《Agronomy》：Non-Thermal Plasma as Novel Environmentally Friendly Agricultural Biotechnology for Seed Treatment and Stimulation of Early Plant Growth
Iuliana Motrescu,
Constantin Lungoci,
Camelia Elena Luchian,
Cristina Mihaela Rimbu,
Mihai Alexandru Ciolan,
Anca Elena Calistru,
Liviu-Dan Miron and
Gerard Jitareanu
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这篇综述系统性地介绍了非热等离子体（NTP）作为一种新型绿色农业生物技术的原理、应用与前景。文章指出，NTP通过其产生的活性氧氮物种（RONS）、紫外光子和带电粒子，在接近室温下处理种子，可引发种皮物理化学变化（如微裂纹、亲水性增强）、激活内部生化机制（如抗氧化酶活性、激素调节），从而有效促进种子萌发、幼苗生长，并兼具消毒、提升植物抗逆性及营养品质等多重功效。该技术为减少化肥农药依赖、实现可持续农业提供了极具潜力的解决方案。
1. 引言
现代农业正面临着人口增长、耕地减少及气候变化等多重挑战，这导致了化肥和农药的过度使用。而非热等离子体（Non-Thermal Plasma, NTP），又称冷等离子体，作为一种新兴的绿色农业生物技术，在过去十年中展现出巨大潜力。它通过对种子进行近室温处理，可刺激植物多种性状，成为传统化学方法的环保替代方案。NTP通过对气体（通常是空气）施加电能产生，是一种部分电离的气体，可产生活性氧和氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）、紫外线（UV）光子以及带电/不带电的活性粒子，同时保持温度接近室温。这些特性使其非常适合需要低温处理以防止材料降解的应用，例如种子、植物、食品等生物介质的表面处理。
相较于依赖可能损害种子活力或残留有害物质的化学处理方法，NTP在近环境温度下运行，利用物理和化学过程促进种子萌发和生长参数，且环境友好、无残留，是一种无需化学溶液的消毒方法。其参数（如电压、气体成分、处理时间）可精细调控，为特定作物提供定制化处理方案。
2. 非热等离子体在农业中的应用源
NTP源根据其工作原理和放电机制可分为多种类型，包括脉冲电晕放电、介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）、电晕放电、射频等离子体（Radio Frequency, RF）、微波等离子体（Microwave, MW）和辉光放电等离子体。介质阻挡放电因其包含电极间的介电材料，可在常压下产生非平衡等离子体，且能耗较低，在农业应用中显示出优势。射频等离子体利用高频电脉冲电离气体，产生反应性物种浓度较高的低温等离子体。微波等离子体则通过300 MHz至300 GHz频率的电磁辐射电离气体分子，多用于低温巴氏杀菌或灭菌。辉光放电等离子体在低压下工作。放电气体是另一个关键参数，空气成本最低，但使用惰性气体（如氩气、氦气）或氮气、氧气及其混合物可改善放电均匀性、反应性物种分布和能量特性。电压、频率、功率和处理时间等参数对生物响应具有非线性影响，需针对目标结果进行优化。目前尚无适用于所有农业处理的理想等离子体源，设备的放大和规模化应用仍是重要挑战。
3. NTP处理对种子萌发的影响
种子暴露于NTP会触发种皮的一系列物理化学变化。等离子体组分（特别是活性物种）与种皮有机材料之间的强烈相互作用，会在微米和纳米尺度上产生显著的刻蚀过程，导致表面粗糙度增加、孔隙和微裂纹的出现，
活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）与种皮中的生物聚合物相互作用，引入亲水性官能团，改变表面能，从而降低种皮的初始疏水性，使水分能更快速渗透到胚中，这已被种子吸水能力增加所证实。活性氮物种（Reactive Nitrogen Species, RNS）也可附着在表面并进行官能化，从而改变种皮的化学性质，促进后续必需营养物质的调动。
NTP处理的首要效应之一是刺激萌发。研究表明，NTP能显著提高多种作物的萌发率、均匀度和早期幼苗生长。例如，小麦种子的处理使萌发率提高了22%，同时幼苗活力和一些抗氧化酶活性也得到增强，最终籽粒产量增加了27%。绿豆种子经新型常压冷等离子体系统处理仅40秒，萌发率就从86.67%显著提高至91.67%。这种快速提升归因于种子表面形态的显著改变，导致表面积和孔隙度增加，从而提高了吸水率，但并未改变种子的化学结构。
萌发刺激的机制涉及一系列物理化学和生化过程。在物理层面，NTP处理增加了种皮通透性，改善了气体交换，支持萌发过程中的呼吸作用。在生化层面，NTP产生的活性氧和氮物种一旦通过保护层进入胚细胞，可作为氧化还原信使，触发种子内部的一系列生理反应。例如，适量的活性氧如过氧化氢（H2O2）可作为次级信使，启动抗氧化酶系统（如过氧化氢酶CAT和超氧化物歧化酶SOD），并激活负责动员储存养分（如淀粉和蛋白质）的酶。在激素调控方面，NTP处理可降低脱落酸（Abscisic Acid, ABA）水平，同时提高赤霉素（Gibberellins, GAs）水平，从而打破休眠，促进萌发和生长。此外，NTP还能诱导与光合作用和胁迫耐受性相关的基因表达，对植物发育后期阶段产生持久影响。
4. NTP种子处理对幼苗生长的影响
NTP处理不仅影响萌发，还对幼苗及微型植物的后续生长和发育产生显著影响。经处理的种子所长出的植株，在出苗后的最初几天，叶片更大，反映出光合效率的提高和光能转换能力的增强，从而缩短了微型植物达到商品规格所需的时间，增加了植株干重。形态学上的改善包括幼苗高度、根长和芽长的增加，支持了更好的早期活力。生理学上的增强是这些形态改善的基础。血浆诱导的抗氧化酶活性升高，减轻了可能损害生长的氧化损伤，并使植物对胁迫更具抗性。由等离子体蚀刻的种子表面和形成的孔隙带来的吸水性和养分吸收能力增强，维持了对幼苗发育至关重要的代谢过程。代谢途径的调控也增强了能量供应和关键分子的生物合成。
然而，生长促进效果因物种和处理条件而异。使用等离子体活化水（Plasma-Activated Water, PAW）灌溉番茄、瑞士甜菜和卷心菜等蔬菜的研究揭示了不同的反应，一些物种表现出显著的高度增加，而另一些则在特定PAW条件下未显示出显著效应甚至出现负面的生长效应。这种差异强调了需要定制处理方案和严格优化，以最大化早期生长效益，同时避免不利影响。例如，在苜蓿中，适度的处理时间和剂量可使幼苗比未处理的对照组更早萌发，同时类黄酮等生物活性化合物水平升高。在胡芦巴中，快速出苗与微型植物平均尺寸的增加相结合，并刺激了抗氧化化合物的产生，
5. 生化和营养改善
除了促进生长，NTP处理还能激活种子和幼苗内部的抗氧化防御系统，保护其免受萌发和早期生长过程中产生的氧化胁迫。过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性的持续升高已被记录，它们能解毒活性氧，稳定细胞环境，支持健康发育。这些反应性物种相关信号可能启动幼苗内在的胁迫恢复机制，使其在早期建植过程中更好地适应生物和非生物胁迫。
NTP还调节植物激素含量，这是种子休眠解除和生长促进的关键决定因素。赤霉素（促进种子萌发）在等离子体处理后增加，而抑制性激素脱落酸水平下降，从而缓解了休眠限制。此外，等离子体处理激活了参与养分储备动员的酶（如淀粉酶和蛋白酶），为细胞分裂和伸长提供能量和构建模块。次生代谢物谱也发生改变，包括具有抗氧化特性的多酚和类黄酮，这不仅增强了活力，也提升了芽苗的营养品质。例如，经NTP处理的胡芦巴芽苗中总类黄酮浓度大约是未处理种子的三倍。
一氧化氮（Nitric Oxide, NO）是介导植物对NTP处理反应的关键因子，其在种子萌发、根系发育和胁迫适应中作为重要的次级信使。血浆暴露诱导的NO积累与抗氧化酶活性增加以及对盐分和干旱等非生物胁迫的耐受性增强有关。这些信号相互作用支持了“血浆诱导的启动”概念，即轻微的亚硝化和氧化信号触发防御相关通路，从而使植物为应对即将到来的环境胁迫做好准备。
6. 去污与延长货架期
非热等离子体通过其独特的物理化学特性，在微生物去污、营养保存和提升产品质量（无需高温）方面，对延长农产品货架期发挥着重要作用。通过活性物种和紫外辐射的联合作用，NTP能有效灭活种子和植物材料表面的多种微生物，包括细菌、真菌和病毒，从而降低疾病传播风险。与可能破坏敏感营养素、蛋白质和生理结构的传统热加工不同，NTP能够保持种子及其衍生产品的营养和感官品质。这对于小米等产品尤为重要，因为高温会降解必需的维生素和抗氧化剂。
此外，NTP诱导的种皮和谷物物理化学变化，如亲水性和表面润湿性增加，不仅改善了幼苗生长期间的水分吸收和活力，还能增强采后产品对环境胁迫的抗性，从而减少储存期间的质量损失和浪费。血浆产生的反应性物种还能改变产品表面的化学环境，导致腐败酶失活，进一步延长采后新鲜度，
7. 结论、挑战与展望
NTP处理的效果高度依赖于等离子体源相关因素（如等离子体类型、工作气体、放电电压、处理时间）以及植物物种本身。在某些情况下，对某一物种有刺激作用的相同条件，可能对另一物种产生抑制效应，包括降低活力或产生不利的生化反应。电压强度、功率设置、处理时间、工作气体成分、电极设计和等离子体生成配置等参数都需要精细优化，以在实现理想效果和避免热损伤或氧化损伤之间取得平衡。剂量反应研究对于确定不同作物种子的刺激阈值和抑制点、制定标准化方案至关重要。
尽管非热等离子体优势显著，但也存在挑战和局限性。过度暴露、高电压或过长的处理时间可能导致种皮损伤、DNA断裂和有害的氧化应激，从而降低萌发率或导致幼苗发育异常。在基础层面，对血浆产生的反应性物种触发分子途径的理解仍不完全。虽然活性氧和活性氮的信号传导作用已得到确认，但下游的基因网络、代谢物相互作用以及对整个植物生命周期的长期影响，仍需进一步的组学整合研究。
从环境和用户影响的角度看，NTP是一种无化学品技术，符合可持续和绿色农业的目标。它已被证明是一种能够减少农药使用、提高作物产量和增强胁迫抗性的有力工具，对粮食安全和食品安全具有深远影响。NTP技术与纳米技术、机器学习驱动的方案优化等新兴创新相结合，进一步增强了其作为现代精准农业基石的潜力。
总之，非热等离子体并非“一刀切”的解决方案，而是一种可以精细调控的农业生物技术，其成功取决于将放电类型和处理条件与每种目标作物的生物学特性相匹配。在最佳条件下，NTP及其衍生物（如PAW）能够可靠地刺激萌发和幼苗生长，提高植物胁迫抗性，同时减少化学品投入，这与现代农业的可持续发展目标高度契合。因此，未来的工作应优先考虑治疗参数的标准化报告，设计多学科研究以探索其相互作用机制，并开发可扩展的系统，使NTP技术能够从实验室走向田间应用。
