曾紀(jì)晴??孫學(xué)軍
氫元素是世界上分布最廣泛的元素，占宇宙質(zhì)量的75%以上，也是組成人體最多的元素。氫氣是我們非常熟悉的無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)味的氣體，長(zhǎng)期以來(lái)，被人們認(rèn)為是沒有生理效應(yīng)的氣體分子，作為一種可以開發(fā)利用的未來(lái)清潔能源。
在20世紀(jì)30年代和40年代，人們發(fā)現(xiàn)，部分細(xì)菌和藻類能夠產(chǎn)生氫氣。人們期望，能通過(guò)細(xì)菌和藻類產(chǎn)生氫氣，解決人類日益增長(zhǎng)的能源需求問(wèn)題。但是，半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，通過(guò)細(xì)菌和藻類進(jìn)行工業(yè)化制氫的技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。2007年，日本醫(yī)科大學(xué)的科學(xué)家在《自然醫(yī)學(xué)》雜志發(fā)表了一篇研究報(bào)告，徹底改變了人們對(duì)氫氣的認(rèn)識(shí)——?dú)錃獠粌H可以作為能源，而且少量氫氣還具有治療疾病的作用。他們發(fā)現(xiàn)，氫氣治療疾病作用是通過(guò)選擇性地清除體內(nèi)羥自由基和過(guò)氧亞硝基陰離子，發(fā)揮對(duì)抗氧化損傷的作用。這一驚人發(fā)現(xiàn)立即引起了全世界學(xué)者的關(guān)注，氫氣各種新的醫(yī)學(xué)生物學(xué)效應(yīng)在世界各地不斷被發(fā)現(xiàn)。人們很難想象，原本認(rèn)為生理惰性的普通氫氣現(xiàn)在卻似乎成了“包治百病”的神奇藥物。日本和中國(guó)先后開發(fā)出各種氫氣相關(guān)健康產(chǎn)品，并受到人們的熱烈追捧。
現(xiàn)在，氫氣顯然成了醫(yī)學(xué)、保健與美容領(lǐng)域最為耀眼的明星，許多醫(yī)學(xué)專家也認(rèn)為，隨著研究的深入，氫氣或?qū)?duì)促進(jìn)人類健康發(fā)揮重大作用。然而，人們大概沒有想到，氫氣不僅可以用于醫(yī)學(xué)治療和保健領(lǐng)域，而且還有可能廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，甚至還可能開啟一個(gè)嶄新的“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”呢！
植物能產(chǎn)生氫氣
1931年，有學(xué)者首次報(bào)道，細(xì)菌能夠釋放氫氣。1942年，人們又發(fā)現(xiàn)，綠藻也能夠產(chǎn)生氫氣?，F(xiàn)在人們知道，大部分細(xì)菌和藻類都能夠在一定條件下制造氫氣。然而，植物是否也能夠產(chǎn)生氫氣呢？
1947年，博伊琴科發(fā)現(xiàn)，從藻類中分離的葉綠體能夠釋放氫氣。由于高等植物葉片都含有葉綠體，因此人們自然會(huì)推斷，高等植物都能產(chǎn)生氫氣。直到1961年，薩那德則才發(fā)現(xiàn)，高等植物葉片能夠釋放和利用氫氣。1964年，倫威克等發(fā)現(xiàn)，許多高等植物能夠釋放氫氣，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后，萌發(fā)速率加快。1986年，麥婀玲和吉布斯在萊茵衣藻的葉綠體中分離得到了具有產(chǎn)氫活性的氫化酶；據(jù)此推測(cè)，某些高等植物中也應(yīng)該存在氫化酶。1986年，托雷斯等發(fā)現(xiàn)，大麥根能產(chǎn)生并釋放氫氣，并檢測(cè)到氫化酶活性，確認(rèn)高等植物能夠釋放氫氣。
或許，當(dāng)時(shí)人們研究生物產(chǎn)氫的目的，僅在于獲取清潔的生物能源，并沒有意識(shí)到，氫氣對(duì)植物的生物效應(yīng)，而植物產(chǎn)生的氫氣無(wú)論從產(chǎn)量，還是收集方便性來(lái)看，都不如細(xì)菌和藻類；因此，高等植物產(chǎn)氫的研究長(zhǎng)期受到冷落。
氫氣的植物學(xué)效應(yīng)非常顯著
最早發(fā)現(xiàn)氫氣的植物學(xué)效應(yīng)的，應(yīng)該是在1964年倫威克等發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后萌發(fā)速率更快。然而，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們并沒有對(duì)氫氣的植物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步深入探討。直到氫氣的醫(yī)學(xué)效應(yīng)得到廣泛關(guān)注之后，氫氣的植物學(xué)效應(yīng)才開始被重新關(guān)注。
最近，中國(guó)科學(xué)院華南植物園、上海第二軍醫(yī)大學(xué)以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員在氫氣的植物學(xué)效應(yīng)方面進(jìn)行初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫氣對(duì)植物的生理功能具有重要調(diào)節(jié)效應(yīng)，特別是對(duì)植物抵御逆境脅迫具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對(duì)綠豆、水稻以及苜蓿的種子萌發(fā)具有重要影響；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可提高水稻以及擬南芥的鹽脅迫抗性。此外，還發(fā)現(xiàn)氫氣水處理還能影響植物開花時(shí)間。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以誘導(dǎo)苜?？寡趸富蛞约把t素加氧酶1基因的表達(dá)并提高其酶活性，減輕由百草枯引起的氧化傷害。他們認(rèn)為，氫氣可能是一種經(jīng)由血紅素加氧酶1信號(hào)途徑減輕氧化傷害的氣體信號(hào)分子。他們還發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以提高水稻以及擬南芥的耐鹽性，而這種耐鹽性的提高可能與氫氣減輕了鹽脅迫誘發(fā)的活性氧傷害有關(guān)。此外，他們發(fā)現(xiàn)，氫氣能夠提高苜蓿重金屬鎘的抗性是因?yàn)闅錃馓岣吡塑俎５目寡趸芰Α?/span>
中國(guó)科學(xué)院華南植物園與上海第二軍醫(yī)大學(xué)的研究人員在證實(shí)氫氣具有抗氧化作用，可以誘導(dǎo)植物中的抗氧化酶基因的表達(dá)的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)氫氣可以通過(guò)影響植物激素受體蛋白基因的表達(dá)而調(diào)節(jié)植物激素的作用，同時(shí)植物激素以及脅迫因子能夠誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生氫氣。從基因進(jìn)化角度，推測(cè)產(chǎn)生氫氣的蛋白可能是來(lái)自水稻的氫化酶基因，發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)氫能力和推測(cè)的水稻氫化酶基因可以受到多種脅迫因素以及植物激素的誘導(dǎo)。
上述研究提示，氫氣可能是一種重要的植物氣體信號(hào)分子，它可能通過(guò)參與調(diào)控植物激素信號(hào)途徑影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育與逆境適應(yīng)。
氫氣是未來(lái)綠色農(nóng)藥
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大特點(diǎn)是大量使用化肥和農(nóng)藥?，F(xiàn)在，農(nóng)藥和化肥的濫用產(chǎn)生環(huán)境污染、土壤破壞以及食品安全問(wèn)題。由于氫氣的安全性以及氫氣水使用的經(jīng)濟(jì)性和方便性，使氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用前景將十分廣闊。最近，國(guó)內(nèi)數(shù)家農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)開展的農(nóng)田規(guī)模化試驗(yàn)表明，氫氣和氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是無(wú)土栽培農(nóng)作物中，應(yīng)用效果十分顯著，對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也有一定正面效應(yīng)。
在未來(lái)，農(nóng)民可以使用氫水替代或部分替代農(nóng)藥和化肥，讓農(nóng)作物抗病、抗蟲和抗旱、抗鹽等能力增強(qiáng)，同時(shí)，產(chǎn)品品質(zhì)提升、產(chǎn)量增加。這是多么令人激動(dòng)的“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”?。?/span>
氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
種子萌發(fā)：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以促進(jìn)冬黑麥種子的萌發(fā)速率，氫水處理可以促進(jìn)苜蓿等植物種子的萌發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)促進(jìn)氫氣在提高種子萌發(fā)率方面的應(yīng)用。
花期調(diào)控：目前已經(jīng)觀察到，玫瑰等植物在氫水處理后改變花期的現(xiàn)象。研究也發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)控植物開花相關(guān)植物激素受體蛋白基因的表達(dá)。這一發(fā)現(xiàn)提示，氫水在園藝方面將有廣闊的應(yīng)用前景。
提高抗逆性：干旱和鹽堿等逆境脅迫，往往造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn)，氫水可提高水稻、擬南芥以及苜蓿等植物的抗鹽堿、干旱等逆境的能力。使用氫水對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行滴灌或噴灌，將提高農(nóng)作物的抗逆能力，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。
提高病蟲害抗性：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)節(jié)許多植物激素受體蛋白基因的表達(dá)，其中就包含與抗病蟲害相關(guān)的植物激素水楊酸和茉莉酸。使用氫水澆灌、噴灌的農(nóng)作物將可能提高農(nóng)作物的病蟲害抗性，代替農(nóng)藥或減少農(nóng)藥的使用，從而保護(hù)環(huán)境、提高食品安全。
提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)：使用氫水澆灌的農(nóng)作物，比如一些蔬菜、瓜果，可能更加香甜可口。
減少化肥的使用：由于氫氣可調(diào)節(jié)植物激素如生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素等的作用，氫水處理往往可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。目前已經(jīng)觀察到氫水對(duì)綠豆等植物的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用。因此，將來(lái)有可能廣泛應(yīng)用氫水澆灌農(nóng)作物，促進(jìn)植物旺盛生長(zhǎng)，從而可以減少化肥的使用。
農(nóng)作物產(chǎn)品保鮮：由于氫氣的抗氧化特性，使用氫氣或氫氣與其它氣體的混合氣體可能將有助于農(nóng)作物產(chǎn)品的保鮮。由于氫氣的安全性，沒有毒害、沒有殘留，與其它化學(xué)藥劑處理保鮮的農(nóng)產(chǎn)品相比，具有很強(qiáng)的食品安全優(yōu)勢(shì)。
漁業(yè)生產(chǎn)：水產(chǎn)業(yè)盡管目前沒有開展相關(guān)研究?？紤]到氫氣對(duì)動(dòng)物疾病預(yù)防和治療的顯著效果，因此也是非常值得期待的一個(gè)領(lǐng)域。
“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”令人向往，但是目前需要許多深入研究與試驗(yàn)要做。首先是探討氫氣對(duì)植物效應(yīng)的作用機(jī)理，為氫氣農(nóng)業(yè)的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)；其次，是要進(jìn)行大規(guī)模氫氣農(nóng)業(yè)的田間試驗(yàn)，搞清楚氫氣及氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的使用方法和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，包括使用的濃度、施用的量、施用的次數(shù)以及施用方法，在農(nóng)作物生長(zhǎng)的哪個(gè)階段使用更有效，等等。不同的農(nóng)作物可能有不同的時(shí)期和用量使用要求。
我們相信，隨著這些問(wèn)題的逐步得以解決，“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”將快步向我們走來(lái)。
原文：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-740795.html