体积介质阻挡放电(VDBD)冷等离子体对大麦种子中镰刀菌的脱毒活性研究及其对发芽率的影响

本研究针对大麦种子受镰刀菌(Fusarium spp.)污染导致的产量损失和食品安全问题，创新性地采用体积介质阻挡放电(VDBD)冷等离子体技术，系统评估了不同处理条件(干燥空气、湿润空气和纯氧气)及暴露时间对镰刀菌孢子(F. verticillioides、F. culmorum和F. graminearum)的灭活效果。结果表明，30-40秒处理可实现体外孢子完全抑制，60秒处理使种子表面菌落减少75%以上，4分钟处理效率达99.1%，且种子发芽率未受影响。该技术为替代化学农药、实现无残留真菌防控提供了环保新方案。

　　

在全球人口增长与气候变化双重压力下，农业面临减少农药使用与保障粮食安全的矛盾。镰刀菌(Fusarium spp.)作为大麦等谷物的主要病原体，不仅造成作物减产，其产生的霉菌毒素(如脱氧雪腐镰刀菌烯醇DON)更威胁食品安全。传统化学防治存在残留风险，而物理方法如热处理易损伤种子活力。如何开发高效、环保的病原体控制技术成为研究热点。

意大利巴里大学(University of Bari ALDO MORO)与捷克科学院等离子体物理研究所(Institute of Plasma Physics of the Czech Academy of Sciences)的联合团队在《Scientific Reports》发表研究，首次系统评估了体积介质阻挡放电(Volume Dielectric Barrier Discharge, VDBD)冷等离子体对三种镰刀菌的灭活效果及其对大麦种子发芽的影响。该技术通过产生瞬态微放电(持续数十纳秒)和活性氧氮物种(Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS)，在不升高温度的条件下实现病原体灭活，为农业脱毒提供了创新解决方案。

研究采用三项关键技术：(1) 模块化3D打印VDBD反应器，通过调节交流高压(20 kV峰峰值)和气体流量(1 slm)产生稳定等离子体；(2) 光学发射光谱实时监测等离子体特性，确认微放电气体温度维持在26°C；(3) 结合体外(琼脂培养基孢子抑制)与体内(人工接种种子菌落计数)实验，量化不同处理条件(干燥空气/湿润空气/氧气，5秒-4分钟)的脱毒效率。

主要研究结果

Discharge characteristics

通过电压-电流波形和紫外光谱分析，证实VDBD产生的微放电富含臭氧(O₃)和二氧化氮(NO₂)。在氧气环境下臭氧浓度最高(6360 ppm)，而湿润空气因氢原子参与反应生成过氧化氢(H₂O₂)等次级产物。种子存在时臭氧浓度略有下降，说明其表面参与了化学反应。

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Efficacy against Fusarium spp.

体外实验显示，孢子灭活效率与处理时间呈正相关：30秒可使F. verticillioides微孢子完全失活，而F. culmorum和F. graminearum的硬质大孢子需40秒。种子处理实验中，60秒暴露使菌落减少75-89%，4分钟达99.1%。湿润空气在40秒处理时表现最优(F. verticillioides抑制率95.6%)，可能与H₂O₂的协同作用有关。

Seed wettability changes

等离子体处理5秒即可使种子接触角从120°降至35-40°，表面润湿性显著提升。这种亲水性变化可能促进萌发初期水分吸收，15秒处理甚至引发种皮破裂，加速发芽进程。

讨论与意义

该研究证实VDBD冷等离子体可通过双重机制发挥作用：瞬态微放电直接破坏孢子结构，而长效活性物质(O₃、H₂O₂等)持续抑制病原体复苏。相较于传统表面介质阻挡放电(Surface DBD, SDBD)，VDBD的直接接触模式使种子表面能接收更多能量和活性粒子，效率提升显著。

技术优势体现在三方面：(1) 处理4分钟仍保持100%发芽率，满足麦芽工业对高发芽率(>95%)的严苛要求；(2) 无化学残留，避免啤酒生产中风味物质污染；(3) 模块化反应器设计便于规模化应用。未来研究需优化批次处理工艺，并评估对麦芽品质参数(如α/β淀粉酶活性)的影响。

这项突破为农业可持续发展提供了新思路——利用等离子体技术同时实现作物保护、食品安全和生态友好三重目标，符合联合国"零饥饿"与"负责任消费"的可持续发展方向。