综述：利用冷等离子体技术：可持续农业的进展与应用

《Plasma Processes and Polymers》：Harnessing Cold Plasma Technology: Advancements and Applications in Sustainable Agriculture

本综述系统阐述了非热冷等离子体（Cold Plasma, CP）技术在可持续农业中的前沿进展与应用潜力。文中重点探讨了CP产生的活性氧/氮物种（ROS/RNS）在采收前（如种子处理、促生长、增强胁迫抗性）与采收后（如表面去污、农残降解、仓储害虫防治）的关键作用机制，揭示了其作为一种高效、环保的物理方法，在替代化学农药、保障粮食安全与质量方面的巨大前景，为未来构建韧性强劲的粮食生产体系提供了创新思路。

　　

在人口增长与气候变化双重压力下，全球农业正面临病虫害导致作物减产、化学农药滥用引发环境与健康风险等一系列严峻挑战。寻求安全、高效的物理替代技术已成为可持续农业发展的迫切需求。其中，冷等离子体（Cold Plasma, CP）作为一种在接近室温下产生的部分电离气体，正以其独特的非热效应和广泛的生物调控潜力，成为农业科技领域的明星技术。

冷等离子体技术：机制、生成与活性物种

物质除了固态、液态、气态，还有第四态——等离子体。冷等离子体区别于高温的热等离子体，其工作温度通常不超过40°C，因此能与种子、植株等热敏性生物材料安全交互。通过介质阻挡放电（DBD）、射频放电等方法，对空气、氮气等气体施加电场，即可生成富含活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）和活性氮物种（Reactive Nitrogen Species, RNS）的冷等离子体。这些ROS（如H₂O₂、O₂^•-、¹O₂、O₃）和RNS（如NO、ONOO^-）是CP发挥生物学效应的核心“武器”，它们能够作为信号分子，启动并调控植物体内一系列生理与防御反应。

采收前应用：从种子萌发到植株健康的全方位促进

种子处理：打破休眠，激活生长

种子是农业的起点。CP处理种子主要通过两种方式：直接暴露于等离子体，或使用等离子体活化水（Plasma-Activated Water, PAW）浸泡。其核心机制在于，ROS/RNS能“蚀刻”种皮表面，引入羟基、羧基等亲水基团，降低水接触角，从而显著增强种皮的亲水性和透水性，加速水分与养分的吸收。同时，这些活性物种还能降解种皮中的抑制物质，激活淀粉酶、蛋白酶等萌发关键酶的活性，为胚的生长提供能量。

如图所示，经过CP处理的种子，其萌发活力、整齐度及幼苗长势均得到显著提升。研究数据显示，经冷大气压等离子体处理的大麦种子，萌发率提高了约20%，淀粉酶和蛋白酶活性分别增强了约25%和30%。除了物理和酶学改变，CP还能诱导生长素、赤霉素等植物激素水平的变化，并上调WRKY1等转录因子及相关抗逆基因的表达，从多个层面协同打破种子休眠，促进萌发与幼苗建壮。

促进植物生长与健康

CP的益处不止于萌发。它能持续刺激植物产生更多的生长调节剂，促进根系发育和地上部生长，从而提升作物生物量与产量。例如，CP处理可显著增加豌豆和扁豆的根瘤数量、干重以及地上部的体积与长度。更重要的是，CP能激活植物的系统性抗性信号通路，增强其抗氧化防御体系。适度CP处理可提高超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性，帮助植物更有效地清除过量的ROS，从而抵御干旱、盐碱等非生物胁迫以及病原菌侵染等生物胁迫，实现“强身健体”的效果。

采收后应用：保障粮食安全与品质的“卫士”

降解农产品与水中的农用化学品残留

农药残留是食品安全的重要威胁。CP技术为降解残留提供了创新方案。在等离子体处理过程中产生的•OH、O₃等高活性物质，能通过氧化作用攻击农药分子（如毒死蜱、克百威、啶虫脒等），破坏其化学键，将其逐步降解为毒性更低的小分子化合物，最终矿化为CO₂和H₂O。研究表明，利用介质阻挡放电处理番茄汁中的芳香族杀菌剂敌菌灵5分钟，降解率可达65%；处理葡萄和草莓表面的毒死蜱与克百威，降解效率分别在69%-86%之间。这种处理通常在常温下进行，能最大程度保留食物原有的感官和营养品质。

仓储谷物害虫的综合防治

仓储害虫每年造成巨大的粮食损失。传统的化学熏蒸剂如磷化氢、溴甲烷等存在健康风险与抗药性问题。CP为仓储害虫管理提供了一种无残留的物理方法。其杀灭机理是多方面的：ROS/RNS能穿透害虫体壁，引起脂质过氧化，破坏蛋白质和DNA结构，导致细胞功能障碍和死亡；同时，等离子体中的紫外光子和带电粒子可直接损伤害虫的外骨骼，使其更易失水并感染病原菌。

如图所示，CP能有效干扰米象、谷蠹、赤拟谷盗等主要仓储害虫的整个生命周期，包括抑制卵的孵化、阻止幼虫化蛹或蛹的羽化，并直接导致成虫死亡。例如，对米象成虫进行DBD处理可实现60%-100%的死亡率，且与虫体内蛋白质含量下降及过氧化氢酶活性升高相关。尤为重要的是，在有效防治害虫的同时，研究表明优化参数的CP处理不会对谷物本身的营养品质和发芽率产生显著负面影响。

展望与挑战

尽管前景广阔，CP技术在农业中的大规模应用仍面临挑战。包括处理参数（如电压、时间、气体成分）需要针对不同作物、品种乃至处理目标进行精细化优化；长时间或高强度处理可能对种子造成氧化损伤或基因毒性；大型化、低成本设备的研发与推广尚需时日；以及与生物农药、生物肥料等其他可持续技术集成应用的策略有待探索。未来研究需深入揭示CP与生物体互作的分子机制，加强其在田间和仓储环境下的中试示范，并通过全生命周期评估来验证其经济性与环境友好性。可以预见，随着这些瓶颈的突破，冷等离子体技术有望成为未来智慧农业与绿色食品供应链中一项不可或缺的变革性工具。