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氫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。
在20世紀(jì)三四十年代，人們發(fā)現(xiàn)，部分細(xì)菌和藻類能夠產(chǎn)生氫氣。人們期望能通過細(xì)菌和藻類產(chǎn)生的氫氣，解決人類日益增長的能源需求問題。但是，半個(gè)多世紀(jì)過去了，這種工業(yè)化制氫技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。
日本科學(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)，氫氣的治療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(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，原本被認(rèn)為生理惰性的普通氫氣現(xiàn)在似乎成了“包治百病”的神奇藥物。
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)生氫氣嗎
1947年，蘇聯(lián)植物學(xué)家博伊琴科發(fā)現(xiàn)，從藻類中分離的葉綠體能夠釋放氫氣。由于高等植物的葉片都含有葉綠體，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，蘇聯(lián)植物學(xué)家薩那德則才發(fā)現(xiàn)，高等植物葉片能夠釋放和利用氫氣。1964年，美國生物能源研究學(xué)者倫威克等發(fā)現(xiàn)，許多高等植物能夠釋放氫氣，而且經(jīng)過氫氣處理的冬黑麥種子，萌發(fā)速率加快。1986年，美國光生物學(xué)家麥婀玲和吉布斯在萊茵衣藻的葉綠體中分離到了具有產(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，西班牙微生物學(xué)家托雷斯等發(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)生的氫氣無論從產(chǎn)量還是收集方便性來看，都不如細(xì)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(xué)效應(yīng)
在氫氣的醫(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。
研究人員在氫氣的植物學(xué)效應(yīng)方面進(jìn)行的研究表明，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；氫水處理可提高水稻以及擬南芥的鹽脅迫抗性。此外，人們還發(fā)現(xiàn)氫水處理能影響植物的開花時(shí)間。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，氫水處理可以誘導(dǎo)苜?？寡趸富蛞约把t素加氧酶HO-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HO-1信號(hào)途徑減輕氧化傷害的氣體信號(hào)分子。他們認(rèn)為，氫水處理之所以可以提高水稻以及擬南芥的耐鹽性，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，研究顯示，氫氣之所以能夠提高苜蓿對(duì)重金屬鎘的抗性是因?yàn)闅錃馓岣吡塑俎５目寡趸芰Α?/span>
研究人員在證實(shí)氫氣具有抗氧化作用、可以誘導(dǎo)植物中抗氧化酶基因表達(dá)的同時(shí)，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(dá)達(dá)到調(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。他們從基因進(jìn)化角度推測(cè)，產(chǎn)生氫氣的蛋白可能來自于水稻的氫化酶基因，并發(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)。
上述研究提示人們，氫氣可能是一種重要的植物氣體信號(hào)分子，它可能通過參與調(diào)控植物激素信號(hào)途徑影響植物的生長發(fā)育與逆境適應(yīng)。
替代農(nóng)藥化肥
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)生了環(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)用前景十分廣闊。國內(nèi)數(shù)家農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)開展的農(nóng)田規(guī)?；囼?yàn)表明，氫氣和氫水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是無土栽培農(nóng)作物中，應(yīng)用效果十分顯著，對(duì)作物的營養(yǎng)價(jià)值也有一定正面效應(yīng)。
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)作物的抗病、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”啊。
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會(huì)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對(duì)鹽堿、干旱等逆境的抵抗能力。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。
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、噴灌農(nóng)作物將可能提高其病蟲害抗性，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(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。目前已經(jīng)觀察到氫水對(duì)綠豆等植物的生長具有明顯的促進(jìn)作用。因此，將來有可能廣泛應(yīng)用氫水澆灌農(nóng)作物，促進(jìn)植物旺盛生長，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他氣體的混合氣體可能將有助于農(nóng)作物產(chǎn)品的保鮮。由于氫氣安全，無毒、無殘留，與其他化學(xué)保鮮劑相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
“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)。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)，搞清楚氫氣及氫水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的使用方法和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
我們相信，隨著這些問題的逐步解決，“氫農(nóng)業(yè)時(shí)代”將快步向我們走來。
