等离子体活化水（PAW）处理与储存时间对豌豆microgreens产量和品质的影响：RONS动态平衡与营养强化

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Plasma-activated water processing and storage time impacts pea microgreens yield and quality

　　

背景：等离子体活化水（PAW）正作为一种可持续投入品出现，能够提高作物产量和品质，同时减少对合成肥料的依赖。然而，PAW化学性质在储存期间如何演变，以及这些动态变化如何转化为作物生长和品质，仍知之甚少。本研究评估了等离子体活化时间（30、60、90和120 min）和施用时机（生成后立即施用与储存72 h后施用）对PAW理化性质以及豌豆（Pisum sativum L.）microgreens产量、矿质组成和植物化学谱的影响。

结果：采用空气滑动电弧放电生成的PAW表现出特征性的活性物种变化：新鲜生成的PAW含有较高的活性氧和氮物种（RONS）以及较低的pH；然而，储存促进了硝酸盐积累和短寿命氧化剂的衰减。这些化学转变强烈影响植物响应。当立即施用时，中等活化（30–90 min）使鲜重产量和干生物量增加5–13%，而活化120 min的PAW降低产量，同时提高水分利用效率（WUE），这很可能反映水分吸收减少而非植物生长效率改善。相反，所有储存72 h的PAW处理相对于自来水均提高了产量，其中活化60 min的PAW产生最高生物量（+19.7%）和WUE最大改善（+21.5%）。储存PAW还增强了钙和镁积累，并增加了类胡萝卜素、酚类物质和类黄酮。

结论：这些结果表明，PAW功能强烈取决于活性氧（ROS）驱动胁迫和活性氮（RNS）来源营养之间的平衡，二者均取决于活化时间和储存时间。优化这些参数可同时提高microgreens生产系统的生产力、资源利用效率和营养品质。? 2026 The Author(s). Journal of the Science of Food and Agriculture published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of Society of Chemical Industry.

四、论文主体部分解读

研究背景：microgreens（微型蔬菜）是区别于芽苗、baby leaf和成熟蔬菜的高价值、营养密集园艺作物，具有良好感官品质及维生素、矿物质、酚类、类黄酮、类胡萝卜素等生物活性植物化学物，抗氧化能力强。其生长周期短（7–21天），适合城市和垂直农业，市场到2030年预计约60亿美元。但microgreens生产面临可持续性和投入效率问题，常规生产依赖化学品，增加成本与环境影响，并与消费者对无化学产品的需求冲突。非热等离子体（NTP）及其衍生物等离子体活化水（PAW）通过将水暴露于大气等离子体放电而生成，富含活性氧和氮物种（RONS），可作为温和氧化剂和生物刺激剂，影响种子萌发、植物代谢及次生化合物合成。PAW化学性质高度动态，取决于活化时间和储存时间：较长暴露增加NO₃^?、NO₂^?、H₂O₂、ONOO^?、NO、•OH等含量及电导率（EC），降低pH；储存促进短寿命活性氧（ROS）衰减和较稳定活性氮（RNS）尤其硝酸盐积累。但有限研究评估这些动态对microgreens生长和品质的影响。因此，研究人员评估不同PAW处理和应用时间对PAW性质及豌豆microgreens产量和品质的影响，并假设较长等离子体暴露增加PAW反应物种浓度，而储存稳定RNS如NO₃^?，从而改善植物生长。

研究人员开展的研究及结论意义：研究以豌豆Pisum sativum L. cv ‘Dwarf Grey Sugar Pea’为试材，在Penn State温室进行，采用随机完全区组设计，评估PAW活化时间及立即施用与72 h储存后施用对产量、矿质、植物化学品质和水分利用效率的影响。结果表明，PAW功能取决于ROS驱动胁迫与RNS来源营养之间的平衡，活化和储存时间可优化，从而同时提高生产力、资源利用效率和营养品质，并具有部分替代或补充合成氮肥的潜力。

关键技术方法（不超过250字）：采用空气滑动电弧放电系统制备PAW，设置30、60、90、120 min活化，并分别立即施用或储存72 h后施用。对PAW进行pH、EC、氧化还原电位（ORP）、H₂O₂、NO₃-N和NO₂-N表征。豌豆microgreens在温室两套独立随机完全区组实验中栽培，测定鲜产、干生物量、株高、水耗和WUE；分析矿质、组织硝酸盐、叶绿素、类胡萝卜素、总酚、总黄酮和DPPH抗氧化活性；采用线性混合模型及线性/二次回归分析。样本来源：豌豆种子购自Johnny's Selected Seeds，发芽率95%；自来水初始化学由Penn State Agricultural Analytical Services Laboratory表征。

研究结果：

Plasma-activated water physicochemical properties（PAW理化性质）：PAW pH为6.0–7.5，自来水为7.47–8.36，NH₄NO₃为7.81–7.95；PAW120立即测定最低pH为5.14。EC约0.5–0.98 mS/cm，实验2中PAW120储存96 h后为1.22 mS/cm。ORP变化小或不一致。NO₃-N在PAW中较自来水增加219–3296%，随活化非线性增加，PAW120在72 h最高66.59 mg/L，PAW90在24 h峰值48.11 mg/L，但仍低于NH₄NO₃ 34–90%。NO₂-N仅PAW中存在，PAW90在48 h峰值3.09 mg/L。H₂O₂仅PAW中存在，随活化增加，储存后下降，PAW60在96 h耗尽。硝酸盐生成效率初始较低，24 h后达峰。

Effects of plasma-activated water on pea microgreen yield components and water use efficiency（PAW对豌豆microgreens产量组成和水分利用效率的影响）：立即施用时，PAW30和NH₄NO₃使鲜产较自来水增加13.3%，PAW120使鲜产降低11.7%；PAW30干生物量增加11.3%，NH₄NO₃增加7.5%，PAW120干生物量最低，较其他处理平均降低14.8%。PAW120干物质含量最高，NH₄NO₃最低，株高无差异。PAW120水耗最低而WUE最高，但原文指出这可能与水分吸收减少有关。储存72 h后，所有PAW处理鲜产均高于自来水并与NH₄NO₃相当；PAW60干生物量最高，较自来水增加19.68%，较NH₄NO₃增加9.54%；PAW60的WUE较自来水增加21.51%，较NH₄NO₃增加14.31%。PFPN随NO₃-N供应增加而下降，自来水最高，NH₄NO₃最低。

Effects on pea microgreen mineral profile and nitrate content（对豌豆microgreens矿质谱和硝酸盐含量的影响）：立即施用时，NH₄NO₃氮含量最高，PAW与自来水相当但低于NH₄NO₃ 4.6–7.0%；PAW使钙较自来水增加25–58%，较NH₄NO₃增加36–73%，其他矿质无显著差异。组织硝酸盐以NH₄NO₃最高，PAW90与其相似。储存后，PAW120氮较自来水增加2.4%，但PAW总体低于NH₄NO₃ 2.3–5.0%；PAW使钙较自来水增加78–100%，较NH₄NO₃增加129–157%，镁较二者增加13.6–18.2%。组织硝酸盐仍以NH₄NO₃最高，PAW90最低，较NH₄NO₃低47.3%。

Effects on pea microgreen phytochemical content and antioxidant activity（对植物化学含量和抗氧化活性的影响）：立即施用时，NH₄NO₃叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素最高，自来水最低；PAW30和PAW60提高总酚，PAW90总黄酮最高，较自来水增加17.4%，较NH₄NO₃增加26.9%；总抗氧化能力无差异。储存后，PAW120叶绿素a最高；所有PAW处理类胡萝卜素较自来水增加10.0–13.8%；PAW90和PAW120总酚最高，PAW60总黄酮最高，较自来水增加27.8%；PAW90和PAW120总抗氧化能力较高，PAW30降低约13%。

Regression analysis and effects of hydrogen peroxide and nitrate-nitrogen plasma-activated water concentrations（回归分析及H₂O₂和NO₃-N浓度效应）：实验1中，鲜重、平均单株鲜重、水耗、钙和钠对H₂O₂呈二次响应，WUE随H₂O₂线性增加；实验2中，鲜重、钙和镁对H₂O₂呈二次响应，干物质、钠和总酚呈线性响应。NO₃-N方面，实验1仅钙呈二次响应，水耗、WUE、钠和叶绿素a呈线性；实验2鲜重、干重、平均单株鲜重、钙和镁呈二次响应，钠线性增加。

讨论部分总结：PAW作为RONS来源可作园艺生物刺激剂，改善发芽、生长和营养品质，减少合成肥料与化学消毒剂需求。滑动电弧配置适合农业应用，常压空气运行、能效较高且可放大。本研究中PAW呈温和酸化、EC适度，可能减少酸或渗透胁迫。NO₃-N随活化和储存增加，NO₂-N在PAW90达峰后下降，H₂O₂随处理增加但储存下降。新鲜PAW可能提供较高ROS氧化刺激，储存PAW更似硝酸盐丰富且低氧化溶液。研究人员指出，可通过优化活化和储存实现ROS与硝酸盐平衡。产量数据反映该功能转变：立即施用中等活化增加产量，PAW120降低产量但提高干物质和WUE；储存后所有PAW提高鲜产和干生物量，PAW60最优。矿质方面，PAW不仅作为氮源，还调节阳离子吸收，储存PAW增加钙和镁，具有营养强化价值。植物化学方面，轻度氧化和亚硝化应激刺激次生代谢，储存PAW可同时提高产量、WUE和品质。研究局限包括PAW理化测量为同一批次分析重复，非独立生成批次；商业等离子体系统缺少电波形等参数；未直接测定氧化应激标记和机制。未来需在商业条件下量化PAW绝对氮输入，探索剂量响应，整合代谢组和转录组，并研究无氮等离子体活化营养液。

研究结论翻译：本研究提供实证证据，表明由空气滑动电弧放电生成的PAW可作为豌豆microgreens的eustress（良性应激）和营养源双重功能，其功效受PAW处理时间及储存期间变化所定义的独特化学性质支配。在两个实验中，PAW处理产生的鲜产和干生物量高于或相当于NH₄NO₃施肥，唯一例外是生成后立即施用的PAW120，其鲜产和干生物量较低。储存72 h将PAW转化为硝酸盐稳定的溶液，ROS水平减弱，使鲜产、干生物量、WUE和矿质积累一致增加。在所有处理中，储存72 h后的PAW60提供了高生产力、高效用水、富集钙和镁、相对低组织硝酸盐含量和改善植物化学浓度的最有利组合。总体而言，这些发现证明PAW有潜力在受控环境条件下部分替代或补充合成氮肥用于豌豆microgreen生产，实现相当或更优的产量和生物量，同时减少对常规矿质氮投入的依赖。它们还表明，PAW性能可通过活化和储存参数精细调节以实现目标生理结果。未来工作应在商业条件下量化PAW提供的绝对氮输入，探索不同microgreen物种的剂量-响应关系，并整合代谢组学和转录组学分析以解析PAW来源RONS如何影响microgreens初级和次级代谢。进一步研究无氮输入的等离子体活化营养液有助于评估等离子体在硝酸盐浓度中的实际贡献，进一步界定PAW可在不损害产量或品质的情况下替代合成氮输入的程度。