微纳米气泡氢水灌溉增强蕹菜镉耐受性：根际微生物调控与氧化应激缓解机制

针对农业中氢气(H2)应用溶解度低、易逸散的问题，研究人员通过微纳米气泡氢水(MNBH)结合地下滴灌(SDI)技术，系统研究了其对镉(Cd)污染下蕹菜生长及根际微环境的影响。结果表明，MNBH显著提升植物抗氧化能力、降低Cd吸收，并重塑根际微生物群落，为重金属污染修复提供了创新性解决方案。

　　

论文解读

镉(Cd)污染已成为威胁全球农业安全与人类健康的重要环境问题。这种重金属不仅通过工业排放和农业活动在土壤中积累，更因其高水溶性和生物累积性，易被作物吸收并通过食物链传递。蕹菜(Ipomoea aquatica Forssk.)作为亚洲广泛种植的叶菜，对Cd具有显著富集能力，其食用部分的重金属超标风险备受关注。尽管已有研究表明外源氢气(H₂)能增强植物Cd耐受性，但传统氢富水(HRW)因H₂溶解度低(<1.6 mg/L)、存留时间短，难以满足农业生产需求。如何突破技术瓶颈，实现H₂在农业中的长效应用，成为亟待解决的难题。

江苏省农业科学院等机构的研究团队创新性地将微纳米气泡技术(MNBs)与地下滴灌(SDI)系统结合，开发出微纳米气泡氢水(MNBH)灌溉体系。通过32天的盆栽实验，发现MNBH处理使Cd污染下的蕹菜生物量提升87%-93%，光合速率提高61%，同时根际Cd有效性降低42%。相关成果发表于《Environmental Pollution》，为重金属污染农田的绿色修复提供了理论与实践依据。

关键技术方法
研究采用四组对照设计（CK、MNBH、Cd、Cd_MNBH），通过自主开发的SDI-MNBH系统实现氢水持续输送。测定指标包括植物生长参数（根形态、生物量）、生理指标（叶绿素、抗氧化酶）、土壤理化性质（pH、Cd形态）及微生物群落（16S rRNA测序）。实验土壤Cd浓度设定为4 mg/kg，符合中国农用地风险管控标准(GB 15618-2018)。

研究结果

1. MNBH对蕹菜生长的促进作用
MNBH处理显著改善根系构型，总根长(TRL)和根表面积(TRSA)分别增加91.7%和87.5%。Cd胁迫下，MNBH使植株高度恢复至对照组的89%，并缓解Cd对光合系统的破坏，叶绿素a/b比值趋于正常化。

2. 氧化应激调控机制
MNBH通过上调金属硫蛋白(MTs)和应激激素（ABA、SA），使超氧化物歧化酶(SOD)活性提升2.1倍，过氧化氢酶(CAT)活性提高68%，有效清除活性氧(ROS)。丙二醛(MDA)含量降低53%，表明细胞膜氧化损伤显著减轻。

3. 根际微生态重塑
MNBH将根际pH值提高0.8个单位，促进Cd向残渣态转化。微生物分析显示，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度增加37%，其中氢氧化细菌(Hydrogenophaga)成为优势菌群。这些变化与土壤脲酶(UE)和脱氢酶(DHA)活性提升呈正相关，共同驱动Cd的生物固定化。

结论与意义
该研究首次证实SDI-MNBH系统可通过"植物-土壤-微生物"三方互作缓解Cd毒性：

1. 技术突破：MNBs技术将H₂存留时间延长至传统HRW的5倍以上，实现全生育期持续供氢；
2. 机制创新：揭示氢信号通过调控MTs-ABA/SA通路增强抗氧化能力，同时通过微生物群落重构降低Cd生物有效性；
3. 应用价值：为重金属污染农田提供了一种节水（SDI）、低碳（H₂）、且无需化学修复剂的可持续解决方案。

研究团队指出，未来需进一步优化MNBs参数（如气泡直径、H₂浓度）以适应不同作物需求，并评估长期田间应用的生态风险。该成果对发展智慧农业与生态安全种植具有重要指导意义。