ISSN 2500-1582 (print)
ISSN 2500-1574 (online)
12+
ХХI век.Техносферная безопасность
Поиск по сайту
 

Растительно-микробные топливные элементы: современное состояние и перспективы использования

Тимофеева С. С. , Стом Д. И. , Ашарапова Д. О.

2023 / Том 8, № 3 (2023) [ ГЕОЭКОЛОГИЯ ]

Фитоочистные инженерные сооружения в последнее время находят широкое применение в биотехнологии очистки сточных вод. В настоящее время актуально изучение и использование возможности биоэлектрогенерации, а также создание энергонезатратных гибридных технологий на основе растительно-микробных топливных элементов. Цель исследования – обобщение накопленных сведений по изучению способности растительных организмов генерировать биоэлектрические потенциалы и созданию растительно-топливных элементов как компонента комплексной фитотехнологии очистки сточных вод в условиях Восточной Сибири. Показано, что разработаны и эффективно внедряются фитотехнологии очистки сточных с использованием комплекса водорослей, высшей водной растительности, микроорганизмов в разных климатических зонах, в том числе в Арктике. Особенно широко эти технологии реализуются в Китае, где ежегодно строятся десятки таких сооружений. Рассмотрены разработанные конструкции растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ), электрогенная активность различных растений и микроорганизмов, перспективные направления применения микробных топливных элементов и РМТЭ в качестве источников питания для небольших устройств, датчиков для раннего обнаружения загрязнения воды. А также в системах очистки сточных вод и иловых осадков, прежде всего – антибиотиков. Представлены проектные решения по созданию батарей РМТЭ для обезвреживания почв, загрязненных антибиотиками.

Ключевые слова:

сточные воды, фитотехнология, очистка, растительно-микробный топливный элемент, электрогенерация

Библиографический список:

  1. Казмирук В.Д. Очистка воды методами фитотехнологий // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2015. № 5–6. С. 66–70. EDN: TYYZYX.
  2. Казмирук В.Д. Современные тенденции использования фитотехнологий для очистки и охраны вод // Теоретическая и прикладная экология. 2016. № 3. С. 76–81. EDN: YGHJTJ.
  3. Иванова Л.А. Перспективы гидропонного выращивания растений в Мурманской области. Апатиты: КНЦ РАН, 2006. 106 с. EDN: QKYEUF.
  4. Калайда М.Л. Биоплато как способ доочистки дренажных вод города и сточных вод промышленных предприятий Хамитова // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 7–8. С. 123–129. EDN: KVTSXX.
  5. Калайда М.Л. Доочистка производственных сточных вод с помощью высших водных растений // Экология и промышленность России. 2010. № 3. С. 33–35. EDN: MTWCUT.
  6. Тимофеева С.С., Ульрих Д.В. Инновационные фитотехнологии реабилитации загрязненных горными предприятиями территорий на Южном Урале. Новосибирск: Изд-во «Гео», 2018. 192 с.
  7. Zheng X.H. Studies on wastewater land treatment and utilization systems in Tianjin Municipality China’s SEPA: water pollution control and wastewater reclamation as resources. Collection of research achievements on environmental protection in the 7th Five Years Plan period Beijing. China: Science Press; 1993. (In Chinese).
  8. Ding L, Shen Y. The treatment technology of constructed wetland and its research progr ess. Jiangsu Environ Sci Tech, 2006;19:34-37. (In Chinese). https://doi.org/10.1890/070110.
  9. Liu D., Ge Y., Chang J., Peng C., Gu B., Chan G.Y., Wu X. Constructed wetlands in China: recent developments and future challenges. Front Ecol Environ. 2008;7(5):261-268. https://doi.org/10.1890/070110.
  10. Haq Nawaz Abbasi, Xiwu Lu, Feng Xu, Jing Xie. Wastewater Treatment Strategies in China: An Overview // Science Letters. 2016;4(1):15-25.
  11. Qu J., Wang, H., Wang K., et al. Municipal wastewater treatment in China: Development history and future perspectives // Front Sci. 2019;13:88. (https://doi.org/10.1007/s11783-019-1172-x.
  12. Тимофеева С.С., Дроздова И.В., Бобоев А.А., Хужжиев С.О., Фарманова М.А. Перспективные технологии биоремедиации сточных вод золотодобывающих предприятий Узбекистана // XXI век. Техносферная безопасность. 2022. Т. 7. № 4. С. 322–333. https://doi.org/10.21285/2500-1582-2022-4-322-333. EDN: NBGHAY.
  13. Кулешова Т.Э., Галушко А.С., Панова Г.Г., Волкова Е.Н., Apollon W., Shuang C., Sevda S. Биоэлектрические системы на основе электроактивности растений и микроорганизмов в корнеобитаемой среде (обзор) // Сельскохозяйственная биология 2022. Т 57. № 3. С. 425–440. https://doi: 10.15389/agrobiology.2022.3.425rus.
  14. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. М.: Наука, 1991. 216 с.
  15. Опритов В.А. Электрические сигналы у высших растений // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 10. С. 22–27.
  16. Yan W.F, Xiao Y, Yan W.D, Ding R, Wang S.H, Zhao F: The effect of bioelectrochemical systems on antibiotics removal and antibiotic resistance genes: a review. Journal of Chemical Technology. 2019;358:1421- 1437. https://doi: 10.1002/adma.201104714.
  17. Zhang S, Yang YL, Lu J, Zuo XJ, Yang XL, Song HL: A review of bioelectrochemical systems for antibiotic removal: efficient antibiotic removal and dissemination of antibiotic resistance genes // Journal of Water Process Engineering. 2020;37:101-421. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.
  18. Bajracharya S., Sharma M., Mohanakrishna G., Benneton X.D., Strik D.P., M. Sarma P., Pant D. An overview on emerging bioelectrochemical systems (BESs): technology for sustainable electricity, waste remediation, resource recovery, chemical production and beyond // Renew. Energy. 2016;3:153-170. https://doi.org/.1016/j.renene.
  19. Дебабов В.Г. Производство электричества микроорганизмами (обзор) // Микробиология. 2008. Т. 77. № 2. С. 149–157. EDN: IJKHGJ.
  20. Коновалов М.С., Коновалова Е.Ю., Егорова И.Н., Жданова Г.О., Стом Д.И. Фототрофы в альтернативной энергетике // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. № 3. С. 358–371. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-3-358-371. EDN: DDOKCU.
  21. Kaksonen A.H. Recent progress in biohydrometallurgy and microbial characterization // Hydrometallurgy. 2018;180:7-25. https:// doi:10.1016/j.hydromet.2018.06.018.
  22. Sulonen M.L.K. Long-term stability of bioelectricity generation coupled with tetrathionate disproportionation // Bioresource Technology. 2016;216:876-882. https:// doi: 10.1016/j.biortech.2016.06.024.
  23. Strik D.P.B.T.B., Hamelers H.V.M. ,Snel J.F., Buisman C.J. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research. 2008;32 (9):870-876. https:// doi: 10.1002/er.1397.
  24. Кулешова Т.Э., Галль Н.Р., Галушко А.С., Панова Г.Г. Электрогенез растительно-микробного топливного элемента при параллельном и последовательном соединении ячеек // Журнал технической физики. 2021. Т. 91.С. 510–518. EDN: LCJSYJ.
  25. Kabutey, Felix Tetteh, et al. An overview of plant microbial fuel cells (PMFCs): Configurations and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019:402-414. https:// doi: 10.1016/j.rser.2019.05.016.
  26. Ieropoulos Ioannis A., et al, Waste to real energy: the first MFC powered mobile phone // Phys Chem Chem Phys. 2013. Vol. 15, N 37. P. 1-5. https:// doi: 10.1039/c3cp52889h.
  27. Walter X.A., et al. PEE POWER ® urinal II – Urinal scale-up with microbial fuel cell scaledown for improved lighting // Journal of Power Sources. 2018. Vol. 392. P. 150-158. https:// doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.047.
  28. Jadhav D.A. Moving towards practical applications of microbial fuel cells for sanitation and resource recovery // Journal of Water Process Engineering. 2020. Vol. 38. P. 1-10. https:// doi: 10.1016/j.jwpe.2020.101566. Santoro C. Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review // Journal of Power Sources. 2017. Vol. 356. P. 225-244. https:// doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.03.109.
  29. Franks A.E., Nevin K.P. Microbial Fuel Cells. A Current Review // Energies. 2010. Vol. 3. P. 899-919. https:// doi: 10.3390/en3050899.
  30. Gonzalez Olias L., Lorenzo M. Di. Microbial fuel cells for in-field water quality monitoring // RSC Advances. 2021. Vol. 11. N 27. P. 1-11. https:// doi: 10.1039/d1ra01138c.
  31. Maddalwar S., Nayak K. K., Kumar M., & Singh L. Plant microbial fuel cell: opportunities, challenges , and prospects // Bioresource Technology. 2021. Vol. 341. Р. 125-172. https:// doi: 10.1016/j.biortech.
  32. Sharma P., Ngo H.H., Khanal S., Larroche C., Kim S.H., Pandey A. Efficiency of transporter genes and proteins in hyperaccumulator plants for metals tolerance in wastewater treatment: Sustainable technique for metal detoxification. Environ. Technol. Innov. 2021. Р. 101-125. https:// doi: 10.1016/j.eti.2021.101725.
  33. Sharma P., Kumar S. and Pandey A. Bioremediated techniques for remediation of metal pollutants using metagenomics approaches: A review. J. Environ. Chem. Eng. // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Р. 101-125. https:// doi: 10.1016/j.eti.2021.101725.
  34. Sharma P., Tripathi S., Purchase D., Chandra R., Integrating phytoremediation into treatment of pulp and paper industry wastewater: Field observations of native plants for the detoxification of metals and their potential as part of a multidisciplinary strategy. J. Environ. Chem. Eng // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. № 9(4). С. 105-147. https:// doi: 10.1016/j.jece.2021.105547.
  35. Carvalho J.F., Moraes J.E. Treatment of simulated industrial pharmaceutical wastewater containing amoxicillin antibiotic via advanced oxidation processes // Environmental Technology. 2020. Р 1-37. https:// doi: 10.1080/09593330.2020.1745296.
  36. Rooklidge S.J. Enviromental antimicrobial contamination from terraccumulation and diffuse pollution pathways // Science of the Total Enviroment. 2004. Vol. 325. P. 1-13. https:// doi: 10.1016/j.scitotenv.2003.11.007.
  37. Popaz Ivan. Rezultatele studiului national de prevalenta de moment al infectiilor asociate asistentei medicale si consumul antimicrobienelor in spitale prezentate in cadrul unui atelier Disponibil. [Электронный ресурс]. URL.: https://ansp. md.(22.08.2023)
  38. Арсланова Э.Ф. Антибиотики в сточных водах – проблема XXI века //Система знаний: образовательные инициативы и развитие творческого потенциала современной науки: сборник научных трудов (Казань, 2021). Казань: Изд-во: ООО «СитИвент», 2021. С. 169–174. EDN: HFBTTM.
  39. Kraemer S., Ramachandran A., Perron G. Antibiotic pollution in the environment: from microbial ecology to public policy. Microorganisms. 2019;22;7(6):180. https://doi:10.3390/microorganisms7060180.
  40. Chow Louise K M,, Timothy M. Ghaly, Michael R. Gillings. A survey of sub-inhibitory concentrations of antibiotics in the environment // Journal of Environmental Sciences, 2022;99: 21-27. https:// doi:10.1016/j. jes.2020.05.030.10.1016/j.jes.
  41. Yan WF, Xiao Y, Yan WD, Ding R, Wang SH, Zhao F: The effect of bioelectrochemical systems on antibiotics removal and antibiotic resistance genes: a review // Chemical Engineering Journal, 2019; 358: 1421-1437. https:// doi:10.1016/j.cej.2018.
  42. Zhang S, Yang YL, Lu J, Zuo XJ, Yang XL, Song HL: A review of bioelectrochemical systems for antibiotic removal: efficient antibiotic removal and dissemination of antibiotic resistance genes. J Water Process Eng. Chemical Engineering Journal. 2020;37:101421. https:// doi:1010.1016/j.jwpe.2020.101421. Hassan M, Zhu GC, Yang ZL, Lu YZ. Effects of pH on antibiotic denitrification and biodegradation of sulfamethoxazole removal from simulated municipal wastewater by a novel 3DBER system. J Environ Eng. 2020;146: 04020134. https:// doi: 10.1007/s40201-020-00562-0.
  43. Cheng DL, Ngo HH, Guo WS, Lee D, Nghiem DL, Zhang J, Liang S, Varjani S, Wang J: Performance of microbial fuel cell for treating swine wastewater containing sulfonamide antibiotics // Bioresour Technol. 2020;311:123-188. https:// doi: 10.1016/j.biortech.2020.123588.
  44. Zhang J, Chen RY, Du CW, Dong SY, Sun JH: Effects of continuous sulfamonomethoxine shock on the power generation performance and microbial community structure of MFCs under seasonal temperature variation //Journal of Biochemical Engineering. 2021. N 146. P. 107-109. https:// doi: 10.1016/j.bej.
  45. Wen Q, Kong FY, Zheng HT, Cao DX, Ren YM, Yin JL: Electricity generation from synthetic penicillin wastewater in an air-cathode single chamber microbial fuel cel // Chemical engineering. 2011. N 168. Р. 572-576. https:// doi: 10.1016/j.cej.2011.01.025.
  46. Zhang Q.H, Zhang Y.Y., Li D.P: Cometabolic degradation of chloramphenicol via a meta-cleavage pathway in a microbial fuel cell and its microbial community // Bioresour Technol. 2017; 229:104-110. https:// doi: 10.1016/j.biortech.2017.01.026.
  47. Guo W, Geng M.J, Song H, Sun J.H: Removal of chloramphenicol and simultaneous electricity generation by using microbial fuel cell technology // Int J Electrochem Sci. 2016;11: 51285139. https:// doi: 10.20964/2016.06.42.
  48. Zhang, S., Song, H.L., Yang, X.L., Yang, Y.L., Yang, K.Y., Wang, X.Y. Fate of tetracycline and sulfamethoxazole and their corresponding resistance genes in microbial fuel cell coupled constructed wetlands // RSC Adv. 2016;6(98):95999e96005. https://doi: 10.1039/C6RA20509G
  49. Zhang, S., Song, H.L., Yang, X.L., Li, H., Wang, Y.W. A system composed of a biofilm electrode reactor and a microbial fuel cell-constructed wetland exhibited efficient sulfamethoxazole removal but induced sul genes // Bioresour. Technol. 2018; 256:224e231. https://doi: 10.1016/j.biortech.2018.02.023.
  50. Wen H., Zhu H., Yan B., Xu Y., & Shutes B. Treatment of typical antibiotics in constructed wetlands integrated with microbial fuel cells: roles of plant and circuit operation mode // Chemosphere, 2020;250:126252. https://doi: 10.1016/j.chemSphere.126252.
  51. Кулешова Т.Э, Черноусов И.Н., Удалова О.Р., Аникина Л.М. и др. Влияние спектральных особенностей световой среды на поглощение света листьями салата и его нетто-продуктивность // Биофизика. 2020. Т. 65. № 1. С. 112–124. https://doi: 10.31857/S0006302920010147. ЕDN: UTRQQF.
  52. Курманбаев А.А., Жатканбаев Е.Е., Садыков А.М., Хасенова Э.Ж., Молдагулова А.К., Кульмагамбетова Р.Х. др. Использование растительно-микробных топливных элементов для получения электрического тока

Файлы:

Язык
RuEn

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Количество скачиваний:3063