氫氣是一種具有廣泛生物學效應的生物分子，這種廣泛性不僅體現在對同一類物種的多種效應，還表現在氫氣具有跨物種生物學效應的特點，更重要的是氫氣表現出極大的生物和環境安全性。另外氫是宇宙中含量最多的元素，氫氣的資源其豐富，人類早就掌握了氫氣製備技術成熟，製造成本低廉。讓這種氣體具有預防和健康醫學應用優勢，也具有生態和環境應用優勢。但是氫氣具有可燃性，氫氣在水中溶解度非常小，讓氫氣的使用存在一定的風險和困難。納米氣泡是解決難溶解氣體溶解度小的針對性技術，也是人們新近發現的自然現象，人工納米氣泡技術也日趨成熟和完善。結合納米氣泡技術的氫氣納米氣泡技術，給氫氣的大規模低成本應用提供了關鍵技術。讓氫氣這種廣泛生物學效應的常見氣體，有希望成為保護生態環境的重要利器。
簡單安全有作用不僅是醫療追求的方法，也是健康預防醫學追求的工具，也是環境保護追求的技術。氫氣不僅受到醫療的追捧，健康領域喜歡，也一定受到農業、環境保護等越來越多相關領域的熱愛。真所謂，英雄所見略同！
內容參考中國環境科學研究院環境準則與風險評估國家重點實驗室吳豐昌院士團隊8月9日在《農業食品化學雜誌》的一篇觀點論文。
Zhao L, Teng M, Zhou L, Li Y, Sun J, Zhang Z, Wu F. Hydrogen Nanobubble Water: A Good Assistant for Improving the Water Environment and Agricultural Production. J Agric Food Chem. 2023 Aug 9.
氫氣納米氣泡水（HNW）是農業和環境領域的新興技術，因其突出特徵而受到更多關注。氫納泡水錶現出更高的溶液停滯率，並且存在時間更長水比分子氫，這確保了其實際使用。在此觀點中，討論了氫納泡水的特性和應用。氫納泡水作為抗氧化劑，有效消除活性氧，抵消Cu和Cd應激；氫納泡水還增加作物產量，提高作物質量，並能改善運輸和儲存性能。基於氫納泡水的優勢，我們建議重點關注氫納泡水的潛在功能，並擴大其在環境和農業。
氫分子已顯示出通過選擇性去除活性氧 （ROS） 來緩解細胞毒性的能力。但是，氫氣應用存在一些缺點，如溶解度低、擴散性強、不穩定性等，限制了其更廣泛的擴張。納米氣泡（NBs）是直徑為<1μm的氣泡，可以含有各種小分子氣體。通常氫NB克服了許多缺點。與簡單物理溶解於水相比，NBs每單位體積提供相對較大的比表面積和更高的氫氣溶液停滯率，存在時間明顯更長。考慮到這些有利的品質，使用氫納米氣泡 水（HNW）引發了污水處理，農業或育種產量提高以及醫學研究等一些領域的研究人員的極大興趣。
氫納泡水在去除ROS方面表現出比 ROS 更高的效率。氫 水僅與外源性ROS（•OH）發生反應，而氫納泡水則消除了更多類型的ROS（超氧陰離子、次氯酸和ONOO–)。銅（Cu）是淡水系統中毒性最強的重金屬之一，鎘（Cd）是一種非常常見的土壤金屬污染物，會對生物和人類健康產生負面影響。Cu和Cd可以催化ROS的產生，導致氧化應激和進一步的氧化損傷。作為一種有效的抗氧化劑，氫納泡水抵消了源自重金屬的內源性ROS，並增加了動植物的內源性抗氧化作用。氫納泡水增加了超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等抗氧化酶的活性。(2)此外，氫納泡水保護和維持了營養物質的還原環境，從而降低Cd的溶解度。
氫納泡水通過一種分子機制可以降低金屬毒性。氫納泡水通過還原Cu2+來調節Cu的生物利用度到固相Cu0和Cu0不能通過銅轉運蛋白轉運到小球藻細胞中。(3)由於氫納泡水體積大而無法穿透細胞膜，吸附在小球藻表面的氫納泡水可能會降低Cu2+及其轉運蛋白。此外，氫納泡水調節水稻中金屬轉運相關基因（如Nramp5、HMA2、HMA3、IRT1和LCD）的表達，降低Cd的積累水平。 (4)我們建議對氫納泡水進行更廣泛的測試，以減輕與其他重金屬相關的風險。眾所周知，氫是一種還原劑，既能去除多餘的ROS，又能與正離子重金屬反應，如鉛（Pb4+和鉛2+）、砷（如3+）和汞2+和汞）。考慮到低碳優勢、低成本，以及NB的長壽命特性，應研究氫納泡水是否可以應用於更廣泛的環境的保護目的（圖1）。
圖1.氫納泡水在環境和農業領域的應用。
氫納泡水對植物生長的好處正日益實現。應用氫納泡水不僅增加了植物的葉綠素水平，還增加了對光合作用至關重要的鐵水平。農作物是人類生命的保障，並且仍然是一個永恆的話題。氫納泡水可以增強作物從土壤中吸收養分，因為它的帶負電荷和疏水的外殼。一系列關於水稻的研究肯定了使用氫納泡水的基本原理。氫納泡水在溫室試驗中提高了水稻的育種適應性，在盆栽試驗中提高了水稻的耐鹽性。此外，在田間試驗中，用氫納泡水水稻灌溉顯著增加了水稻的長度、寬度、厚度和千粒重。白米中磷、鉀含量也有所增加，說明氫納泡水通過增強養分同化來控制水稻種子的生長。(4)除了對植物的直接益處外，我們建議檢查氫納泡水對微觀水平的影響（例如，根際微生物和土壤微生物）（圖1）。據信，氫氣是細菌的主要能量來源。先前的研究證實，氫處理改變了土壤微生物多樣性，增加了有益菌的丰度和代謝活性。此外，用NB灌溉水也影響了土壤微生物多樣性和土壤肥力。然而，很少有研究報告氫納泡水介導的土壤微生物多樣性變化與植物生長之間的關係。氫納泡水如何通過影響微觀成分而不是宏觀物種來間接促進生態系統應該是未來研究的重點。
氫納泡水還有助於提高經濟作物的市場價值。用氫納泡水灌溉草莓增加了風味成分的含量，並改善了水果的香氣。可溶性糖/可滴定酸比例的增加也表明甜度更好。(5)同時，氫納泡水實際上延長了作物在運輸和儲存過程中的保存時間。與未經處理的大米相比，用氫納泡水水稻灌溉的水稻表現出更高水平的必需胺基酸，更少的異味和更少的脂質過氧化。此外，還建議使用氫納泡水來抑制異味並降低儲存大米中的脂質過氧化水平。考慮到氫納泡水的前景，我們建議在稻-魚養殖系統中應用氫納泡水（圖1）。據報道，氫 水對魚類細菌感染有治療作用，促進水產養殖。提高水凈化能力和促進水稻生長，將氫納泡水應用於稻魚養殖系統可以充分利用這些優勢，使養殖效率和盈利能力受益。
因此，氫氣是一種環保選擇，可以幫助可持續農業。隨著納米技術不斷引領創新，我們很高興發現氫納泡水的新優勢特性，並更實際地應用它。
作者介紹：吳豐昌，1964年8月23日出生於浙江衢州，環境基準標準與污染防治專家，中國工程院院士，中國環境科學研究院副總工程師、研究員、博士生導師，環境基準與風險評估國家重點實驗室主任。
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