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迎接氢气农业时代 精选

已有 9986 次阅读 2013-11-11 10:39 |个人分类:植物氢气效应|系统分类:科普集锦| 农业

曾纪晴  孙学军

氢元素是世界上分布最广泛的元素,占宇宙质量的75%以上,也是组成人体最多的元素。氢气是我们非常熟悉的无色、无嗅、无味的气体,长期以来,被人们认为是没有生理效应的气体分子,作为一种可以开发利用的未来清洁能源。

20世纪30年代和40年代,人们发现,部分细菌和藻类能够产生氢气。人们期望,能通过细菌和藻类产生氢气,解决人类日益增长的能源需求问题。但是,半个多世纪过去了,通过细菌和藻类进行工业化制氢的技术仍然没有得到大规模应用。2007年,日本医科大学的科学家在《自然医学》杂志发表了一篇研究报告,彻底改变了人们对氢气的认识——氢气不仅可以作为能源,而且少量氢气还具有治疗疾病的作用。他们发现,氢气治疗疾病作用是通过选择性地清除体内羟自由基和过氧亚硝基阴离子,发挥对抗氧化损伤的作用。这一惊人发现立即引起了全世界学者的关注,氢气各种新的医学生物学效应在世界各地不断被发现。人们很难想象,原本认为生理惰性的普通氢气现在却似乎成了“包治百病”的神奇药物。日本和中国先后开发出各种氢气相关健康产品,并受到人们的热烈追捧。

现在,氢气显然成了医学、保健与美容领域最为耀眼的明星,许多医学专家也认为,随着研究的深入,氢气或将对促进人类健康发挥重大作用。然而,人们大概没有想到,氢气不仅可以用于医学治疗和保健领域,而且还有可能广泛应用到农业生产上,甚至还可能开启一个崭新的“氢农业时代”呢!

植物能产生氢气

1931年,有学者首次报道,细菌能够释放氢气。1942年,人们又发现,绿藻也能够产生氢气。现在人们知道,大部分细菌和藻类都能够在一定条件下制造氢气。然而,植物是否也能够产生氢气呢?

1947年,博伊琴科发现,从藻类中分离的叶绿体能够释放氢气。由于高等植物叶片都含有叶绿体,因此人们自然会推断,高等植物都能产生氢气。直到1961萨那德则才发现,高等植物叶片能够释放和利用氢气。1964年,伦威克等发现,许多高等植物能够释放氢气,同时发现,氢气处理冬黑麦种子后,萌发速率加快。1986年,麦婀玲和吉布斯在莱茵衣藻的叶绿体中分离得到了具有产氢活性的氢化酶;据此推测,某些高等植物中也应该存在氢化酶。1986年,托雷斯等发现,大麦根能产生并释放氢气,并检测到氢化酶活性,确认高等植物能够释放氢气。

或许,当时人们研究生物产氢的目的,仅在于获取清洁的生物能源,并没有意识到,氢气对植物的生物效应,而植物产生的氢气无论从产量,还是收集方便性来看,都不如细菌和藻类;因此,高等植物产氢的研究长期受到冷落。

氢气的植物学效应非常显著

最早发现氢气的植物学效应的,应该是在1964年伦威克等发现,氢气处理冬黑麦种子后萌发速率更快。然而,当时的科学家们并没有对氢气的植物学效应进行进一步深入探讨。直到氢气的医学效应得到广泛关注之后,氢气的植物学效应才开始被重新关注。

最近,中国科学院华南植物园、上海第二军医大学以及南京农业大学等学术机构的研究人员在氢气的植物学效应方面进行初步研究,结果发现,氢气对植物的生理功能具有重要调节效应,特别是对植物抵御逆境胁迫具有重要的作用。研究发现,氢气对绿豆、水稻以及苜蓿的种子萌发具有重要影响;同时发现,氢气水处理可提高水稻以及拟南芥的盐胁迫抗性。此外,还发现氢气水处理还能影响植物开花时间。南京农业大学的研究人员发现,氢气水处理可以诱导苜蓿抗氧化酶基因以及血红素加氧酶1基因的表达并提高其酶活性,减轻由百草枯引起的氧化伤害。他们认为,氢气可能是一种经由血红素加氧酶1信号途径减轻氧化伤害的气体信号分子。他们还发现,氢气水处理可以提高水稻以及拟南芥的耐盐性,而这种耐盐性的提高可能与氢气减轻了盐胁迫诱发的活性氧伤害有关。此外,他们发现,氢气能够提高苜蓿重金属镉的抗性是因为氢气提高了苜蓿的抗氧化能力。

中国科学院华南植物园与上海第二军医大学的研究人员在证实氢气具有抗氧化作用,可以诱导植物中的抗氧化酶基因的表达的同时,发现氢气可以通过影响植物激素受体蛋白基因的表达而调节植物激素的作用,同时植物激素以及胁迫因子能够诱导水稻产生氢气。从基因进化角度,推测产生氢气的蛋白可能是来自水稻的氢化酶基因,发现水稻产氢能力和推测的水稻氢化酶基因可以受到多种胁迫因素以及植物激素的诱导。

上述研究提示,氢气可能是一种重要的植物气体信号分子,它可能通过参与调控植物激素信号途径影响植物的生长发育与逆境适应。

氢气是未来绿色农药

现代农业的一大特点是大量使用化肥和农药。现在,农药和化肥的滥用产生环境污染、土壤破坏以及食品安全问题。由于氢气的安全性以及氢气水使用的经济性和方便性,使氢气在农业生产上的应用前景将十分广阔。最近,国内数家农业研究机构开展的农田规模化试验表明,氢气和氢气水在农业生产,特别是无土栽培农作物中,应用效果十分显著,对作物的营养价值也有一定正面效应。

在未来,农民可以使用氢水替代或部分替代农药和化肥,让农作物抗病、抗虫和抗旱、抗盐等能力增强,同时,产品品质提升、产量增加。这是多么令人激动的“氢农业时代”啊!

氢气在农业生产上的应用可能会出现在以下几个方面:

种子萌发:研究发现,氢气可以促进冬黑麦种子的萌发速率,氢水处理可以促进苜蓿等植物种子的萌发。这一发现可能会促进氢气在提高种子萌发率方面的应用。

花期调控:目前已经观察到,玫瑰等植物在氢水处理后改变花期的现象。研究也发现,氢气可以调控植物开花相关植物激素受体蛋白基因的表达。这一发现提示,氢水在园艺方面将有广阔的应用前景。

提高抗逆性:干旱和盐碱等逆境胁迫,往往造成农作物减产甚至死亡。研究发现,氢水可提高水稻、拟南芥以及苜蓿等植物的抗盐碱、干旱等逆境的能力。使用氢水对农作物进行滴灌或喷灌,将提高农作物的抗逆能力,达到防灾减灾的目的。

提高病虫害抗性:研究发现,氢气可以调节许多植物激素受体蛋白基因的表达,其中就包含与抗病虫害相关的植物激素水杨酸和茉莉酸。使用氢水浇灌、喷灌的农作物将可能提高农作物的病虫害抗性,代替农药或减少农药的使用,从而保护环境、提高食品安全。

提高农产品品质:使用氢水浇灌的农作物,比如一些蔬菜、瓜果,可能更加香甜可口。

减少化肥的使用:由于氢气可调节植物激素如生长素、细胞分裂素等的作用,氢水处理往往可以促进植物的生长。目前已经观察到氢水对绿豆等植物的生长具有明显的促进作用。因此,将来有可能广泛应用氢水浇灌农作物,促进植物旺盛生长,从而可以减少化肥的使用。

农作物产品保鲜:由于氢气的抗氧化特性,使用氢气或氢气与其它气体的混合气体可能将有助于农作物产品的保鲜。由于氢气的安全性,没有毒害、没有残留,与其它化学药剂处理保鲜的农产品相比,具有很强的食品安全优势。

渔业生产:水产业尽管目前没有开展相关研究。考虑到氢气对动物疾病预防和治疗的显著效果,因此也是非常值得期待的一个领域。

“氢农业时代”令人向往,但是目前需要许多深入研究与试验要做。首先是探讨氢气对植物效应的作用机理,为氢气农业的应用奠定坚实理论基础;其次,是要进行大规模氢气农业的田间试验,搞清楚氢气及氢气水在农业生产上的使用方法和经济价值,包括使用的浓度、施用的量、施用的次数以及施用方法,在农作物生长的哪个阶段使用更有效,等等。不同的农作物可能有不同的时期和用量使用要求。

我们相信,随着这些问题的逐步得以解决,“氢农业时代”将快步向我们走来。



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