Біоелектрика екосистем лісів, заболочених лук та агроекосистем Західної України

  • Iryna Rusyn Національний університет Львівська політехніка http://orcid.org/0000-0002-6041-1245
  • Oleksandr Medvediev Науково-дослідний інститут автомобілебудування «Еталон» https://orcid.org/0000-0002-0824-9893
  • Bohdan Valko Національний університет Львівська політехніка
  • Serhii Nikitchuk Національний університет Львівська політехніка
Ключові слова: рослини; ґрунтові мікроорганізми; ґрунт; біоелектричний потенціал; біоелектрохімічна енергія; електроди; відновлювальна енергетика.

Анотація

Отримання біоелектрики з екосистем живих рослин та асоційованих з ними електрогенерувальних ґрунтових мікроорганізмів є інноваційним джерелом альтернативної енергії. Іn situ здійснено оцінку біоелектро-продуктивності екосистем лісових масивів, заболочених луків та агроекосистем Західної України у трьох зонах – північній (Полісся), центральній (Опілля) та південній (межа Покутсько-Буковинських Карпат і Чорногори). Найвищі показники біоелектрики ґрунту зафіксовано у фітомікробоценозах лісів. Середній рівень біоелектричного потенціалу в лісах становив 1080,5 мВ. Тільки дещо нижчими були середні біоелектричні показники в садах і заболочених луках, 1055,3 мВ і 1051,2 мВ, відповідно. Біоелектричний потенціал агрокультур істотно нижчий, за винятком Zea mаys L. Добовий рівень біоелектрики змінюється незначно із несуттєвим зниженням наприкінці світлового дня в частини зразків. Сезонні коливання рівня біоелектричного потенціалу від початку літа до пізньої осені у досліджених мікробно-рослинних асоціаціях є статистично незначними. Досліджено вплив вологості на генерацію біоелектричного потенціалу фітомікробоценозами. Виявлено позитивний вплив вологості ґрунту на генерування біоелектричного потенціалу. Встановлено зростання біоелектричного потенціалу в сухих ґрунтах, зумовлене активним фотосинтезом та акумуляцією вологи рослинами. Отримані результати розкривають перспективи лісових екосистем, екосистем заболочених луків і деяких агроекосистем як джерел поновлюваної та зеленої енергії при подальшому розробленні електробіотехнологічних аспектів.

Посилання

Akhani, H. (2014). Caltha palustris. The IUCN Red List of Threatened Species 2014: e.T167915A42321925. Retrieved from https://dx.doi.org/10.2305/IUCN.UK.2014-1.RLTS.T167915A42321925.en
Auсina, A., Rudawska, M., Leski, T., Skridaila, A., Riepsas, E., & Iwanski, M. (2007). Growth and mycorrhizal community structure of Pinus sylvestris seedlings following the addition of forest litter. Applied and enviromental microbiology, 73 (15), 4867-4873. https://doi.org/10.1128/AEM.00584-07
Barvinskyi, A. V., & Tykhenko, R. V. (2015). Land quality assessment and forecast. Kyiv: Medinform (in Ukrainian).
Baxter, J. W., & Dighton, J. (2001). Ectomycorrhizal diversity alters growth and nutrient acquisition of grey birch (Betula populifolia) seedlings in host-symbiont culture conditions. New Phytologist, 152, 139-149.
Bodnar, V. O. (2016). General characteristics of forests and forestry of Ukraine. Public report of the State Forest Resources Agency of Ukraine, Kyiv (in Ukrainian). Retrieved from http://dklg.kmu.gov.ua/forest/control/uk/publish/article?art_id=62921
Crow, P. (2005). The influence of soils and species on tree root depth. Edinburgh: Forestry Commission.
Dai, J., Wang, J.-J., Chow, A. T., & Conner, W. H. (2015). Electrical energy production from forest detritus in a forested wetland using microbial fuel cells. Global Chance Biology Bioenergy, 7, 244-252. https://doi.org/10.1111/gcbb.12117
De Schamphelaire, L., Van Den Bossche, L., Hai, S. D., Höfte, M., Boon, N., Rabaey, K., & Verstraete, W. (2008). Microbial fuel cells generating electricity from rhizodeposits of rice plants. Environmental Science & Technology, 42(8), 3053-3058. https://doi.org/10.1021/es071938w
Dobson, M. (1995). Tree root systems. Farnham: Arboricultural Advisory and Information Service.
Eismont, V. S. (2014). Features of the structure of the root system of pine trees on soils with and without rocky rocks in Central Polissya. Forestry and gardening, 4, 1-7 (in Ukrainian).
Eshel, A., & Beeckman, T. (2013). Plant Roots: The Hidden Half. Fourth Edition. Boca Raton: CRC Press.
Ganatsas, P., & Spanos, I. (2005). Root system asymmetry of Mediterranean pines. Plant and Soil, 278,75-83. https://doi.org/10.1007/s11104-005-1092-3
Helder, M., Strik, D. P. B. T. B., Hamelers, H. V. M., & Buisman, C. J. N. (2012). The flat-plate plant microbial fuel cell: The effect of a new design on internal resistances. Biotechnology for Biofuels, 5 (1), 70. doi: 10.1186/1754-6834-5-70
Hroisman, V. (2017). Strategy to improve the mechanism to control the use and protection of agricultural land state property and disposal. Kyiv: Cabinet of Ministers of Ukraine (in Ukrainian). https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/413-2017-%D0%BF
Hryhora, I. M., Vorobiov, Ye. O., & Solomakha, V. A. (2005). Forest swamps of Ukrainian Polissya (origin, dynamics, classification). Kyiv: Fitosotsiotsentr (in Ukrainian).
Ilina, O. V. (2007). Volynia swamps: features of distribution and anthropogenic changes. Scientific works of the Ukrainian Hydrometeorological Research Institute, 256, 367-372 (in Ukrainian).
Ivchenko, A. S. (2007). Marshlands of Ukraine. In Great Atlas of the world. Geographic Encyclopedia. (pp. 333-336). Kyiv: Amerkom Ukraina (in Russian).
Kaku, N., Yonezawa, N., Kodama, Y., & Watanabe, K. (2008). Plant/microbe cooperation for electricity generation in a rice paddy field. Applied Microbiology and Biotechnology, 79 (1), 43-49. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1410-9
Kalinin, M. I., Huz, M. M., & Debryniuk, I. M. (1998). Forest root science. Lviv: Ukrainian State Forestry University (in Ukrainian).
Kim, B.H., Park, H.S., Kim, H.J., Kim, G. T., Chang, I. S., J. Lee, & Phung, N. T. (2004). Enrichment of microbial community generating electricity using a fuel-cell-type electrochemical cell. Applied Microbiology and Biotechnology, 63, 672-681. https://doi.org/10.1007/s00253-003-1412-6
Kouzuma, A., Kaku, N., & Watanabe, K. (2014). Microbial electricity generation in rice paddy fields: recent advances and perspectives in rhizosphere microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology, 98 (23), 9521-9526. https://doi.org/10.1007/s00253-014-6138-0
Li, L., Du, Q., Ren, F., & Ma, X. (2019). Assessing spatial accessibility to hierarchical Urban Parks by multi-types of travel distance in Shenzhen. China International Journal of Environmental Research and Public Health, 16 (1038), 1-23. https://doi.org/10.3390/ijerph16061038
Liu, S., Song, H., Li, X., & Yang, F. (2013). Power generation enhancement by utilizing plant photosynthate in microbial fuel cell coupled constructed wetland system. International Journal of Photoenergy, Article ID 172010, 1-10. https://doi.org/10.1155/2013/172010
Logan, B. E., & Regan, J. M. (2006). Electricity-producing bacterial communities in microbial fuel cells. Trends Microbiology, 14, 512-518. https://doi.org/ 10.1016/j.tim.2006.10.003
Logan, B. E., Rossi, R., Ragab, A., & Saikaly, P. E. (2019). Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems. Nature Reviews Microbiology, 17 (5), 307-319. https://doi.org/10.1038/s41579-019-0173-x
Lovley, D. R., Ueki, T., Zhang, T., Malvankar, N. S., Shrestha, P. M., Flanagan, K. … Nevin, K. P. (2011). Geobacter: the microbe electric's physiology, ecology, and practical applications. Advances in Microbial Physiology, 59, 1-100. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-387661-4.00004-5
Lu, L., Xing, D., & Ren, Z. J. (2015). Microbial community structure accompanied with electricity production in a constructed wetland plant microbial fuel cell. Bioresource Technology, 195, 115-121. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.098
Maliuha, V. M., & Khryk, V. M. (2010). The fastening properties of the root system of the pine tree on the ravine and girder lands. Scientific reports National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 4 (20), 1-11 (in Ukrainian).
Mauer, O., Houskova, K., & Mikita, T. (2017). The root system of pedunculate oak (Quercus robur L.) at the margins of regenerated stands. Journal of Forest Science, 63 (1), 22-33. . https://doi.org/10.17221/85/2016-JFS
Mokriienko, V. A., & Tsentylo, L. V. (2011). Features of growth and development of corn, depending on the time of sowing and density of plants. Scientific reports National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 3 (25), 28-35 (in Ukrainian).
Munzenberger, B., Golldack, J., Ullrich, A., Schmincke, B., & Huttl, R. F. (2004). Abundance, diversity, and vitality of mycorrhizae of Scots pine (Pinus sylvestris L.) in lignite recultivation sites. Mycorrhiza, 14 (3), 193-202. https://doi.org/10.1007/s00572-003-0257-2
Nguyen, V., & Nitisoravut, R. (2019). Bioelectricity generation in Plant Microbial Fuel Cell using forage grass under variations of circadian rhythm, ambient temperature, and soil water contents. 2019 IEEE Asia Power and Energy Engineering Conference, Chengdu, China, 240-244. https://doi.org/10.1109/APEEC.2019.8720344
Ostonen, I., Rosenvald, K., Helmisaari, H.-S., Godbold, D., Parts, K., Uri, V., & Lohmus K. (2013). Morphological plasticity of ectomycorrhizal short roots in Betula sp and Picea abies forests across climate and forest succession gradients: its role in changing environments. Frontiers in Plant Science, 4, 335. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00335
Raudaskoski, M., & Salo, V. (2008). Dichotomization of mycorrhizal and NPA-treated short roots in Pinus sylvestris. Plant Signaling & Behavior, 3 (2), 113-115. https://doi.org/10.4161/psb.3.2.4972
Rusyn, I. B., & Medvediev, O. V. (2016). Biological method of producing bioelectricity from deep soil layers. Patent of Ukraine 112093, filed March 9, 2016, issued December 12, 2016 (in Ukrainian).
Strik, D. P. B. T. B., Hamelers, H. V. M., Snel, J. F. H., & Buisman, C. J. (2008). Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. International Journal of Energy Research, 32 (9), 870-876. https://doi.org/10.1002/er.1397
Simard, S. W., Asay, A., Beiler, K. J., Bingham, M. A., Deslippe, J. R., He, X., ... Teste, F. P. (2015). Resource transfer between plants through ectomycorrhizal fungal networks. In Horton, T. R. (Ed.), Mycorrhizal Networks (Vol. 224, pp. 133-176). (Ecological studies: Analysis and Synthesis). Dordrecht: Springer.
Strik, D. P. B., T. B., Timmers, R. A., Helder, M., Steinbusch, K. J., Hamelers, H. V., & Buisman, C. J. (2011). Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms. Trends in Biotechnology, 29 (1), 41-49. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2010.10.001
Sudirjo, E., Pim de Jager , Cees J. N., Buisman, C. J. N., & Strik, D. P. B. T. B. (2019). Performance and Long Distance Data Acquisition via LoRa Technology of a Tubular Plant Microbial Fuel Cell Located in a Paddy Field in West Kalimantan. Indonesia Sensors, 19, 4647. . https://doi.org/10.3390/s19214647
Takanezawa, K., Nishio, K., Kato, S., Hashimoto, K, & Watanabe, K. (2010). Factors affecting electric output from rice-paddy microbial fuel cells. Bioscience, Biotechnology & Biochemistry, 74, 1271-1273. https://doi.org/10.1271/bbb.90852
Timmers, R. A., Rothballer, M., Strik, D. P. B. T. B., Engel, M., Schulz, S., Schloter, M. … B., & Buisman, C. (2012). Microbial community structure elucidates performance of Glyceria maxima plant microbial fuel cell. Applied Microbiology & Biotechnology, 94 (2), 537-548. https://doi.org/10.1007/s00253-012-3894-6
Ueoka, N., Sese, N., Sue, M., Kouzuma, A., & Watanabe, K. (2016). Sizes of Anode and Cathode Affect Electricity Generation in Rice Paddy-Field Microbial Fuel Cells. Journal of Sustainable Bioenergy Systems, 06 (01), 10-15. https://doi.org/10.4236/jsbs.2016.61002
Wetser, K., Liu, J., Buisman, C. J. N., & Strik, D. P. B. T. B. (2015). Plant microbial fuel cell applied in wetlands: Spatial, temporal and potential electricity generation of Spartina anglica salt marshes and Phragmites australis peat soils. Biomass & Bioenergy, 83, 543-550. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2015.11.006
Wetser, K. (2016). Electricity from wetlands: Technology assessment of the tubular Plant Microbial Fuel Cell with an integrated biocathode. Part two: PMFCs applied in wetlands. Wageningen: Wageningen University. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.006
Zinchenko, O. I., Salatenko, V. N., & Bilonozhko, M. A. (2001). Plant Growing. Kyiv: Agricultural education (in Ukrainian).
Zuzuk, B. M., Kutsyk, R. V., Radko, O. V., Kulahina, M. A., & Serbin, A. H. (2007). Alder gray, alder white Alnus incana (L.) Moench. Magazine Pharmacist, 8, 1-10 (in Ukrainian).
Опубліковано
2020-06-04
Розділ
БІОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ РОСЛИННИХ УГРУПОВАНЬ