary photochemistry in chloroplasts by dibromothymoquinone. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 1975, 376(1): 105-115 (doi: 10.1016/0005-2728(75)90209-1).
  • Genty B., Briantais J.-M., Baker N.R. The relationship between the quantum yield of photosyn-thetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects, 1989, 990(1): 87-92 (doi: 10.1016/S0304-4165(89)80016-9).
  • Bilger W., Björkman O. Role of the xanthophyll cycle in photoprotection elucidated by measure-ments of light-induced absorbance changes, fluorescence and photosynthesis in leaves of Hedera canariensis. Photosynthesis Research, 1990, 25: 173-185 (doi: 10.1007/BF00033159).
  • Genty B., Harbinson J., Cailly A.L., Rizza F. Fate of excitation at PS II in leaves: the non-photochemical side. Proc. 3rd BBSRC Robert Hill Symposium on photosynthesis /B. Genty, J. Har-binson, A.L. Cailly, F. Rizza. University of Sheffield, Department of Molecular Biology and Biotechnology, Western Bank, Sheffield, UK, 1996: 28.
  • Канаш Е.В., Осипов Ю.А. Диагностика физиологического состояния и устойчивости растений к действию стрессовых факторов среды (на примере УФ-В радиации). Методические рекомендации. СПб, 2008.
  • Fincheira P., Quiroz A., Tortella G., Diez M.C., Rubilar O. Current advances in plant-microbe communication via volatile organic compounds as an innovative strategy to improve plant growth. Microbiological Research, 2021, 247: 126726 (doi: 10.1016/j.micres.2021.126726).
  • Kwon K.J., Park B.J. Efficiency of Spathiphyllum spp. as a plant-microbial fuel cell. Ornamental Horticulture, 2021, 27: 173-182 (doi: 10.1590/2447-536X.v27i2.2264).
  • Aulakh M., Wassmann R., Bueno C., Kreuzwieser J., Rennenberg H. Characterization of root exudates at different growth stages of ten rice (Oryza sativa L.) cultivars. Plant Biology, 2001, 3(2): 139-148 (doi: 10.1055/s-2001-12905).
  • Pamintuan K.R.S., Katipunana A.M.C., Palaganasa P.A.O., Caparangaa A.R. An analysis of the stacking potential and efficiency of plant-microbial fuel cells growing green beans (Vigna ungicu-lata ssp. sesquipedalis). International Journal of Renewable Energy Development, 2020, 9(3): 439-447 (doi: 10.14710/ijred.2020.29898).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp