曾紀晴??孫學軍
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色、無嗅、無味的氣體，長期以來，被人們認為是沒有生理效應的氣體分子，作為一種可以開發(fā)利用的未來清潔能源。
在20世紀30年代和40年代，人們發(fā)現(xiàn)，部分細菌和藻類能夠產(chǎn)生氫氣。人們期望，能通過細菌和藻類產(chǎn)生氫氣，解決人類日益增長的能源需求問題。但是，半個多世紀過去了，通過細菌和藻類進行工業(yè)化制氫的技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模應用。2007年，日本醫(yī)科大學的科學家在《自然醫(yī)學》雜志發(fā)表了一篇研究報告，徹底改變了人們對氫氣的認識——氫氣不僅可以作為能源，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選擇性地清除體內(nèi)羥自由基和過氧亞硝基陰離子，發(fā)揮對抗氧化損傷的作用。這一驚人發(fā)現(xiàn)立即引起了全世界學者的關(guān)注，氫氣各種新的醫(yī)學生物學效應在世界各地不斷被發(fā)現(xiàn)。人們很難想象，原本認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、保健與美容領(lǐng)域最為耀眼的明星，許多醫(yī)學專家也認為，隨著研究的深入，氫氣或?qū)Υ龠M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)學治療和保健領(lǐng)域，而且還有可能廣泛應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，甚至還可能開啟一個嶄新的“氫農(nóng)業(yè)時代”呢！
植物能產(chǎn)生氫氣
1931年，有學者首次報道，細菌能夠釋放氫氣。1942年，人們又發(fā)現(xiàn)，綠藻也能夠產(chǎn)生氫氣。現(xiàn)在人們知道，大部分細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，某些高等植物中也應該存在氫化酶。1986年，托雷斯等發(fā)現(xiàn)，大麥根能產(chǎn)生并釋放氫氣，并檢測到氫化酶活性，確認高等植物能夠釋放氫氣。
或許，當時人們研究生物產(chǎn)氫的目的，僅在于獲取清潔的生物能源，并沒有意識到，氫氣對植物的生物效應，而植物產(chǎn)生的氫氣無論從產(chǎn)量，還是收集方便性來看，都不如細菌和藻類；因此，高等植物產(chǎn)氫的研究長期受到冷落。
氫氣的植物學效應非常顯著
最早發(fā)現(xiàn)氫氣的植物學效應的，應該是在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，當時的科學家們并沒有對氫氣的植物學效應進行進一步深入探討。直到氫氣的醫(yī)學效應得到廣泛關(guān)注之后，氫氣的植物學效應才開始被重新關(guān)注。
最近，中國科學院華南植物園、上海第二軍醫(yī)大學以及南京農(nóng)業(yè)大學等學術(shù)機構(gòu)的研究人員在氫氣的植物學效應方面進行初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫氣對植物的生理功能具有重要調(diào)節(jié)效應，特別是對植物抵御逆境脅迫具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對綠豆、水稻以及苜蓿的種子萌發(fā)具有重要影響；同時發(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間。南京農(nóng)業(yè)大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以誘導苜蓿抗氧化酶基因以及血紅素加氧酶1基因的表達并提高其酶活性，減輕由百草枯引起的氧化傷害。他們認為，氫氣可能是一種經(jīng)由血紅素加氧酶1信號途徑減輕氧化傷害的氣體信號分子。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為氫氣提高了苜蓿的抗氧化能力。
中國科學院華南植物園與上海第二軍醫(yī)大學的研究人員在證實氫氣具有抗氧化作用，可以誘導植物中的抗氧化酶基因的表達的同時，發(fā)現(xiàn)氫氣可以通過影響植物激素受體蛋白基因的表達而調(diào)節(jié)植物激素的作用，同時植物激素以及脅迫因子能夠誘導水稻產(chǎn)生氫氣。從基因進化角度，推測產(chǎn)生氫氣的蛋白可能是來自水稻的氫化酶基因，發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)氫能力和推測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。
上述研究提示，氫氣可能是一種重要的植物氣體信號分子，它可能通過參與調(diào)控植物激素信號途徑影響植物的生長發(fā)育與逆境適應。
氫氣是未來綠色農(nóng)藥
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大特點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題。由于氫氣的安全性以及氫氣水使用的經(jīng)濟性和方便性，使氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用前景將十分廣闊。最近，國內(nèi)數(shù)家農(nóng)業(yè)研究機構(gòu)開展的農(nóng)田規(guī)?；囼灡砻?，氫氣和氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是無土栽培農(nóng)作物中，應用效果十分顯著，對作物的營養(yǎng)價值也有一定正面效應。
在未來，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，同時，產(chǎn)品品質(zhì)提升、產(chǎn)量增加。這是多么令人激動的“氫農(nóng)業(yè)時代”?。?/span>
氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用可能會出現(xiàn)在以下幾個方面：
種子萌發(fā)：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以促進冬黑麥種子的萌發(fā)速率，氫水處理可以促進苜蓿等植物種子的萌發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)可能會促進氫氣在提高種子萌發(fā)率方面的應用。
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。這一發(fā)現(xiàn)提示，氫水在園藝方面將有廣闊的應用前景。
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。使用氫水對農(nóng)作物進行滴灌或噴灌，將提高農(nóng)作物的抗逆能力，達到防災減災的目的。
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，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)植物激素如生長素、細胞分裂素等的作用，氫水處理往往可以促進植物的生長。目前已經(jīng)觀察到氫水對綠豆等植物的生長具有明顯的促進作用。因此，將來有可能廣泛應用氫水澆灌農(nóng)作物，促進植物旺盛生長，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，與其它化學藥劑處理保鮮的農(nóng)產(chǎn)品相比，具有很強的食品安全優(yōu)勢。
漁業(yè)生產(chǎn)：水產(chǎn)業(yè)盡管目前沒有開展相關(guān)研究。考慮到氫氣對動物疾病預防和治療的顯著效果，因此也是非常值得期待的一個領(lǐng)域。
“氫農(nóng)業(yè)時代”令人向往，但是目前需要許多深入研究與試驗要做。首先是探討氫氣對植物效應的作用機理，為氫氣農(nóng)業(yè)的應用奠定堅實理論基礎(chǔ)；其次，是要進行大規(guī)模氫氣農(nóng)業(yè)的田間試驗，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)濟價值，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)作物生長的哪個階段使用更有效，等等。不同的農(nóng)作物可能有不同的時期和用量使用要求。
我們相信，隨著這些問題的逐步得以解決，“氫農(nóng)業(yè)時代”將快步向我們走來。
原文：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-740795.html