原文: Zheng,J.; Xu,Y.; Liu, D.; Chen,Y.; Wang,Y. Ultrafine Bubble Water for Crop Stress Management in Plant Protection Practices: Property, Generation, Application, and Future Direction. Agriculture 2025, 15, 2484. https://doi.org/10.3390/ agriculture15232484

1. 引言

每年全球高达40%的作物因病虫害而损失。植物长期遭受生物胁迫和非生物胁迫，导致复杂作物生态系统发生显著变化，这就需要强化害虫管理策略，而这些策略常常伴随着与植物病虫害的抗争。严重依赖化学农药的植物病虫害控制方法已造成许多不利影响，使用超微气泡水（Ultrafine Bubble Water，UFW）的创新方法可以实现植物病虫害防治中的农药减量行动。超微气泡水是指水中含有直径通常小于1微米（Ultrafine Bubble，UFB），特别是小于200纳米（Nanobubble，NB）的微小气泡。这些气泡具有独特的物理化学性质，使其在农业，包括植物保护治理作物胁迫中具有应用潜力，可以减少化学农药的使用，促进可持续农业。论文总结超微气泡（Ultrafine Bubble，UFB）的分类和六种特性，并介绍基于物理和化学方法的UFBs产生途径；全面综述UFBs和臭氧UFB水在植物保护实践中的应用，分析UFB水防治植物害虫及土传、气传和水传植物病害的效果，回顾UFB水应对作物在高盐度土壤、污染土壤、干旱和重金属土壤等非生物胁迫方面的作用；针对使用UFB水实现农药减量和替代的目标，提出UFWs控制植物病虫害的机制、UFWs影响植物抗虫性的分子机制、植物在恶劣污染环境中的生长、UFB与作物疏水和亲水表面的行为以及构建集成的智能作物生长系统等未来研究方向的建议。

2. 超微气泡水的关键特性和生成方法

2.1气泡分类和定义

2.2 超微气泡水特性

1)    大比表面积： 增强气体与周围环境的接触和反应效率。

2)    水中上升速度慢： 能在水中长时间停留，作用持久。

3)    易自加压和高气体溶解率： 内部压力高，促进气体溶解。

4)    强传质效率： 高效输送物质（如氧气、臭氧等）。

5)    强界面Zeta电位： 带电荷的气泡间相互排斥，增加稳定性。

6)    产生强氧化性羟基自由基： 气泡溃灭时产生，有助于杀菌消毒。

2.3 超微气泡水和臭氧超微气泡水的生成方法

1)   UFB水的物理生成方法： 空化（水力、声学）、气体分散（机械搅拌、微孔结构、微流体装置）、溶剂交换、温度变化、电流体动力学效应、加压气体溶解。

2)   UFB水的化学生成方法： 电解、光催化技术。

3)   臭氧UFB水的生成： 将臭氧气体通过特定发生器（如微混合器）溶于水形成含臭氧的UFB水，利用UFB特性弥补臭氧易消散等缺点。

3. 超微气泡水控制病虫害生物胁迫

3.1 虫害控制： UFB水（如含氢气、氧气）灌溉可诱导植物产生更多腺毛（物理屏障）和茉莉酸（Jasmonic acid）途径相关基因表达，增强对蚜虫等害虫的抗性。喷洒臭氧纳米雾能通过害虫气孔进入体内，氧化破坏其细胞结构，实现高效灭杀。

3.2 病害控制：

UFB水控制病害机理：

1)  减少和消除病原体： 臭氧UFB水能直接或通过产生的羟基自由基有效杀灭细菌、真菌、病毒等病原体。

2)  分解生物膜： UFB能穿透并分解保护病原体的生物膜，增强杀菌效果。

3)  增强植物免疫力： UFB水提高根系溶氧，促进有益微生物活动，增强植物整体健康和抗病能力。

4)  减少病害侵染： 通过改善根区氧气环境和微生物群落，减少病害发生。

具体应用场景：

1)  土传病害： 臭氧UFB水灌溉土壤能有效杀灭镰刀菌等土传病原体。

2)  气传病害： 臭氧UFB水叶面喷洒可降低番茄早疫病等气传病害的发病率和严重程度。

3)  水传病害与水培蔬菜烂根： UFB水为水培系统增氧、消毒，抑制水传病原体，预防根腐病。

3.3 处理果蔬农药残留： 臭氧UFB水清洗能更有效地降解果蔬表面的农药残留。

4. 超微气泡水缓解非生物胁迫

4.1 盐胁迫： 微纳米气泡氢气水灌溉能显著改善盐胁迫下生菜的生长性能（鲜重、根长等）。

4.2 受损土壤： UFB水能促进在连作障碍或青枯病等病害影响的土壤中生长的植物（番茄、生菜）的恢复。

4.3 干旱胁迫： UFB水灌溉能促进咖啡幼苗在反复干旱条件下的生长，增加根系吸收能力，延缓叶片衰老。

4.4 重金属胁迫： 氢气纳米气泡水能通过增强植物的抗氧化防御机制等方式，帮助缓解重金属胁迫。

5. 局限挑战与未来展望

5.1 概要

超微气泡水技术作为一种新兴的绿色农业技术，通过其独特的物理化学性质，在减少化学农药依赖、防治作物病虫害、缓解环境胁迫方面展现出巨大潜力。尽管目前仍处于发展初期且面临一些挑战，但通过深入机理研究和技术优化，未来有望在可持续植物保护实践中发挥重要作用。

5.2 局限挑战

1)   UFB水并非万能，其效果可能因具体条件（如病原体感染途径、应用方法导致的氧气损失、作物品种差异）而异，甚至还出现一些矛盾的结果。

2)   应用技术（如叶面喷洒）有待优化以减少气体损失。

5.3 未来展望

1)    深入研究UFB水控制植物病虫害的作用机制。

2)    探索UFB水影响植物抗虫性的分子机制。

3)    研究UFB与作物叶片疏水/亲水表面的相互作用，改善药液沉积。

4)    开发集成UFB的多种活化水（如电解水）在植物保护中的应用方案。

5)    构建集成UFB技术的智能植物栽培系统，实现基于实时监测的精准施药、消毒、灌溉等无人化管理和远程控制。

参考文献：共105篇。

访问链接：https://www.mdpi.com/2077-0472/15/23/2484；纳入特刊（Emerging Technologies in Crop Protection: Advanced Methods and Machinery： https://www.mdpi.com/journal/agriculture/special_issues/Q0409P17B3，投稿截止时间2026-01-31）。