CC BY
1XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(2):307-323 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
ГЕОЭКОЛОГИЯ
Научная статья УДК 57:544.6 EDN: WATCRG
DOI: 10.21285/2500-1582-2023-3-307-323
Растительно-микробные топливные элементы: современное состояние и перспективы использования
С.С. Тимофеева1^, Д.И. Стом2, Д.О. Ашарапова1
1 Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск, Россия 2Иркутский государственный университет, г. Иркутск, Россия
Аннотация. 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
Финансирование: работа выполнена по гранту ИРНИТУ 18РАН/2020 «Техногенные риски Байкальского региона».
Для цитирования: Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные элементы: современное состояние и перспективы использования // XXI век. Техносферная безопасность. 2023. Т. 8. № 3. С. 307-323. https://doi.org/10.21285/2500-1582-2023-3-307-323. EDN: WATCRG.
GEOECOLOGY
Original article
Plant microbial fuel cells: the current state and potential applications
Svetlana S. Timofeeva1M, Devard I. Stom2, Daria O. Asharapova1
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russia 2Irkutsk State University, Irkutsk, Russia
Abstract. Phyto-treatment engineering structures have recently found wide application in the biotechnology of wastewater treatment. Currently, it is important to study and use the possibility of bioelectric power generation, as well as develop energy-efficient hybrid technologies based on plant-microbial fuel cells. The purpose of the
© Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О., 2023
https://tb.istu.edu/jour/index
w
307
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307-323 xxi CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
study is to summarize information on the ability of plant organisms to generate bioelectric potentials and to create plant-fuel cells as a component of an integrated phytotechnology for wastewater treatment in Eastern Siberia. The article shows applications of phytotechnologies for wastewater treatment using a system of algae, higher aquatic vegetation, microorganisms in different climatic zones, including the Arctic. These technologies have been implemented in China, where dozens of such facilities are annually built. The article describes the designs of plant-microbial fuel cells (PMFC), the electrogenic activity of s plants and microorganisms, promising areas for the use of microbial fuel cells, PMFC as power sources for small devices, sensors for early detection of water pollution. Design solutions for creating RMFC batteries for the neutralization of soils contaminated with antibiotics are presented.
Keywords: waste water, phytotechnology, purification, plant-microbial fuel cell, power generation Acknowledgements: The work was carried out under the IRNITU grant 18RAN/2020 "Technogenic risks of the Baikal region".
For citation: Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state and potential applications. XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost' = XXI century. Technosphere Safety. 2023;8(3):307-323. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2500-1582-2023-3-307-323. EDN: WATCRG.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из распространенных, экологически и экономически эффективной технологией обезвреживания сточных вод является биологическая очистка сточных вод, основанная на окислении органических веществ до минеральных. Загрязняющие вещества сточных вод являются источниками питания и энергии для микроорганизмов. При этом могут реализоваться два механизма биологической деструкции: анаэробный и аэробный. Анаэробная (в отсутствии кислорода) очистка используется при высоком содержании органических веществ (БПКп>10000 мг О2/л). В метан преобразуются органические загрязнители, проходя четыри стадии разложения: гидролиза углеводов, протеинов, липидов до мономеров (сахара, аминокислоты, жирные кислоты); далее идет стадия ферментативного разложения (ацитогенеза) мономеров до органических кислот, спиртов и альдегидов с последующим окислением до уксусной кислоты с выделением водорода; затем наступает стадия метаногенеза, побочным продуктом наряду с метаном образуется углекислый газ. При этом в незначительных количествах образуется безопасный для окружающей среды анаэробный активный ил, который утилизируется как органическое удобрение. Оборудование для данной технологии должно быть выполнено качественно и быть герметичным, требует соблюдения норм пожарной безопасности и качественного обслуживания.
Аэробная очистка осуществляется в открытых емкостях при продувании воздухом и использованием активного ила -смешанной культуры организмов различных систематических групп-бактерий, актиноми-цетов, грибов, водорослей и членистоногих. В данной технологии процесс окисления и обезвреживания компонентов сточных вод сопровождается выделением тепла, воды, углекислого газа и ростом избыточной биомассы активного ила, который следует постоянно удалять и утилизировать. Эту технологию реализуют в аэротенках, биофильтрах, мембранных биореакторах и т. д.
Размеры аэротенков и площади, занимаемые очистными сооружениями, достаточно велики и в последнее время предпочтение стали отдавать биореакторам, имеющим существенные преимущества перед классической биотехнологией: компактность (снижение площадей размещения, сокращение объемов и стоимости общестроительных работ), высокое качество очистки, устойчивость работы и низкие эксплуатационные издержки.
В настоящее время мировым трендом является ресурсосбережение и экологичность производственных процессов и это требует инновационных технологий, позволяющих оптимизировать решения по биотехнологическому обезвреживанию сточных вод с возможностью и их повторного использования, но и получения электроэнергии.
<w
308
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
Разработаны и эффективно внедряются фитотехнологии очистки сточных с использованием комплекса водорослей, высшей водной растительности, микроорганизмов [1-6]. В литературе опубликовано множество обзоров по фиторемедиационным технологиям обработки сточных вод, в том числе и в условиях Арктики [3], особенно широко эти технологии реализуются в Китае, где ежегодно строятся десятки таких сооружений [7-11]. В данной публикации отработаны и реализованы фитотехнологии очистки сточных вод разных производств [6] и технологии фитомайнинга благородных металлов [12].
В настоящее время ведутся научные исследования по разработке комплексной технологии обезвреживания сточных вод растительными организмами и созданию биоэлектрических систем (БЭС), когда при утилизации органических загрязнений в следствие метаболических превращений и электроактивных процессов в корнеобитаемом слое с участием микроорганизмов происходит электрогенерация. Энергетически затратные процессы очистки можно превратить в способ получения электроэнергии [13].
Цель настоящей работы - обобщить накопленные сведения по изучению способности растительных организмов генерировать биоэлектрические потенциалы и созданию растительно-топливных элементов как компонента комплексной фитотехнологии очистки сточных вод в условиях Восточной Сибири.
МЕТОДЫ
В настоящей работе проанализированы научные публикации зарубежных и российских ученых в области разработки технологий очистки сточных вод от органических загрязнителей в различных типах фитоинженерных сооружений и способность растительных организмов к электрогенерации в расти-тельньно-микробных топливных элементах с ретроспективой 10 лет. Приведены данные собственных исследований по созданию батареи из РТМЭ собственной конструкции.
РЕЗУЛЬТАТЫ Теоретические основы электрогенерации
В середине прошлого столетия учеными был обнаружена способность живых организмов генерировать биоэлектрические потенциалы [14,15]. Появилось научное направление биоэлектрогенез, в котором выяснялись непосредственные причины, лежащие в основе генерации биоэлектрических потенциалов, то есть механизмы их возникновения.
К настоящему времени механизм биоэ-лектрогенеза у животных изучен достаточно полно и применяется в медицине для диагностических целей. В отношении растительных организмов этого сказать нельзя, работы в данном направлении стали интенсивно развиваться при разработке экологически безопасных технологии очистки сточных вод и внедрением фитоинженерных очистных сооружений.
Первые исследования биоэлектрогене-рации в растительных организмах были выполнены на локомоторных растениях -мимозе и венериной мухоловке тремя исследователями действительным членом Британского Королевского общества Бердон-Сан-дерсоном, немецким естествоиспытателем Мунком и русским ботаником Н. Леваковским [14]. Они показали, что передача возбуждения у «чувствительных» растений осуществляется с помощью электрического сигнала, как и в возбудимых тканях животных (в нервно-мышечном препарате), определили скорость движения импульса, доказав, что двигательная реакция начинается значительно позднее того, как импульс достигает листа.
В последующих исследованиях были изучены механизмы возникновения электрических потенциалов в растительных клетках.
Исследованиями [13] установлено, что в живых организмах в следствие реализации комплекса физико-химических процессов, обеспечивающих поддержание неравномерного распределения ионов на уровне
https://tb.istu.edu/jour/index
ш
309
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307-323 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
клеток, тканей и организма, возникает разность потенциалов.
В растительных клетках имеется мембранный потенциал, возникающий за счет диффузии и активного переноса ионов между внеклеточной и внутренней средой. Разности потенциалов между участками тканей и органов растений, генерируемые в результате электрогенного активного транспорта, определяются физиологическим состоянием и разделяются на потенциалы покоя, действия, повреждения и течения.
Градиенты биоэлектрического потенциала (БЭП) возникают в результате протекания метаболических реакций вдоль всего растительного организма. Диффузия ионов, концентрационные эффекты и работа ионных насосов приводят к возникновению электрического тока в растительных организмах в процессе их жизнедеятельности. Электрогенные свойства наиболее интенсивно проявляются в системе корнеобитаемой среды - растения, что связано с поглощением и транспортом ионов в процессе минерального питания.
Наряду с диффузией ионов, сопутствующей жизнедеятельности растений, разделение и перемещение зарядов в корнеобитаемой среде может осуществляться электроактивными бактериями. Преобразование энергии химических связей органических веществ в электрическую энергию лежит в основе биотехнологического устройства — микробного топливного элемента, который уже нашел практическое применение [13].
Таким образом, к настоящему времени накоплены теоретические данные для создания и развития новых биотехнологических методов очистки от органических загрязнений и генерации биоэлектричества.
Микробные топливные элементы
Микробные топливные элементы (МТЭ) -это инновационная биоэлектрохимическая технология, осуществляющая естественное преобразование органических отходов в элек-
троэнергию. Принцип работы МТЭ основан на метаболической активности электрогенных микроорганизмов (электрогенов), которые служат биокатализаторами [16-19].
Критическим моментом в технологии МТЭ является процесс передачи электрона на электрод. Ранее считалось, что для эффективной работы МТЭ необходимо было присутствие в анодной камере веществ, которые могли бы получать электроны в клетке или на её поверхности и отдавать их на электродах -экзогенные медиаторы. Тем не менее сейчас мы уже знаем, что консорциумы микроорганизмов могут эффективно генерировать электричество без добавления экзогенных медиаторов. Существует несколько путей передачи электронов на поверхность электрода: с помощью экзогенных медиаторов (метиленовый синий, нейтральный красный и др.), эндогенных медиаторов (флавинов), прямой контакт белков-цитохромов, передача посредством электронопроводящих путей [19]. На рис.1 представлена схема МТЭ.
Распространение данной технологии ограничено низкими выходами мощности. Значительные потери электричества в топливных элементах связаны с низкой скоростью восстановления кислорода на катоде, вследствие высокого значения перенапряжения для данной реакции [21]. Множество различных микроорганизмов способны использовать электроны, полученные с катода, и различные акцепторы электронов, включая нитрат, сульфат и многие металлы, в своих метаболических процессах. Такие биокатоды имеют выигрышные преимущества по сравнению с абиотическими устройствами. К основным преимуществам можно отнести экономичность и возобновляемость организмов [22].
Растительно-микробные
топливные элементы
Растительно-микробный топливный элемент (РМТЭ) - технология производства электроэнергии, основанная на взаимодействии высших растений и микроорганизмов.
<w
310
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
Органические отходы
Анод
Катод
Мембрана
Клетки микроорганизмов
Рис. 1. Схема микробно-топливного элемента [20] Fig. 1. The diagram of a microbial fuel cell [20]
Считается, что органические соединения, выделяемые корнями растений, окисляются электрохимически активными бактериями, в результате чего выделяется углекислый газ и образуются свободные носители заряда (протоны и электроны) [23]. На рис. 2 представлена схема РМТЭ.
Принцип работы РМТЭ основан на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) между электродами, находящимися в средах с разными окислительно-восстановительными потенциалами и соединенные внешней цепью. В качестве ЭДС выступает корневая система растений - в результате транспорта положительных (Na+, К+, Са2+, Mg2+, NH4+ и др.)
и отрицательных (Cl-, NO,
H2PO4 ■
SO2- и
др.) ионов через системы пор, ионных помп, обменников и каналов плазматической мембраны клеток корня в ризосферной среде наблюдается разделение зарядов и возникает разность потенциалов. Причем направление движения ионов и, соответственно, направление электрического тока зависят от метаболизма корневой системы [24].
Как правило, в технологии РМТЭ используют три группы растений, в том числе сосудистые растения, макрофиты (в частности, гидрофиты) и травы, произрастающие в водно-болотных угодьях. Водно-болотные растения обычно применяют для создания биокатодов, поскольку
Рис. 2. Схема растительно-микробного топливного элемента
Fig. 2. The diagram of a plant-microbial fuel cell
они устойчивы к воде и имеют аэренхиму, легко переносящую кислород из атмосферы в корни. Стоит отметить, что от выбора и использования того или иного вида растений зависит выработка биоэлектричества в РМТЭ. Подбор растительного компонента - от места исследования. При работе in situ предпочтение отдают местным доступным видам, чтобы избежать интродукции инвазивных видов. Следует также учитывать количество корневых экссудатов, образующихся и доступных в ризосфере. Зачастую используют виды с ^-фотосинтезом (например, злаки), потому что они имеют высокие скорости преобразования солнечной энергии и выделяют большое количество ризоотложений, питая тем самым микроорганизмы [25].
Конструкции РМТЭ, известные в литературе в настоящее время, могут быть представлены в виде горшков, объемом до 5 л, стеклянных цилиндров, трубок и пластин, а электроды изготавливаются из графитовых гранул и графитового волокна. В качестве растений уже испытан достаточно
https://tb.istu.edu/jour/index
ш
311
2023 8(3) 3П7 323 XXI ВЕК- ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307 323 xxi CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
широкий круг наземных и водно-болотных растений [13]. Эффективность работы БЭС зависит от ряда параметров окружающей среды, прежде всего состава и условий корнеобитаемой и световой сред, вида микроорганизмов.
Перспективы и аспекты
применения МТЭ и РМТЭ
МТЭ и РМТЭ являются перспективными и стремительно развивающимися технологиями. Сообщается об успешных примерах их использования как в лабораторных, так и в полевых условиях. В 2013 году впервые было продемонстрировано, что с помощью МТЭ возможно зарядить телефон. Суточной зарядки от МТЭ хватило на питание телефона в течение 25 минут, в течение которых было получено и отправлено несколько SMS-со-общений, а также совершен исходящий звонок продолжительностью 6 минут 20 секунд (рис. 3). Это открывает многочисленные возможности для утилизации отходов в удаленных местах и доступного уровня полезной энергии [26].
Рис. 3. Моментальный снимок исходящего голосового вызова, подключенного к МТЭ Samsung E2121 (справа) на принимающий мобильный телефон HTC (слева); цифровой мультиметр справа показывает напряжение батареи [26]
Fig. 3. The snapshot of an outgoing voice call connected to MTE Samsung E2121 (right) to a receiving HTC mobile phone (left); the digital multimeter on the right shows the battery voltage [26]
В 2016 году МТЭ использованы в писсуарах Pee Power™ для испытаний в лагерях беженцев и трущобах. Установка была собрана и протестирована в полевых условиях на музыкальном фестивале в Гластонбери [27]. Также была разработана и успешно испытана концепция биоэлектрохимического септика (рис. 4) или системы биоэлектрического туалета (БЭТ) емкостью 100 л для обработки отходов жизнедеятельности человека, поступающих из общежитий в Индийском технологическом институте Харагпур. БЭТ продемонстрировал эффективность удаления органических веществ на уровне 87-92 % и показал свою эффективность в зарядке мобильных аккумуляторов и светодиодных лампочек с подсветкой с использованием собранного электричества [28].
Рис. 4. Наглядное изображение полевого биоэлектрического туалета объемом 1,5 м3, установленного в IIT Kharagpur [28]
Fig. 4. Visualization of a 1.5 m3 bioelectric field toilet installed at IIT Kharagpur [28]
Другие типы МТЭ также продемонстрировали способность питать датчики окружающей среды для мониторинга качества воды. Например, сообщалось, что осадочные МТЭ используют для питания метеорологических буев (рис. 5) [29].
Потенциальное использование технологии МТЭ в качестве датчика было впервые продемонстрировано в 2003 году Ким и соавт. Авторы показали, что содержание органических веществ в анолите корре-
т
312
1
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
Рис. 5. Метеорологический буй, питающийся от осадочного МТЭ [30]
Fig. 5. Wteather buoy powered by sedimentary MFC [30]
лирует с выходным напряжением, генерируемым МТЭ, с выдающейся стабильностью в полевых условиях до 5 лет. Впоследствии было продемонстрировано использование технологии МТЭ для мониторинга рН, летучих жирных кислот (ЛЖК), патогенов, меди, хрома, железа и нитратов, кадмия, цинка и пестицидов. Датчики на основе МТЭ обладают большим потенциалом в качестве средств раннего обнаружения загрязнения воды в полевых условиях, благодаря их надежности, простоте конструкции и эксплуатации, экономической эффективности и потенциальной автономности. В настоящее время на рынке имеются примеры датчиков на основе МТЭ, такие как система биомониторинга НАТОХ-2000 и онлайн-анализатор биохимического потребления кислорода (БПК) HABS-2000 [31].
Как правило, исследования РМТЭ являются одним из дополнительных компонентов исследований по очистке сточных вод или фиторемедиации. Следовательно, основной цели использования растений и микробов в устойчивой энергетике не придается равного значения. Таким образом, важно исследовать исключительно потенциал производства электроэнергии и разрабатывать усовершенствованный дизайн и конфигурацию РМТЭ. В допол-
нение к этому следует изучить больше видов растений с высокой способностью генерировать биомассу, более высокой продолжительностью жизни и высокой солеустойчивостью для производства электроэнергии. Если невозможно генерировать больше энергии с помощью одной конструкции РМТЭ, тогда несколько РМТЭ также будут подключены для выработки большей мощности [32].
Поддержание постоянной выходной мощности и минимизация производственных затрат являются двумя основными проблемами, связанными с этой технологией, ровно как и с технологией МТЭ. Все аспекты, такие как использование добавок биоугля, повышение солености субстрата, которые доказали свою эффективность в повышении мощности выработки электроэнергии РМТЭ, должны быть учтены при модернизации конструкции. В дополнение к этим вмешательствам в систему необходимо также включить растения, устойчивые к металлам при очистке сточных вод, для изучения изменений в производительности РМТЭ и аккумуляции поллютантов [33]. Методы биовосстановления и фиторемедиации тяжелых металлов с помощью бактерий также могут сочетаться с технологией РМТЭ для выработки высоких потенциалов [34]. Более того, эндофиты также могут быть включены в эту систему из-за их метаболического разнообразия и превосходной способности к биореме-диации [35].
Пусть технологии МТЭ и РМТЭ еще находятся на начальном уровне, но они имеют большой потенциал развития. Сейчас эти устройства находят применение в качестве источников питания для небольших устройств, датчиков для раннего обнаружения загрязнения воды, а также систем очистки сточных вод и иловых осадков. Оптимизация МТЭ и РМТЭ позволит использовать разнообразные отходы, утилизируя их с одновременным получением электроэнергии.
https://tb.istu.edu/jour/index
ш
313
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307-323 xxi CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
Обезвреживание антибиотиков в
МТЭ и РМТЭ
Одной из острых и пока еще малоисследованных проблем является загрязнение водной среды лекарственными препаратами. В первую очередь это касается антибиотиков, поскольку они ответственны за развитие антибиотикорезистентности у микроорганизмов и представляют угрозу для здоровья человека [36]. Антибиотики, в отличие от других загрязняющих веществ, до недавнего времени не вызывали особого интереса. На сегодняшний день существуют два направления в исследовании антибио-тиковой нагрузки на окружающую среду:
1) изучение поведения антибиотиков и их трансформация;
2) влияние антибиотиков на организмы.
Стоит отметить, что некоторые антибиотики сохраняются долгое время в окружающей среде, особенно в почве. Другие быстро подвергаются распаду [37].
В сточные воды антибиотики попадают наряду со своими метаболитами. Их поведение, трансформация и токсичность в водной среде являются менее изученными. Источниками антибиотиков в городских сточных водах являются жилищный сектор, медицинские учреждения, ветеринарные клиники и фармацевтические предприятия [38]. Различные антибиотики часто обнаруживают в грунтовой, питьевой и сточных водах, а также в почвах, подверженных сельскохозяйственной обработке. Антибиотики широко распространены в окружающей среде и оказывают влияние как на водные, так и наземные организмы [39].
На данный момент существует труднообозримое количество исследований, касающихся антибиотиковой нагрузки на природные среды и появления генов антибиотикоустойчивости у микроорганизмов. Ключевые моменты представлены в некоторых обзорах отечественных и зарубежных авторов [40]. Луиза К. и соавторы сопоставили 887 концентраций различных антибиотиков в окружающей среде из 40
рецензируемых статей. Затем авторы определили - являются ли эти концентрации биологически значимыми. Они сравнили их с минимальными избирательными концентрациями, обычно определяемыми как от 1/4 до 1/230 от минимальной ингибирующей концентрации (МИК). Отмечено, что в целом концентрации антибиотиков, зарегистрированные в пробах воды и донных отложениях, были одинаковыми. Показано, что концентрации антибиотиков в окружающей среде, вероятно, влияют на микробную экологию и стимулируют селекцию устойчивых к антибиотикам микроорганизмов [41].
Было проведено немало исследований с МТЭ, в которых продемонстрировано удаление антибиотиков. В обзорных статьях, опубликованных Ян и соавторами [42] и Чжан и соавторы [43], описано обезвреживание антибиотиков и гены устойчивости к антибиотикам в условиях МТЭ. Представлено влияние конфигурации реактора.
Влияние МТЭ на очистку искусственных сточных вод с сульфаниламидами аналогично или даже превосходит традиционную анаэробную технологию. Так, удаление сульфаметоксазола с помощью МТЭ при рН 6,5-7,9 составило 43,9-93,9 % [44]. Удаление сульфаметоксазола, сульфа-диазина и сульфаметоксазола из синтетических сточных вод с использованием МТЭ составило 99,46-99,53 %, 13,39-66,91 % и 32,84-67,21 % соответственно [45]. Чжан и соавт. исследовали удаление сульфамоно-метоксина с помощью однокамерного МТЭ при сезонных колебаниях температуры. Системе потребовалось больше времени для достижения стабильного напряжения, чем у МТЭ без влияния антибиотика. Однако по-прежнему было продемонстрировано снижение концентрации сульфамономе-токсина (10 мг/л, 92,83 %) [46].
МТЭ оказывают определенное обезвреживающее воздействие по отношению ко многим антибиотикам. Удаление пенициллина при использовании однокамерного МТЭ (1 г/л глюкозы и 50 мг/л пенициллина
<w
314
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
в качестве субстрата) составило 98 % через 24 часа, а максимальная удельная мощность - 101,2 Вт/м3[47] исследовано производительность МТЭ с точки зрения деградации хлорамфеникола и обнаружили, что примерно 84 % 50 мг/л антибиотика разлагалось в течение 12 часов.
Но высокая концентрация хлорамфеникола оказывала биологическое инги-бирующее действие на электроактивные микроорганизмы в аноде. Напряжение МТЭ было немного ниже при исходной концентрации антибиотика 30 мг/л и резко падало при концентрации выше 50 мг/л [48].
Исследования по обезвреживанию антибиотиков в РМТЭ также известны. Имеющаяся литература показала, что сульфометаксозол и тетрациклин могут быть успешно удалены в диапазоне концентраций 200-800 мг/л [49]. Чжан и соавторы обнаружили, что кодирование РМТЭ с помощью биопленочного электродного реактора повышало удаление сульфо-метаксозола в высоких концентрациях. (>99,29 %) [50]. В исследовании Х. Вена и соавт. оценена эффективность удаления сульфометоксазола и тетрациклина в РМТЭ. Было продемонстрировано эффективное обезвреживание антибиотиков (сульфометоксазола на 99,70-100 % и тетрациклина 99,66-99,85 %). Кроме того, РМТЭ с замкнутым циклом продемонстрировали лучшую эффективность удаления ХПК, чем РМТЭ с открытым циклом, независимо от повышения концентрации ХПК и антибиотиков во входящем потоке [51].
Таким образом, гибридная технология, позволяющая производить очистку от органических загрязнителей и осуществлять генерацию электроэнергии за счет активации окислительных процессов в ризосфере, - инновационное перспективное направление по сравнению с традиционными, БЭС более рентабельны и устойчивы, так как имеют преимущество, связанное с возобновляемостью биоэнергетических ресурсов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящее время в литературе сообщается о возможности создания батарей РТМЭ для генерации токов большой величины, чем в отдельном элементе. Изучены электрогенные свойства растительно-микробных топливных элементов при сборке одиночных ячеек в батарею. Экспериментально исследованы и сравнены работа одиночной ячейки и двух вариантов организации электрической цепи - параллельное и последовательное соединение ячеек [52, 53, 54].
Основываясь на результатах экспериментальных исследований по очистки почв от антибиотиковых загрязнений в РМТЭ на основе риса и микроорганизмов М. ¡Меиэ 1-1 конструкции НИИ Биологии ИГУ (рис. 6) авторы разработали конструкцию вертикального сада путем создания батареи из последовательно соединенных медным проводом ячеек.
Рис. 6. РМТЭ на основе риса и микроорганизмов Fig. 6. PMFC based on rice and microorganisms
Конструкция вертикального сада имеет вид стеллажа 7750х500х2700мм, установленного в помещении размером 10000x1000x5000 мм. Параметры микроклимата соответствуют «ГОСТ 12.1.005-88. Межгосударственный стандарт».
https://tb.istu.edu/jour/index
W
315
л/) ^ -¿к/ AZ
2023;8(3):307-323
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISSN 2500-1582 (print) ISSN 2500-1574 (online)
□
Рис. 7. 1. Бочок 55 л; 2. Ультрафиолетовая лампа; 3. Система капельного полива; 4. Ножки Fig. 7. 1. Barrel 55 l; 2.UV lamp; 3. Drip irrigation system; 4. Legs
-a в
пннпиппппп
—R
04
ГГ
-
s
S
<n
Рис. 8. Вид одного ярусного стеллажа. 1. Ультрафиолетовая лампа; 2. Ячейки с РМТЭ; 3. Система капельного полива; 4. Ножки; 5. Ящик для слива воды
Fig. 8. View of one tiered rack. 1.UV lamp; 2. Cells with RMTE; 3. Drip irrigation system; 4. Legs; 5. Water drain box
316
https://tb.istu. edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
На рис. 7, 8 приведен вариант вертикального сада.
Конструкция будет имеет 5 полок и 5 ярусов, каждая из полок имеет размер 155x50, а высота яруса 2 м 70 см.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ результатов, касающихся фито-технологии очистки сточных вод и биоэ-лектрогенерации с использованием РТМЭ, показал, что данные исследования сегодня являются перспективными для решения практических задач обезвреживания загрязненных вод и территорий. Это касается прежде всего загрязнения лекарственными препаратами, среди которых опасные антибиотики, так как возникает проблема анти-биотикоустойчивости и трудности лечения
инфекционных заболеваний. Нам удалось испытать батарею из ячеек растительно-микробных топливных элементов для обезвреживания почв от антибиотиков и создать конструкцию вертикального сада путем последовательного соединения ячеек. Наиболее эффективными очистительными свойствами обладает рис и акти-нобактерии из семейства Micrococcaceae Micrococcus luteus - облигатный аэроб широко распространенный в окружающей среде. Бактерии встречаются в грунте, воздухе, пыли, являются частью нормальной микрофлоры человеческого организма, обитают на коже млекопитающих и человека, не представляют никакой опасности для индивидов с нормально функционирующей иммунной системой.
https://tb.istu.edu/jour/index
W
317
Ну
Список источников
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. Техносфернаябезопасность.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 E.K,ApollonW., ShuangC., 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.
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307-323 xxi CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
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/jJwpe.
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 disproportionate // 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. leropoulos loannis 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.
29. 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.
30. Franks A.E., Nevin K.P. Microbial Fuel Cells. A Current Review // Energies. 2010. Vol. 3. P. 899-919. https:// doi: 10.3390/en3050899.
31. 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.
32. 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.
33. 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.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
<w
318
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
37. 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.
38. 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)
39. 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.
40. 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.
41. 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.
42. 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.
43. 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.
44. 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.
45. 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.
46. 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.
47. 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.
48. 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.
49. 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.
50. 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.
51. 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.
52. 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.
53. 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. EDN: UTRQQF.
54. 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 и очистки сточных вод // Научное обозрение. 2022. № 3. С. 21-26. https://doi: 10.17513/srbs.1279.
References
1. Kazmiruk V.D. Water purification by phytotechnological methods. Vodoochistka. Vodopodgotovka. Vodosnabzhenie = Water treatment. Water treatment. Water supply. 2015;5-6:66-70. (In Russ). EDN: TYYZYX.
https://tb.istu.edu/jour/index
Ш
319
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ISSN 2500-1582 (print)
2023;8(3):307-323 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY ISSN 2500-1574 (online)
2. Kazmiruk V. D. Modern trends in the use of phytotechnologies for water purification and protection. Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya = Theoretical and applied ecology. 2016;3:76-81. (In Russ). EDN: YGHJTJ.
3. Ivanova L.A. Prospects for hydroponic cultivation of plants in Murmansk region. Apatity: KNTs RAN, 2006: 106. (In Russ). EDN: QKYEUF.
4. Kalaida M.L. Bioplato as a method of post-treatment of drainage waters of the city and waste waters of industrial enterprises of Khamitov. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki = Power engineering: research, equipment, technology. 2009; 7-8:123-129. (In Russ). EDN: KVTSXX.
5. Kalaida, M.L. Post-treatment of industrial wastewater with the help of higher aquatic plants. Ekologiya i promyshlennost' Rossii = Ecology & Industry of Russia. 2010;3:33-35. (In Russ). EDN: MTWCUT.
6. Timofeeva S.S., Ul'rikh D.V. Innovative Phytotechnologies for the Rehabilitation of Territories Contaminated by Mining in the Southern Urals. Novosibirsk: Geo; 2018. 192 p. (In Russ).
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 progress. 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. Timofeeva S.S., Drozdova I.V., Boboev A.A., Khuzhzhiev S.O., Farmanova M.A. Promising technologies for bioremediation of wastewater from gold mining enterprises in Uzbekistan. XXI vek. Tekhnosfernaya bezopasnost=XXIcentury. Technosphere Safety. 2022;7(4):322-333. (In Russ). https://doi.org/10.21285/2500-1582-2022-4-322-333. EDN: NBGHAY.
13. Kuleshova T.E., Galushko A.S., Panova G.G., Volkova E.N., Apollon W., Shuang C., Sevda S. Sel'skokhozyaistvennaya biologiya = Agricultural biology. 2022;57(3):425-440. (In Russ). https://doi:10.15389/ agrobiology. 2022.3.425rus.
14. Opritov V.A., Pyatygin S.S., Retivin V.G.. Moscow: Nauka; 1991. 216 p. (In Russ).
15. Opritov V.A. Electrical signals in higher plants. Sorosovskii obrazovatel'nyi zhurnal = Soros Educational Journal. 1996;10:22-27. (In Russ).
16. Yan WF, 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/jjwpe.
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. Debabov V.G. Electricity Production by Microorganisms (Review) Mikrobiologiya = Microbiology. 2008;77(2):149-157. (In Russ). EDN: IJKHGJ.
20. Konovalov M.S., Konovalova E.Yu., Egorova I.N., Zhdanova G.O., Stom D.I. Fototrofy v al'ternativnoi energetike. Izvestiyavuzov. Prikladnaya khimiya ibiotekhnologiya=Proceedings of Universities. Appliedchemistry and biotechnology. 2021;11(3):358-371. (In Russ). 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.
22. Sulonen M.L.K.. Long-term stability of bioelectricity generation coupled with tetrathionate disproportionate. Bioresource Technology. 2016;216:876-882.
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.
iW
320
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
24. Kuleshova T.E., Gall' N.R., Galushko A.S., Panova G.G. Electrogenesis of a plant-microbial fuel cell with parallel and series connection of cellsro Zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics. 2021;91:510-518. (In Russ). https:// doi:10.21883/JTF.2021.03.50531.185-20. 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. leropoulos loannis A., et al, Waste to real energy: the first MFC powered mobile phone. Phys Chem Chem Phys. 2013;15(37):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;392:150-158. 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;38:1-10. https:// doi: 10.1016/j.jwpe.2020.101566.
29. Santoro C. Microbial fuel cells: From fundamentals to applications. A review. Journal of Power Sources. 2017; 356:225-244. https:// doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.03.109.
30. Franks A.E., Nevin K.P. Microbial Fuel Cells. A Current Review. Energies. 2010;3:899-919. https:// doi: 10.3390/en3050899.
31. Gonzalez Olias L., Lorenzo M. Di. Microbial fuel cells for in-field water quality monitoring. RSC Advances. 2021;11( 27):1-11. https:// doi: 10.1039/d1ra01138c.
32. Maddalwar S., Nayak K. K., Kumar M., & Singh L. Plant microbial fuel cell: opportunities, challenges, and prospects. Bioresource Technology. 2021;3:125-172. https:// doi: 10.1016/j.biortech.
33. 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. P101725.
34. 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. P. 101-125. https:// doi: 10.1016/j.eti.2021.101725.
35. 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):105-147. https:// doi: 10.1016/j.jece.
36. Carvalho J.F., Moraes J.E. Treatment of simulated industrial pharmaceutical wastewater containing amoxicillin antibiotic via advanced oxidation processes. Environmental Technology. 2020:1-37. https://doi:10.1080/09593330.2020.1745296.
37. Rooklidge S.J. Enviromental antimicrobial contamination from terraccumulation and diffuse pollution pathways. Science of the Total Enviroment. 2004;325:1-13.
38. 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. [Accessed 22 August 3023]. URL.: https://ansp. md.
39. Arslanova E.F. Antibiotics in wastewater - a 21st century problem Sistema znanii: obrazovatel'nye initsiativy i razvitie tvorcheskogo potentsiala sovremennoi nauki: sbornik nauchnykh trudov (Kazan', 2021) = Knowledge system: educational initiatives and development of the creative potential of modern science: collection of scientific papers (Kazan, 2021). Kazan': OOO "SitIvent", 2021:169-174. (In Russ). EDN: HFBTTM.
40. 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.
41. 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, 202;99: 21-27. https:// doi:10.1016/j.jes.2020.05.030. 10.1016/j.jes.
42. 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.
43. 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.
44. 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.
45. 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.
https://tb.istu.edu/jour/index
Ш
321
m^k;
2023;8(3):307-323
XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY
ISSN 2500-1582 (print) ISSN 2500-1574 (online)
46. 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;146:107-109. https:// doi: 10.1016/j.bej.
47. 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;168:572-576. https:// doi: 10.1016/j.cej.2011.01.025.
48. 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.
49. 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.
50. 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.
51. 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. 256:224e231. https://doi: 10.1016/j.biortech.2018.02.023.
52. 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.2020.126252.
53. Kuleshova T.E, Chernousov I.N., Udalova O.R., Anikina L.M., i dr. The influence of the spectral properties of the lighting environment on light absorption by lettuce leaves and the net productivity of lettuce. Biofizika = Biophysics. 2020;65(1):112-124. (In Russ.). https://doi: 10.31857/S0006302920010147. EDN: UTRQQF.
54. Kurmanbaev A.A., Zhatkanbaev E.E., Sadykov A.M., Khasenova E.Zh., Moldagulova A.K., Kul'magambetova R.Kh., Usenova A.A., Shoiynbaeva A.S., Kurtibai K.A. Use of plant-microbial fuel cells to generate electricity and treat wastewater. Nauchnoe obozrenie = Scientific Review. 2022;3:21-26. (In Russ.). https://doi: 10.17513/srbs.1279.
Информация об авторах
Тимофеева Светлана Семеновна,
д.т.н., профессор,
заведующий кафедрой
промышленной экологии и БЖД,
Иркутский национальный исследовательский
технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,
Россия,
Стом Дэвард Иосифович,
д.т.н., профессор, Научно-исследовательский институт биологии,
Иркутский государственный университет, 664003, г. Иркутск, ул. Ленина, 3, Россия, [email protected]
Ашарапова Дарья Олеговна,
магистрант,
кафедра промышленной экологии и БЖД,
Иркутский национальный исследовательский
технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,
Россия,
Information about the authors
Svetlana S. Timofeeva,
Doc. Sci. (Eng.), Professor, Head, Industrial
Ecology and Life Safety Department, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., 664074 Irkutsk, Russia,
Devard I. Stom,
Doc. Sci. (Eng.), Professor, Research Institute of Biology, Irkutsk State University, 3 Lenin St., Irkutsk 664003, Russia,
Daria O. Asharapova,
Master Degree Student,
Industrial Ecology and Life Safety Department,
Irkutsk National Research
Technical University,
83 Lermontov St., 664074 Irkutsk,
Russia,
iW
322
https://tb.istu.edu/jour/index
Тимофеева С.С., Стом Д.И., Ашарапова Д.О. Растительно-микробные топливные... Timofeeva S.S., Stom D.I., Asharapova D.O. Plant microbial fuel cells: the current state...
Вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
Информация о статье
Поступила в редакцию 29.07.2023. Одобрена после рецензирования 24.08.2023. Принята к публикации 19.09.2023.
Contribution of the authors
The authors contributed equallyto this article.
Conflictof interests
The authors declareno conflict of interests.
All authors have read and approved the final manuscript.
Information about the article
The article was submitted 29.07.2023. Approved after reviewing 24.08.2023. Accepted for publication 19.09.2023.
https://tb.istu.edu/jour/index
w
323
ША)
