Возникновение разности потенциалов в живых системах обусловлено комплексом физико-химических процессов, обеспечивающих поддержание неравномерного распределения ионов на клеточном, тканевом и организменном уровнях. В процессе развития растений вдоль всего организма возникает градиент электрического потенциала, обусловленный диффузией ионов, концентрационными эффектами и различиями в интенсивностях биохимических процессов.

Биоэлектрохимические системы на основе электроактивных процессов в корнеобитаемой среде растений и сопутствующих микроорганизмов – растительно-микробные топливные элементы, представляют собой новый перспективный экологически чистый источник возобновляемой энергии. Хотя возможность практического использования биоэнергетических ресурсов уже показана во многих исследованиях, природу электрогенеза, включая его зависимость от генетически обусловленных физиологических особенностей растений и их состояния на протяжении развития, еще предстоит раскрыть.

Цель данного исследования заключалась в изучении динамики формирования разности потенциалов в корнеобитаемой среде различных сортов салата.

Измерение электрических характеристик осуществляли путем размещения биосовместимых коррозионостойких электродных систем в корнеобитаемой среде, что обеспечивало поверхностный электрический контакт с корневой системой и прикорневой зоной. Мониторинг изменения разности потенциалов проводили с помощью аппаратной платформы Arduino каждые 15 минут в течение всего вегетационного периода (28-32 дня). Опыты проводили в регулируемых условиях агробиополигона.

Для выявления роли растений в формировании электрогенных реакций в корнеобитаемой среде были измерены изменения разности потенциалов в биоэлектрохимической системе, содержащий питательный раствор без растений (контроль) и с растениями на примере салата сорта Тайфун. На начальном этапе эксперимента в питательном растворе наблюдалась генерация разности потенциалов порядка 70-100 мВ, по-видимому, являющееся следствием различий в концентрациях составляющих питательного раствора на верхнем и нижнем электродах. Можно сказать, что питательный раствор выступает аналогом электролита в гальваническом элементе. С течением времени напряжение в контрольной ячейке спадало, скорее всего, вследствие выравнивания концентраций. При выращивании растений разность потенциалов наоборот увеличивалась до ~200 мВ и была стабильна на протяжении всего вегетационного периода для салата. Вероятно, увеличение напряжение в биоэлектрохимической системе при размещение в нем растительных объектов связано с развитием корневой системы, жизнедеятельностью ризосферных микроорганизмов, транспортом минеральных веществ и, как следствие, усилением диффузионных процессов.

Для выбора растений, наиболее перспективных с точки зрения получения электроэнергии в ходе выращивания растительной продукции, было проведено исследование электрофизиологических свойств следующих сортов листового салата, различающихся эффективностью работы фотосинтетического аппарата: Solos F1, китайский курчавый, китайский красно-зеленый, Меркурий, Дубрава, Балет, Робин, Кокарда. Растения выращивали в торфяном грунте (Агробалт С, Россия) в разработанных нами вегетационно-облучательных установках в контролируемых условиях агробиополигона ФГБНУ АФИ.

Динамика разности потенциалов для исследованных сортов была схожая – наблюдали рост значений с ~200 мВ от начала вегетационного цикла до более 300 мВ к 15-ым суткам и затем стабилизацию. Среднее значение разности потенциалов в системе корнеобитаемая среда-растения составило 281±32 мВ для Solos F1, 221±42 мВ для для Китайский курчавый, 206±47 мВ для Китайский красно-зеленый, 306±32 мВ для Меркурий, 291±35 мВ для Дубрава, 289±27 мВ для Балет, 286±31 мВ для Робин, 272±37 мВ для Кокарда.

Наибольшее значение разности потенциалов в системе корнеобитаемая среда-растения было характерно для салата сорта Меркурий – оно достигало 430 мВ. При этом электрические характеристики растений напрямую не коррелировали с показателями биомассы. Масса надземной части растений в одной ячейки составила 47,8±8,6 г для Solos F1, 48,1±13,5 г для Китайский курчавый, 58±15,3 г для Китайский красно-зеленый, 71±9,3 г для Меркурий, 42,6±13,3 г для Дубрава, 113,1±25,8 г для Балет, 54,6±11,6 г для Робин, 82±26,4 г для Кокарда.

На основе полученных данных были сформированы представления об электрических характеристиках в корнеобитаемой среде различных сортов салата и предложена конструкция фитотопливного элемента – биоэлектрохимической системы на базе электрогенных процессов в системе корнеобитаемая среда-растения.

Таким образом, была показана возможность использования электрогенеза в системе корнеобитаемая среда-растения в качестве нового зеленого источника электроэнергии. Потенциал использования охарактеризованных выше биоэлектрохимических систем включает обеспечение электропитанием датчиков окружающей среды, источников света, беспроводных сенсорных сетей, интернета вещей, систем фитомониторинга в естественных условиях и защищенном грунте, удаленных районах, частичное энергоснабжение устройств поддержки жизнедеятельности растений в искусственных агроэкосистемах.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации (МК-4397.2022.5).

The occurrence of a potential difference in living systems is due to a complex of physicochemical processes that ensure the maintenance of an uneven distribution of ions at the cellular, tissue and organism levels. In the process of plant development, an electrical potential gradient arises along the entire organism, due to ion diffusion, concentration effects, and differences in the intensities of biochemical processes.

Bioelectrochemical systems based on electroactive processes in the root environment of plants and associated microorganisms - plant-microbial fuel cells - are a new promising environmentally friendly source of renewable energy. Although the possibility of practical use of bioenergetic resources has already been shown in many studies, the nature of electrogenesis, including its dependence on the genetically determined physiological characteristics of plants and their state during development, has yet to be revealed.

The purpose of this research was to study the dynamics of the potential difference formation in the root environment of various lettuce varieties.

Measurement of electrical characteristics was carried out by placing biocompatible corrosion-resistant electrode systems in the root environment, which provided surface electrical contact with the root and root zone. Potential difference changes were monitored using the Arduino hardware platform every 15 minutes during the entire growing season (28-32 days). The experiments were carried out under controlled conditions of the agrobiopolygon.

To reveal the role of plants in the formation of electrogenic reactions in the root environment, changes in the potential difference in a bioelectrochemical system containing a nutrient solution without plants (control) and with plants were measured using the lettuce variety Typhoon as an example. At the initial stage of the experiment, a potential difference of the order of 70–100 mV was observed in the nutrient solution, apparently due to differences in the concentrations of the nutrient solution components at the upper and lower electrodes. We can say that the nutrient solution acts as an analogue of the electrolyte in a galvanic cell. Over time, the voltage in the control cell decreased, most likely due to the leveling of concentrations. When growing plants, the potential difference, on the contrary, increased to ~200 mV and was stable throughout the entire growing season for lettuce. Probably, the increase in voltage in the bioelectrochemical system when plant objects are placed in it is associated with the development of the root system, the vital activity of rhizosphere microorganisms, the transport of mineral substances and, as a result, the intensification of diffusion processes.

To select the most promising plants in terms of obtaining electricity during the cultivation of plant products, a study was made of the electrophysiological properties of the following lettuce varieties, which differ in the efficiency of the photosynthetic apparatus: Solos F1, Chinese curly, Chinese red-green, Mercury, Dubrava, Ballet, Robin, Cockade. The plants were grown in peat soil (Agrobalt C, Russia) in the vegetative and irradiation installations developed by us under controlled conditions of the ARI agrobiopolygon.

The dynamics of the potential difference for the studied varieties was similar: an increase in values from ~200 mV from the beginning of the vegetation cycle to more than 300 mV by the 15th day and then stabilization was observed. The average value of the potential difference in the root environment-plant system was 281±32 mV for Solos F1, 221±42 mV for Chinese curly, 206±47 mV for Chinese red-green, 306±32 mV for Mercury, 291±35 mV for Dubrava, 289±27 mV for Ballet, 286±31 mV for Robin, 272±37 mV for Cockade.

The highest value of the potential difference in the root environment-plant system was typical for lettuce of the Mercury variety – it reached 430 mV. At the same time, the electrical characteristics of plants did not directly correlate with biomass indicators. The mass of the aerial parts of plants in one cell was 47.8±8.6 g for Solos F1, 48.1±13.5 g for Chinese curly, 58±15.3 g for Chinese red-green, 71±9.3 g for Mercury, 42.6±13.3 g for Dubrava, 113.1±25.8 g for Ballet, 54.6±11.6 g for Robin, 82±26.4 g for Cockade.

On the basis of the data obtained, ideas about the electrical characteristics in the root environment of various lettuce varieties were formed and the design of a phytofuel cell, a bioelectrochemical system based on electrogenic processes in the root environment-plants system, was proposed.

Thus, the possibility of using electrogenesis in the root environment-plant system as a new green source of electricity was shown. The potential for using the bioelectrochemical systems described above includes the provision of power supply to environmental sensors, light sources, wireless sensor networks, the Internet of things, phytomonitoring systems in natural conditions and protected ground, remote areas, partial power supply of plant life support devices in artificial agroecosystems.

This work was supported by a grant from the President of the Russian Federation (MK-4397.2022.5).