冷等离子体技术延长豌豆种子萌发潜力的长期保鲜效应研究

《Scientific Reports》：Extending shelf life: cold plasma as a tool to preserve long-term germination potential of pea seeds

本研究针对传统农业化学品带来的环境风险，探索冷等离子体作为一种环保型种子预处理技术的长期有效性。研究人员采用大气压空气介质阻挡放电（DCSBD）处理豌豆种子，系统评估了储存6个月内种子表面理化特性（润湿性、化学组成）与生理指标（萌发率、活力指数）的稳定性。结果表明等离子体诱导的种子表面亲水性提升（水接触角从108°降至52°）和含氧官能团增加（O/C比从0.18升至0.44）在冷藏条件下保持稳定，且萌发促进效应可持续6个月。该研究为等离子体农业技术的实际应用提供了重要的时效性依据。

　　

随着全球人口的持续增长，农业生产面临严峻挑战。健康种子是高产作物的基础，但传统农业化学品（如化肥和农药）的使用不仅带来环境风险，其效果也有限。近年来，冷等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP）技术作为一种绿色替代方案崭露头角。等离子体是富含电子、离子、活性氧氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）等活性粒子的电离气体，在适当条件下处理种子，可显著提高萌发率、活力，并具有抗菌效果。然而，以往研究多关注处理后即刻的效果，而实际农业中种子常需储存数月才播种。等离子体诱导的表面改性是否会随时间退化？储存温度是否影响其效果持久性？这些问题成为推动该领域走向实际应用的关键。

为解决上述问题，斯洛伐克夸美纽斯大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表论文，系统探究了冷等离子体处理对豌豆（Pisum sativum L., Saxon品种）种子长期储存的影响。研究首次将储存时间（6个月）与储存温度（4°C冷藏 vs. 室温）纳入评估体系，追踪等离子体诱导的理化与生理变化。

研究采用大气压扩散共面表面介质阻挡放电（Diffuse Coplanar Surface Barrier Discharge, DCSBD）等离子体源，在空气环境中处理种子。该装置的平面电极结构（活性面积160 cm²）可一次性处理上百粒种子，远超传统等离子体射流或电晕放电的处理效率。种子在陶瓷电极表面经轨道摇床（330 rpm）带动实现均匀处理，曝光时间在5–120秒间调整。关键实验技术包括：水接触角（Water Contact Angle, WCA）测量表面润湿性；X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）分析表面化学组成；扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察形态变化；吸胀实验评估吸水速率；萌发实验计算萌发百分比、种子活力指数与幼苗活力指数；碱性彗星实验（Comet Assay）检测DNA损伤。

等离子体对种子表面特性与萌发参数的影响

研究发现，等离子体处理显著提升种子表面亲水性。未处理种子的水接触角为108±5.8°，属典型疏水性；处理5秒后即降至60.6±3.2°，延长处理时间至30秒可进一步优化效果。

XPS分析显示，表面碳原子比例从83%下降，氧原子比例从15%上升，O/C比从0.18最高增至0.44（30秒处理），表明含氧极性官能团（如C–O、C=O）增加。

SEM图像证实等离子体处理未引起种皮裂纹或损伤，说明亲水性提升源于表面化学改性而非物理破坏。

在生理指标方面，等离子体对低活力种子（初始萌发率50%）的促进效果尤为显著：处理10–20秒后萌发率从70%提升至近90%，种子活力指数与幼苗活力指数同步提高。

高活力种子（初始萌发率90%）萌发率虽已达峰值（100%），但幼苗早期生长指标仍获改善。彗星实验显示，等离子体处理仅引起可修复的轻微DNA损伤，证实其生物安全性。

等离子体处理种子的老化行为

为评估长期效果，研究选取优化处理时间（低活力种子15秒，高活力种子30秒）进行6个月储存跟踪。水接触角测量表明，亲水性在冷藏条件下极为稳定：处理30秒的种子水接触角在5周内保持低值，6个月后仅从52.2°轻微回升至67.6°，远未恢复初始疏水状态。

室温储存虽导致较快疏水恢复，但亲水性仍显著优于未处理种子。XPS数据进一步证实表面化学组成在5周内保持稳定。

生理指标跟踪发现，等离子体的促进效应在冷藏储存中得以维持。低活力种子在6个月冷藏后萌发率显著高于未处理对照组；

高活力种子的萌发动力学在短期冷藏中明显改善，且该优势持续至6个月。室温储存则导致效果衰减，凸显储存温度的重要性。吸胀实验显示，长期储存后等离子体处理种子的吸水速率显著提升，可能与表面氧化程度加深有关。

DNA损伤水平在储存期间无显著波动，再次验证技术安全性。

本研究首次系统证实冷等离子体预处理对豌豆种子的促进效应可长期保持，尤其在冷藏条件下长达6个月。表面改性（亲水性提升、极性官能团增加）的稳定性是维持萌发优势的关键物理化学基础。研究明确了储存温度对效果持久性的影响，为农业实践中的种子储存方案提供了指导。该成果突破了等离子体农业技术从实验室向田间应用的核心瓶颈——时效性问题，为推动绿色替代化学品的技术发展奠定了实证基础。未来研究可扩展至其他重要作物，并探索等离子体处理与储存条件的协同优化策略。