Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 492, № 1, стр. 246-250

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для обеспечения глубокого окисления метана и других возможных летучих и взвешенных органических соединений был выбран принцип нагрева каталитической камеры с помощью индукционной печи. Принципиальное устройство каталитической камеры из нержавеющей стали наполненной платиновым катализатором и ее внешний вид показан на рис. 1. Данную камеру устанавливали внутрь медной спирали индукционной печи и нагревали до требуемой температуры. Воздух, проходящий через платиновый катализатор, накаляется, в результате чего происходит каталитическое окисление содержащихся в нем органических примесей.

Рис. 1.

Внешний вид и принципиальная схема устройства каталитической камеры глубокой очистки воздуха с платиновым катализатором: (1) вход воздушного потока; (2) выход воздушного потока; (3) спираль индукционной печи; (4) керамический изолятор; (5) окно наблюдения за калением каталитической камеры; (6) платиновый катализатор.

Размеры камеры и интенсивность протока воздуха подбирались таким образом, чтобы такие параметры, как время контакта с катализатором, общая площадь контакта катализатора и температура накаливания были не меньшие, чем в работе ранее созданной установки [7]. Рабочий объем камеры составлял 13.6 мл, катализатор – платиновая стружка, массой 21.1 г и общей площадью 105 см², скорость протока газа – 1 л/мин.

Апробацию работы вновь созданной каталитической камеры проводили в двух экспериментах: 1) в замкнутом газовом контуре, подключенном к реактору “мокрого” сжигания [7], для окисления газа, выделяющегося из реактора при утилизации экзометаболитов человека и 2) в замкнутом газовом контуре, подключенном к герметичной камере с вегетирующими растениями, для оценки возможного негативного влияния на высшие растения газовой среды камеры после каталитической обработки.

Для подключения испытуемой системы глубокой каталитической очистки газообразных выделений в газовый контур реактора “мокрого” сжигания был встроен газгольдер – для хранения выделившегося из реактора газа, водный замок – для предотвращения детонации газа в газгольдере в случае образования вспышки в каталитической камере, и воздушный насос – для цикличного прогона воздушной смеси из газгольдера через каталитическую камеру по замкнутому воздушному контуру. Такой способ организации газового контура позволяет осуществлять глубокую каталитическую очистку газа, полученного из реактора “мокрого” сжигания, после окончания его работы за временной период с учетом требований эксперимента и независимо от дальнейшей работы реактора.

После сжигания смеси экзометаболитов человека и H₂O₂ (36–38 вес. %) в реакторе с рабочим объемом 1.25 л по методике, описанной в работе [8], была собрана газовая смесь объемом 19 л. В опытном варианте собранный газ пропускали через каталитическую камеру, нагретую до 900 ± ± 50°C со скоростью 1 л/мин в течение трех суток для исключения фактора недостаточного времени контактирования газа с катализатором. В контрольном варианте собранную после минерализации экзометаболитов газовую смесь не подвергали каталитической обработке. Наличие летучих органических соединений в газах обоих вариантов определяли на масс-спектрометре по методике описанной в статье [9].

В эксперименте с высшими растениями в качестве тест-объекта были выбраны растения пшеницы возрастом три недели, выращиваемые методом гидропоники на почвоподобном субстрате [10]. Растения опытного варианта на посевной площади 580 см² были помещены в герметичную вегетационную камеру на 7 суток. Условия в камере были следующие: освещенность 150–175 Вт/м² ФАР, температура 24 ± 1°С, содержание O₂ составляло 18.25–24.5%, CO₂ – 800–2500 ppm, полив один раз в сутки. В данном эксперименте по реакции растений оценивали возможность образования токсичных соединений в результате каталитической обработки атмосферного воздуха, поэтому газ реактора “мокрого” сжигания использован не был. Подключение каталитической камеры осуществляли на третьи сутки, после чего воздух камеры с растениями непрерывно пропускался через накаленный катализатор со скоростью 1 л/мин вплоть до окончания эксперимента. В контрольном варианте растения того же возраста и плотности посадки росли в открытой камере при тех же условиях, за исключением концентрации кислорода и углекислого газа, которые имели атмосферные значения. Состояние растений до подключения каталитической камеры (перед герметизацией вегетационной камеры) и после ее отключения (после разгерметизации вегетационной камеры) оценивали по показаниям импульсно модулированной флуоресценции хлорофилла [11]. Измерения были выполнены на флуориметре PAM 2100 (Walz, Германия) на интактных листьях пшеницы 4 яруса (считая снизу) в 8 биологических повторностях. Для измерений использовали среднюю часть листовой пластинки. Указанные различия в составе газовых сред опытного и контрольного вариантов не повлияли на измеряемые показания состояния растений. После разгерметизации камеры растения в обоих вариантах продолжали выращивать в течение 18 суток при атмосферной концентрации CO₂ и O₂ для оценки возможных последствий негативного влияния газов из каталитической камеры в случае их позднего проявления. Уборку растений проводили в возрасте 46 суток. Были проанализированы конечные значения продуктивности общей биомассы растений пшеницы (г/м², в расчете на сухую массу) в контрольном и опытном вари-антах. 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Индукционная печь позволила накалить каталитическую камеру до температуры 850–950°C. Температура газов, выходящих из каталитической камеры, держалась на уровне 650°C, поэтому для их охлаждения за каталитической камерой был установлен змеевик из нержавеющей стали, погруженный в бак с водой. Данная система охлаждения обеспечивала стабильное поддержание температуры воды в баке на уровне 31.5°C, что позволило избежать образование водного конденсата в змеевике, а также поддержать температуру выходящего из змеевика газа на эксплуатационно безопасном уровне – 22.5°C.

Апробация системы очистки газа в газовом контуре реактора “мокрого” сжигания показала ее способность глубокого окисления летучих органических соединений. На рис. 2 показан результат такой переработки: сравнение спектрограмм газа до и после каталитической очистки. До каталитической обработки состав газа качественно не отличался от такового, представленного в работе [7], общее содержание органических примесей составляло 0.84 мг/л (рис. 2, без каталитической обработки). После каталитической очистки содержание органических примесей в газовой смеси снизилась до 0 мг/л (рис. 2, после каталитической обработки).

Рис. 2.

Хроматограммы масс-спектрометрического анализа газа из реактора “мокрого” сжигания.

Эксперименты с выращиванием пшеницы в герметичной камере показали отсутствие какого-либо негативного воздействия на растения. Как видно из рис. 3, максимальный квантовый выход ФСII (F_v/F_m) листьев пшеницы, как в контрольном, так и в опытном вариантах оставался на достаточно высоких значениях в области 0.8 отн.ед., в то время как границей перехода к стрессовому состоянию у большинства растений считается величина данного параметра менее 0.74 отн. ед. [12]. Продуктивности по общей биомассе контрольного и опытного вариантов составили 1926 ± 246 г/м² и 2292 ± 298 г/м², соответственно, и оказались достоверно неразличимы.

Рис. 3.

Изменение значений параметра F_v/F_m (максимальный квантовый выход ФСII) импульсно модулированной флуоресценции хлорофилла листьев пшеницы 4 яруса (снизу) до и после применения каталитической очистки воздуха в сравнении с такими же изменениями контрольного варианта.

Это позволяет заключить, что на стадии вегетативной фазы вегетации достоверных различий для пшеницы в контроле и опыте обнаружено не было. С учетом этих результатов, а также дополнительных флуоресцентных исследований фотосинтетического аппарата в опыте и контроле, которые также не показали достоверных различий, можно заключить, что газовый состав атмосферы, подвергшийся очистке изложенным в работе физико-химическим методом, не оказывал влияния на состояние фотосинтетического аппарата растений. Разумеется, в дальнейшем необходимо провести более детальные исследования, связанные с особенностями протекания различных стадий онтогенеза растений пшеницы и других культур фототрофного звена замкнутых экосистем. Однако полученные результаты уже дают основания предположить перспективность использования данного метода очистки газовой смеси для его использования в замкнутых экосистемах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальное применение указанной каталитической установки показало, что с помощью данного метода возможно достичь глубокой очистки газовой среды от летучих органических соединений в искусственных экосистемах. Достоверного негативного влияния на звено высших растений в ходе четырехдневных испытаний не обнаружено, поэтому можно заключить, что данный метод является перспективным для очистки газовой среды замкнутых биотехнических систем жизнеобеспечения (БТСЖО) при краткосрочных — до нескольких дней — подключениях. Стоит отметить низкое энергопотребление при нагреве катализатора за счет индукционного тока, в сравнении с аналогичным катализатором, нагреваемым пропусканием тока путем непосредственного наложения на него разности потенциалов. Эксперименты по оценке влияния газового состава атмосферы после ее физико-химической очистки вновь разработанным способом показали отсутствие повреждения фотосинтетического аппарата растений (на примере пшеницы), что показывает обоснованность для тестирования данного метода на различных видах растений фотосинтезирующего звена БТСЖО.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работы по изготовлению установки глубокой каталитической очистки газа и ее испытания с реактором “мокрого” сжигания были выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект № 14-14-00599П) в Институте биофизики СО РАН. Эксперимент с растениями пшеницы и анализ импульсно модулированной флуоресценции хлорофилла был выполнен по теме госзадания VI.56.1.4 в Институте биофизики СО РАН.