Дисертації (КББЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Біотехнологічні основи отримання електрики у рослинно-мікробних біосистемах(2023) Русин, Ірина Богданівна; Дячок, Василь ВолодимировичКатастрофічні наслідки глобальної зміни клімату: аномальна спека і затоплення, руйнівні урагани і посуха, які стали відчутні в кожному куточку планети в останні роки та прогнозоване затоплення цілих країн спонукають людство шукати нові екологічно безпечні енергоефективні технології із скороченням викидів парникових газів. В рамках переходу на нову стратегію вуглець-нейтральності, вагома роль відводиться біотехнологічним альтернативним джерелам енергії та озелененню, що визначається як важливий інструментарій боротьби, як з наслідками, так із причинами глобальної зміни клімату. В планах розвитку закладаються нові екологічні принципи екоміст із енергоефективними будинками та зеленими дахами на будівлях. В даному контексті розвиток інноваційної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для будинків та зелених дахів і природних екосистем, що представлене у дисертаційній роботі, має велику актуальність та практичне значення. Дослідження отримання біоелектрики із зелених насаджень як різновиду альтернативної енергетики швидко розвивається протягом останнього десятиліття. Оскільки теоретично розрахований максимум потужності енергії рослинно-мікробної біотехнології поки що недосягнутий, а також, актуальними є проблеми економічності і компактності та запобігання сезонним втратам електроенергії, важливими є експерименти, які спрямовані в напрямку їх вирішення. Дисертаційна робота присвячена розробці нової і екологічно безпечної, ефективної та бюджетної біотехнології рослинно-мікробної біоелектрики для енергоефективних будинків і їх дахів та оцінці біоелектропродуктивного потенціалу природних екосистем in situ. Сконструйовано кілька нових ефективних біосистем генерації біоелектрики для цілорічного використання у будинках і зелених дахах та досліджено їх ефективність в залежності від низки чинників: біологічних (внесення активних мікроорганізмів і аннелід, розвитку зеленої та кореневої біомаси, росту і виду рослин), технологічних (електродних матеріалів, способів підключення та структури біомодуля) та чинників середовища (температури і кількості опадів). Застосування бюджетних матеріалів в конструюванні біосистем, в тому числі, відходів електротранспорту як катодів, відходів харчової промисловості як контейнерів, а також, насіння рослин і саджанців широко поширених рослин та простих субстратів здешевлюють вартість біотехнології отримання біоелектрики без втрат ефективності. Біосистема, базована на водному подорожнику Alisma plantago-aquatica та її природних ризосферних мікроорганізмів дає змогу отримувати біоелектрику протягом всього року у енергоефективних будинках всередині приміщення. Показано високу кореляцію між генерацією біоелектрики та ростом рослин (коефіціент Пірсона становив від 0.67 до 0.98 в залежності від умов). Електропродуктивність біотехнологічних систем найвища у весняно-літній період та початок осіннього періоду в час найбільшої фотосинтетичної активності рослин. Найвища зафіксована сила струму рівна 58.6 мА при зовнішньому навантаженні 10 та максимальна потужність енергії 0.702 мВт/м PGA (plant growth area) при 200. Завдяки використанню саджанців рослин біотехнологія ефективно працює з перших днів після інсталяції та практично на повну потужність через 2 тижні після внесення в субстрат паростків рослин. Сезонне зниження продукції біоелектрики рівне 8.71% в при температурі 21±3°С та додатковим освітленням (12 годин). На закритих терасах та засклених балконах, що не опалюються, при різких температурних коливаннях від 5 до 26°С, продукція біоелектрики знижується в осінньо-зимовий період 39.91% без внесення сульфатредукуючих бактерій та на 19.98% із додаванням сіркобактерій. Біотехнологічна система продовжує генерувати біоелектрику і після загибелі рослин та припинення їх фотосинтетичної активності завдяки активності електрогенеруючих мікрооорганізмів, ймовірно, за рахунок рослинного опаду і накопичених запасних речовин та під індукцією бактерій Desulfovibrio sp. Даний факт відкриває перспективи бактерій Desulfovibrio sp. як важливого інструменту підсилення функціональності біосистем генерації біоелектрики. Біотехнологічна система з Festuca arundinacea ефективна круглорічно, а сезонне зниження рівня біоелектрики складає 13.18 %. Біосистема з F. arundinacea характеризувалася на 20.95 % вищою потужністю та була в 1.5 раз більш економічно вигідною, ніж біосистема з A. plantago-aquatica, що дає можливість використовувати її в енергоефективних будинках всередині як джерело біоелектрики. Коефіціент Пірсона показує високу кореляцію розвитку рослин та генерації біоелектрики біосистемою і складає 0.85. Біосистеми з A. plantago-aquatica та F. arundinaсea є фундаментом для розробки біосистем енергоживлення приладів, які споживають 50 – 100 мА та для LED-освітлення всередині будинків. Позитивний ефект бактерій Desulfovibrio sp. та аннелід Lumbricus terrestris як енхансерів, які підвищують генерацію біоелектрики біосистем з A. plantago- aquatica та C. palustris складав до 32.83% та 14.32% відповідно. Вперше досягнуто прогресу в компактності та кількості модулів біосистем при збереженні виходу біоелектрики. Показано позитивний вплив збільшення площі електродів та скорочення міжелектродної відстані на величини отримуваної біоелектрики в біосистемі, що виявлявся в різній мірі при різних застосовуваних опорах. При послідовному з’єднанні трьох та шести багатоелектродних біосистем напруга зростала в 2.9 – 6.3 раз, відповідно. При паралельному з’єднанні двох багатоелектродних біосистем сила струму зростала в 2.1 рази. Збільшення площі електродів одного біомодуля в 10 разів призводить до збільшення питомої потужності при 200 Ом в 3.95 раз. Продемонстровано зростання показників біоелектрики до 1.8 раз із скороченням відстані між електродами від 10 см до 1 см як при використанні опорів, так і без застосування навантаження (P < 0.05). Досліджені закономірності дозволили розробити ефективний та компактний 0.6 л 4-електродний біомодуль шляхом паралельного з’єднання двох катодів та паралельного з’єднання двох анодів з розмірами 12х9.5х5.5 см. Біомодуль характеризувався в середньому 1.02 ± 0.03 В в умовах відкритого кола та струмом короткого замикання 3.79 ± 0.11 мА. На його основі було розроблені дво- і три-модульні багатоелектродні біосистеми, базовані на пряних чи декоративних рослинах Ocimum basilicum і Helsinia soleirolii, які служили автономним та екологічно чистим джерелом живлення для кімнатної метеостанції, цифрового годинника, цифрового термометра/гігрометра та світлодіодів в режимі реального часу, заміняючи батарейки 1.5 В та 3.0 В. Максимальні зафіксовані значення густини струму в тримодульній біосистемі становили 407 мА/м2 та густини потужності 188 мВт/м2 PGA. Показана можливість та перспективність використання мохів як біокомпонента біосистем на дахах. Температура повітря та кількість опадів сукупно мали суттєвий вплив на функціонування даних біосистем на дахах та генерацію ними біоелектрики. Біосистеми з мохами функціонували на повну потужність при температурі вище +10°С та відсутності тривалих посух. Біосистеми, де конфігурація електродів забезпечувала в 1.65 рази більшу площу контакту з субстратом, дозволяли отримувати вищі в 1.22 рази значення біоелектрики. Проте технологічно їх контакти між електродами є більш вразливими до пошкодження силою розширення замерзлої води та вони в більшій мірі виходили з ладу після зимового періоду. Було вдосконалено структуру біомодулей і розроблено біосистеми, які функціонують з стабільними параметрами після зимового періоду. Осока шершаволиста Carex hirta є оптимальним біокомпонентом біосистем генерації біоелектрики для експлуатації у відкритому ґрунті на дахах, оскільки є зимостійкою, виживає в посушливих умовах та швидко відновлює електроактивність після зволоження. Біосистема на основі осоки C. hirta характеризувалися максимальною потужністю 950 мВт/м2 PGA та була ефективнішою в 1.7 разів від системи на основі мохів, що розкриває перспективи її використання для генерації біоелектрики на дахах при температурі вище 0oС та кількості опадів 5 мм/день. Тип кореневої системи, і, зокрема, наявність розвинутої мичкуватої кореневої системи чи кореневища, а також, високе накопиченням фотосинтетичної і кореневої маси є важливими прогностичними факторами для вибору ефективного рослинного біокомпонента для біосистем. Показано перспективність екосистем лісів, екосистем заболочених луків, агроекосистем фруктових дерев і садових кущів та агрокультур Zea mays, а також, урбоекосистем паркових та лісопаркових зон, техногенно забруднених газонів розділяючих зелених смуг з помірним забруднення важкими металами вздовж автомагістралей міста як джерела поновлюваної та стабільної зеленої енергії в кліматичних умовах заходу України. Біоелектрика фітомікробоценозів агрокультур, сильно забруднених газонів вздовж автотрас та біотопів занедбаних паркових зон з ущільненим ґрунтом внаслідок антропогенного навантаження була нижчою на 9.18%, 14.43% та 20.29% відповідно від біотопів екосистем лісу (P < 0.05). Фітомікробоценоз зелених смуг вздовж автотрас є високорезистнимим до забруднення важкими металами. Суттєве зниження їх біоелектропродуктивності спричиняється забрудненням лише одночасно кількома металами високого класу небезпеки, що перевищують ГДК (гранично допустиму концентрацію) більше як в 10 разів. Даний факт відкриває перспективи цього фітомікробоценозу як джерела електрики, оскільки даний тип забруднення зустрічається лише на невеликому сегменті розділяючих зелених смуг вздовж автотрас. Вперше розроблено біосистеми на основі нової пари електродів: графітових катодів і перфорованих оцинковано-сталевих анодів та на їх основі багатоелектродні біомодулі. Розроблена біотехнологія є основою для автономних датчиків і систем моніторингу екосистем, біоіндикаторів їх стану та LED (light emitting diod) освітлення як для енергоефективних будинків, так і для використання in situ. Біотехнології в землях сільськогосподарського призначення можуть служити єдиним джерелом енергії для датчиків вологості ґрунту, інноваційних систем моніторингу за складом ґрунту і ростом рослин та автономних систем поливу. В містах рослинно-мікробна біоелектрика може забезпечувати LED освітлення паркових територій та дитячих майданчиків, живити придорожнє освітлення. Застосування пряних і декоративних рослин в складі запропонованої біотехнології надає їй подвійне практичне значення: як поновлювального джерела електрики, а також для декорування приміщень або для кулінарії. Використання рослинно-мікробних біосистем замість батарейок для живлення приладів дозволяє суттєво знизити витрати ресурсів на виробництво батарейок та нівелювати проблему їх утилізації. Впровадження біосистем в енергоефективних будинках та природних екосистемах має істотне значення для зменшення емісії парникових газів через зниження експлуатації традиційних відновлювальних джерел енергії. Запропонована ідея комбінації паралельно-послідовного з’єднання багатоелектродних біосистем та редукування міжелектродної відстані є ефективним способом максимізації отриманої рослинно-мікробної біоелектрики. Розкритий потенціал екосистем in situ та сконструйовані біотехнології для енергоефективних будівель містять нові підходи в біологічному і технологічному компонентах, що мають прогрес у економічності, ефективності і цілорічному зборі біоелектрики, відкриваючи широкі перспективи для подальшого вдосконалення збору рослинно-мікробної біоелектрики.Документ Відкритий доступ Біотехнології штучного магнітомічення та природне магнітомічення клітин тварин(2021) Булаєвська, Марина Олександрівна; Горобець, Світлана Василівна