氢,让农业改朝换代

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2018-03-01 15:19:26

氢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。

在20世纪三四十年代,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的氢气,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,这种工业化制氢技术仍然没有得到大规模应用。

日本科学家在《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,氢气的治疗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,原本被认为生理惰性的普通氢气现在似乎成了“包治百病”的神奇药物。

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!

植物能产生氢气吗

1947年,苏联植物学家博伊琴科发现,从藻类中分离的叶绿体能够释放氢气。由于高等植物的叶片都含有叶绿体,因此人们自然会推断,高等植物都能产生氢气。直到1961年,苏联植物学家萨那德则才发现,高等植物叶片能够释放和利用氢气。1964年,美国生物能源研究学者伦威克等发现,许多高等植物能够释放氢气,而且经过氢气处理的冬黑麦种子,萌发速率加快。1986年,美国光生物学家麦婀玲和吉布斯在莱茵衣藻的叶绿体中分离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,西班牙微生物学家托雷斯等发现,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

在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。

研究人员在氢气的植物学效应方面进行的研究表明,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;氢水处理可提高水稻以及拟南芥的盐胁迫抗性。此外,人们还发现氢水处理能影响植物的开花时间。南京农业大学的研究人员发现,氢水处理可以诱导苜蓿抗氧化酶基因以及血红素加氧酶HO-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HO-1信号途径减轻氧化伤害的气体信号分子。他们认为,氢水处理之所以可以提高水稻以及拟南芥的耐盐性,可能与氢气减轻了盐胁迫诱发的活性氧伤害有关。此外,研究显示,氢气之所以能够提高苜蓿对重金属镉的抗性是因为氢气提高了苜蓿的抗氧化能力。

研究人员在证实氢气具有抗氧化作用、可以诱导植物中抗氧化酶基因表达的同时,发现氢气可以通过影响植物激素受体蛋白基因的表达达到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。他们从基因进化角度推测,产生氢气的蛋白可能来自于水稻的氢化酶基因,并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。

上述研究提示人们,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。

替代农药化肥

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了环境污染、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十分广阔。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,让农作物的抗病、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会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对盐碱、干旱等逆境的抵抗能力。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。

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、喷灌农作物将可能提高其病虫害抗性,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他气体的混合气体可能将有助于农作物产品的保鲜。由于氢气安全,无毒、无残留,与其他化学保鲜剂相比,具有很强的优势。

“氢农业时代”令人向往,但是目前需要许多深入研究与试验。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,搞清楚氢气及氢水在农业生产上的使用方法和经济价值。

我们相信,随着这些问题的逐步解决,“氢农业时代”将快步向我们走来。