【環(huán)保技術(shù)】等離子體活化水在農業(yè)領(lǐng)域的應用

近年來(lái)，低溫等離子體在農業(yè)中的應用研究越來(lái)越受到關(guān)注。等離子體活化水是經(jīng)過(guò)等離子處理過(guò)的水，它的酸堿性、氧化還原電位、電導率等參數與普通的水有很大不同。等離子體活化水可應用于農業(yè)如用于促進(jìn)種子萌發(fā)、植物生長(cháng)以及果蔬保鮮等方面。

等離子體活化水(Plasma Activated Water，簡(jiǎn)稱(chēng)PAW)具有等離子體的活性，它為等離子體的應用提供了一種全新方式，具有靈活和安全的特點(diǎn)。PAW是通過(guò)把待處理的液體暴露在各種形式的等離子體放電中，經(jīng)過(guò)等離子體處理的液體PAW在農業(yè)應用的前景廣闊，近年來(lái)不斷有PAW應用農業(yè)上的報道。

1 PAW的概況

1．1 PAW的產(chǎn)生方式

由于等離子源的多樣性和生產(chǎn)原料(氣體和液體原料)的差異，PAW處理裝置種類(lèi)繁多。等離子活化水的處理裝置按照水是否直接參與等離子體放電可以分為2大類(lèi)。第1類(lèi)是放電等離子體與水接觸，水不直接參與等離子體放電，如圖1a～d。第2類(lèi)是水直接參與等離子體放電，如圖l的圖1 e～h。PAW處理裝置按照等離子體源分類(lèi)，可以分為滑動(dòng)弧放電、電暈放電、電火花放電和介質(zhì)阻擋放電等。

由于PAW處理裝置種類(lèi)不同，PAW中的化學(xué)產(chǎn)物也會(huì )存在差異。美國和荷蘭在PAW處理機的研制上處于領(lǐng)先水平，圖2是美國Advanced Plasma Solutions(APS)公司研發(fā)的PAW處理裝置，該裝置以水和空氣作為原料，消耗很小的電能就可以產(chǎn)生pH值可調的PAW。該設備產(chǎn)生的PAW具有提高作物產(chǎn)量、抗菌抑菌、控制昆蟲(chóng)和螨蟲(chóng)以及減少農業(yè)用水等作用。

1．2 PAW的化學(xué)成分

PAW的成分包括水、過(guò)氧化氫、硝酸鹽、亞硝酸鹽、超氧陰離子、自由基、單線(xiàn)態(tài)氧和臭氧等。工作氣體成分、處理時(shí)長(cháng)、電源參數和等離子體源類(lèi)型都會(huì )影響PAW成分和組成：

1) PAW的工作氣體為空氣時(shí)，硝酸鹽是PAW主要成分，當工作氣體為氬氣，過(guò)氧化氫是PAW主要成分；

2) PAW的放電處理時(shí)間越長(cháng)，過(guò)氧化氫和硝態(tài)氮濃度越高；

3) 電源頻率越高，PAW中過(guò)氧化氫和硝酸根濃度越大；

4) PAW的等離子體源也會(huì )影響PAW的成分和性質(zhì)，當等離子體源為滑動(dòng)電弧放電時(shí)PAW呈酸性，成分包含活性氮物質(zhì)(NO，NO2，和NO3-)等物質(zhì)，而等離子體源為火花放電時(shí)PAW呈現中性或堿性。

盡管PAW成分不同，但活性氧(Reactive Oxygen Species。ROS)和活性氮(Reactive Nitrogen Spe．cies，RNS)都是其中的主要活性物質(zhì)。PAW生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生ROS和RNS的化學(xué)反應如表l所示。

2 PAW在農業(yè)領(lǐng)域的應用

2．1促進(jìn)種子發(fā)芽

種子活力的高低是由種子的遺傳特性及其環(huán)境條件所決定的，種子的成熟度和環(huán)境條件都會(huì )影響種子活力的表達。種子活力的降低仍是農業(yè)生產(chǎn)上的一大難題，種子預處理是提高種子活力的一條重要途徑。種子預處理具有提高種子的發(fā)芽率和成苗率、提高作物的產(chǎn)量、增加作物成熟及品質(zhì)一致性等作用。滲透調控處理、干燥處理、化學(xué)藥物處理、磁場(chǎng)處理、電場(chǎng)處理、射線(xiàn)處理和超聲波處理等方法預處理種子已有大量的研究報道。近年來(lái)，PAW處理種子作為一種新型的種子預處理處理方式已經(jīng)成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，試驗證明PAW處理可以提高扁豆的發(fā)芽率和莖長(cháng)。如圖3所示等離子體直接處理和PAW(雙介質(zhì)阻擋水中放電，空氣1 L／min，250 mL去離子水，處理15和20min)處理結合的方法對蘿卜、甜椒和番茄種子進(jìn)行處理，試驗表明適量的PAW預處理可以促進(jìn)種子發(fā)芽和刺激幼苗生長(cháng)。

PAW處理對種子萌發(fā)促進(jìn)作用的機理，根據國內外研究的文獻報道可以歸納如下。PAW中的ROS和RNS是打破種子休眠和調節種子新陳代謝的信使，ROS、RNS和植物激素協(xié)同參與了種子萌發(fā)過(guò)程中的信息傳導過(guò)程。植物細胞的新陳代謝會(huì )產(chǎn)生ROS，同時(shí)ROS中的某些成分(超氧化物、羥基自由基、過(guò)氧化氫和氧原子等)會(huì )促進(jìn)種子的萌發(fā)。有學(xué)者報道了ROS可以打破種子的休眠，外源ROS可以刺激植物的萌發(fā)。ROS可以使脫落酸激素(一種抑制生長(cháng)的植物激素)失活。研究報道PAW可以激活泡桐種子細胞內的過(guò)氧化氫酶基因，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)蛋白質(zhì)的合成。RNS中的硝酸鹽不僅是植物的主要氮源，也是調節植物新陳代謝和生長(cháng)發(fā)育的信號。等離子生成硝酸鹽可以作為信號分子打破植物種子的休眠，并協(xié)調相關(guān)基因的表達。RNS、ROS和植物激素的協(xié)同作用可以打破種子的休眠并刺激種子萌發(fā)，其中RNS是通過(guò)影響種子細胞中光敏色素的活性來(lái)起作用的。

2．2促進(jìn)農作物生長(cháng)

     2000年以來(lái)，全球饑餓水平平均下降27％，但仍有近半數發(fā)展中國家的饑餓水平為“嚴重”、“警戒”和“極度警戒”。糧食的充足供給依然是關(guān)系到人類(lèi)生存和幸福的關(guān)鍵，采取措施來(lái)讓糧食增產(chǎn)是人們不懈的追求?；实氖褂?、現代的科學(xué)育苗育種以及更加合理的田間管理和栽培技術(shù)已大大地提高了農產(chǎn)品的產(chǎn)量。但追求更高的產(chǎn)量和品質(zhì)的農產(chǎn)品依然是人類(lèi)的不屑追求。近年來(lái)，人們發(fā)現PAW對作物具有促進(jìn)生長(cháng)的作用，這或許是提高農產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的新途徑。

     研究報道PAW(采用大氣壓下同軸輝光放電放電的方式制備的PAW)灌溉組的萬(wàn)壽菊，西紅柿和紅蘿卜的枝條質(zhì)量比對照組大1．7～2．2倍。PAW(采用水中氣泡放電制備PAW)灌溉組的草莓、蘿卜和菠菜的高度比對照組(去離子水)分別提高了45％、53％和108％，此外PAW的處理組的草莓還具有更高的糖度。PAW-空氣和PAW-Ar(采用空心針對網(wǎng)水下氣泡放電的方式制備PAW，PAW-空氣：空氣作為原料氣體，PAW-Ar：氬氣作為原料氣體。)分別灌溉小麥幼苗，培養28 d后PAW—Ar和PAW-空氣處理組生物量分別增加了61％和87％，PAW-空氣處理有利于小麥枝條的生長(cháng)，而PAW-Ar有利于小麥根系的生長(cháng)。圖4 PAW(水下氣泡放電的方式制備的PAW，PAW-10、PAW-20代表處理時(shí)間分別為10和20min)可以促進(jìn)白菜的生長(cháng)，PAW-20處理組的白菜葉片長(cháng)度達到90mm，PAW-10處理組葉片長(cháng)度達到82mm，而對照組葉長(cháng)僅為40mm。

PAW促進(jìn)植物生長(cháng)主要有2個(gè)方面：

1) PAW作為氮肥，為植物生長(cháng)提供肥料；

2) PAW促進(jìn)植物的新陳代謝活動(dòng)，刺激植物生長(cháng)。

PAW具有促進(jìn)植物生長(cháng)的潛力，得益于PAW中RNS和ROS的存在。氮元素是植物中重要的營(yíng)養素之一，缺氮會(huì )導致植物發(fā)育遲滯，葉片狹窄、萎黃。此外，硝酸鹽(屬于RNS)是調節植物新陳代謝和生長(cháng)發(fā)育的信號分子。硝酸鹽可以誘導煙草葉片的擴張，并協(xié)調相關(guān)基因的表達。ROS除了具有刺激種子發(fā)芽的作用，ROS還具有促進(jìn)植物生長(cháng)的作用。過(guò)氧化氫(屬于ROS)在植物體內的信息傳遞起第二信使的作用，可以調節水楊酸、茉莉酸、脫落酸和乙烯等影響植物生長(cháng)和發(fā)育的激素來(lái)調節植物的新陳代謝。過(guò)氧化氫已被證實(shí)可以促進(jìn)幼苗生長(cháng)，可以誘導植物的鹽脅迫耐受性并刺激植物的根系生長(cháng)。

2．3農產(chǎn)品的殺菌和保鮮

果蔬采后腐爛變質(zhì)主要是由于微生物侵染引起的，控制微生物是果蔬保鮮的關(guān)鍵。目前常用的果蔬保鮮方法是低溫貯藏法，但原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶的果蔬在低溫貯藏下易致冷害，且低溫不能完全抑制病原微生物的生長(cháng)。在濕度較高的冷庫中霉菌等真菌孢子大量生長(cháng)繁殖，將大大降低果蔬的貯藏期。殘留在農產(chǎn)品的農藥也是影響食品安全的重大難題。最近有學(xué)者研究發(fā)現PAW可以滅活微生物的同時(shí)達到降解農藥殘留的作用。PAW可以抑制酵母白色念珠菌(主要是人類(lèi)病原體，偶爾作為新鮮農產(chǎn)品的微生物污染物存在)。試驗表明7.5 min PAW處理可以減少74.7％～100％真菌的菌落數。

PAW在降解農藥時(shí)，羥基自由基和氧原子是農藥氧化分解的主要氧化劑。等離子體處理(O，作為工作氣體)可以把敵敵畏和氧化樂(lè )果降解為毒性較小的化合物。通過(guò)等離子體處理可以降解大白菜中殘留的甲氰菊酯，降解率在50-70％以上。

3 未來(lái)應用領(lǐng)域展望

PAW作為一種新型技術(shù)在農業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。它具有生產(chǎn)、使用方便和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。PAW可以對種子預處理來(lái)激活種子促進(jìn)種子的萌發(fā)率。PAW作為灌溉水灌溉果樹(shù)和莊稼可以作為氮肥和外源生長(cháng)刺激信號。PAW可以作為果蔬的清潔水，滅活果蔬表面的微生物和去除殘留農藥，且對果蔬本身不造成損害。除此之外，PAW方法在以下4個(gè)方面可能具有較好的應用前景。

3．1用于無(wú)土栽培和植物工廠(chǎng)

無(wú)土栽培過(guò)程中營(yíng)養液起到至關(guān)重要的作用，通常營(yíng)養液使用一段時(shí)間后需要更換，造成浪費和環(huán)境污染。這是由于隨著(zhù)植物的生長(cháng)，營(yíng)養液中的營(yíng)養物質(zhì)被植物吸收而減少，同時(shí)營(yíng)養液中的治病微生物的濃度也會(huì )上升。定期用等離子對營(yíng)養液進(jìn)行處理，可以增加營(yíng)養液中的硝態(tài)氮成分，放電產(chǎn)生的某些活性物質(zhì)，可以促進(jìn)植物生長(cháng)，提高營(yíng)養物質(zhì)利用效率。同時(shí)，可對其中治病微生物起到抑制作用。

3．2畜舍殺菌、魚(yú)池殺菌

現代規?；曫B的畜禽多在封閉的圈舍內飼養，氨氣、硫化氫、揮發(fā)性有機惡臭氣體濃度以及粉塵濃度大幅度上升，細菌及病原微生物數量也呈上升趨勢，導致了畜禽舍空氣質(zhì)量下降，誘發(fā)動(dòng)物群發(fā)性呼吸道疾病等，因此必須對畜禽舍進(jìn)行消毒。水產(chǎn)養殖中微生物的滋生會(huì )導致魚(yú)類(lèi)患病，魚(yú)池需要定期的殺菌以保持魚(yú)苗的健康。傳統的消毒水和殺菌劑會(huì )由于微生物產(chǎn)生抗藥性而產(chǎn)生抗性，同時(shí)殺菌劑的殘留也影響人類(lèi)的健康。PAW具有一定的殺菌性，或許是一種有效的畜舍殺菌和魚(yú)池殺菌方式。

3．3肉類(lèi)和鮮切水果的儲藏和保鮮

微生物的滋生會(huì )影響導致鮮肉腐敗。隨著(zhù)人民生活水平的提高，鮮切水果的消費量越來(lái)越大。但鮮切水果暴露在空氣中容易腐爛。采用PAW對鮮肉和鮮切水果進(jìn)行處理可以抑制微生物滋生，從而保持鮮肉和鮮切水果的品質(zhì)，同時(shí)PAW處理無(wú)有害殘留。

3．4分布式的肥料就地生產(chǎn)

氮是植物生長(cháng)必不可少的營(yíng)養元素。傳統的集約式化肥生產(chǎn)污染巨大，在化肥的生產(chǎn)和運輸過(guò)程中消耗大量的化石能源?？梢岳玫入x子放電，將空氣中的氮氣和氧氣轉換為硝態(tài)氮，這個(gè)轉換過(guò)程完全可以使用取之不盡用之不竭的太陽(yáng)能，在PAW中固定可觀(guān)的氮肥，這種固氮方式有利于就地產(chǎn)生，就地使用，對偏遠地區具有更加重要的意義。

4 結束語(yǔ)

近年來(lái)大量關(guān)于等離子活化水在農業(yè)應用的報道表明其具有重要研究?jì)r(jià)值和應用前景。在全國農業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心、中國科學(xué)院、中國農業(yè)科學(xué)院、西北農林科技大學(xué)及全國多省市農業(yè)科學(xué)院和農業(yè)技術(shù)推廣中心等權威機構的共同努力下，應用農用等離子體制劑在20多種作物上進(jìn)行多年、多地的田間試驗、示范和推廣，結果證明：增產(chǎn)率達7.0%-38.6%，投入產(chǎn)出比均超過(guò)1:6，綜合效益十分顯著(zhù)，可廣泛應用于糧食作物、油料作物、棉花、茶葉、果樹(shù)和蔬菜等主要農作物的生產(chǎn)，現推廣面積已超過(guò)180萬(wàn)畝。在目前中國農業(yè)生產(chǎn)大量依靠化學(xué)品投入的大環(huán)境下，危害農產(chǎn)品安全和環(huán)境污染等問(wèn)題亟待解決。要改變傳統農業(yè)生產(chǎn)過(guò)量使用化肥、農藥的弊端必須尋求一種安全、高效的綠色技術(shù)才是破題之道。也許等離子體技術(shù)給我們提供了一種全新的思路和視角，期待它在未來(lái)鄉村振興、農業(yè)可持續發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。

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