微生物及富氫水在農業領域中的協同作用

中圖分類號：S188 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2025）07-0111-05

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2025.07.019

Advances in the Application of Microorganisms and Hydrogen-Rich Water in the Agricultural Sector

LIU Xin'ai’，LI Shuwei2， YANG Yueping'，LI Kang'，LIU Wenrong'，LIU Qing'，SONG Yuandal*

（1.ColinRatledgeCenterfor MicrobialLipids，SchoolofAgricultural Engineering andFoodScience，Shandong

Universityof Technology，Zibo 2550oo，China;2.Shandong Fufa Hydrogen Energy Technology Development Co.， Ltd.， Weifang 261000， China）

Abstract：Hydrogen（H2），asan important signalingmolecule，plays a crucial role inplant physiological regulationand signal transduction，modulating plant growth，development，and stress resistance.Theapplication of hydrogen-rich water （HRW） can provide plant roots with an ample supply of hydrogen. Microorganisms are vital in agricultural fields，including microbial fertilizerproduction，biological control，soil improvement， enhancement of plant stress resistance，and eco-friendly development.Moreover，HRW exertsa positive regulatory efect on the growth and reproduction of microorganisms.The synergistic interaction between HRW and microorganisms playsa significant rolein advancing agricultural practices.This article systematically reviewed the applications of microorganismsand HRW inagriculture，exploring the synergistic effects of the two and their potential applications in agriculture，with the aim of reducing chemical inputs and promoting green agricultural technology innovation.

Keywords：Hydrogen-rich water; microorganism; agriculture; crops; soil

隨著有機合成技術的發展，人類合成了化肥、農藥等有機物，化肥對農業的生產和發展起到極其關鍵的作用，但施用化肥、農藥所導致的一系列殘留問題，嚴重影響人們的身體健康。微生物對土壤、作物生長及農產品質量有深遠影響。在土壤層面，微生物能夠優化土壤結構，提升土壤肥力；用于作物時，微生物不僅能推動作物的生長進程，實現增產，還可以顯著改善農產品的品質，助力農業的高質量發展。因此，在農業領域用微生物菌肥、菌劑替代化肥、農藥可以更好地解決農藥污染問題。

ΔH₂ 是一種無色無味、化學性質穩定、極易燃燒、密度最小且難溶于水的氣體，可以清除體內過量的氧自由基，具有較高的抗氧化和還原能力。氫氣有助于改善土壤中有益微生物的數量和群落結構，促進微生物的生長和活動，進一步改善土壤的通透性、保水性和肥力，進而改善因農藥、化肥濫用引起的諸多問題。富氫水（hydrogen-richwater，HRW）是一種富含氫氣的水，最早對HRW的研究集中在醫療領域，目前在食品、農業領域也有一定的研究。實驗表明，適宜濃度的HRW能顯著提高植物種子的發芽率3，促進植物的生長發育、提高植物的抗逆性，除此之外，HRW處理后的果實保鮮期明顯延長。HRW還可以促進土壤中有益微生物的增殖，這些微生物能與植物根系建立共生關系，提供植物生長所需的養分和激素，提高植物抗病性和抗逆性5。微生物在土壤中的生命活動可以分解有機物質，釋放養分，增強肥力，從而提高農作物的產量。HRW與微生物協同作用可以通過調控微生物的活性與功能，實現在農業領域中的產量提高、土壤改善、環境保護等目標，具有廣闊的跨學科應用潛力。然而HRW與微生物的協同應用在農業領域尚處于初步研究階段，需進一步探索其最佳使用方法和效果評估方法。鑒于此，本文對微生物與HRW本身以及兩者協同作用在農業領域的理論優勢、現實應用進行探究，為推動綠色農業技術創新、減少化學投入品的使用提供理論依據與實踐路徑。

1微生物在農業領域的應用

1.1 提供養分

微生物肥料能夠憑借特定有益微生物的生命活動，為作物營造良好的營養吸收環境，進而讓作物獲得肥效，實現增產與土壤環境改良，也是目前最具綠色發展潛力的肥料之一。施用生物有機肥還能有效促進土壤中有益微生物向作物根際的遷移和富集。目前，固氮菌、解磷細菌、解鉀細菌和有機肥復合制成的生物菌肥已在農業生產中廣泛應用。張明敏研究發現，在紫花苜蓿上施用生物有機肥能夠增強土壤團粒聚合性，有利于植株根部的生長和延伸。同時，生物有機肥明顯縮短了紫花苜蓿的生育周期，且明顯抑制植株對重金屬砷（As）和鎘（Cd）的吸收。增施微生物菌肥促進了馬鈴薯葉綠素含量和谷氨酰胺合成酶活性的提高，從而改善了馬鈴薯品質。

1.2 防治病蟲害

利用微生物防治農作物病蟲害已成為一種重要的綠色環保的農業生產防治方式，具有防治效果好、生態破壞小等優勢。放線菌對線蟲起到抑制或殺滅的作用，還能調節植物根部微生物區系，營造不利于根結線蟲生存的微生態環境，并誘導植物啟動免疫防御機制，增強植物對根結線蟲的抵抗能力[o。此外，一些微生物制劑能夠有效防控農作物真菌病、細菌性病害以及各類害蟲。將白僵菌制劑均勻噴灑于田間，借助其感染特性，針對特定害蟲種群展開生物防治。哈茨木霉菌對多種蔬菜病害具有良好的防治效果。在番茄種植過程中，哈茨木霉菌可有效抑制白粉病和灰霉病的發生；在瓜類作物栽培時，哈茨木霉菌能顯著降低西瓜[I3和黃瓜[4枯萎病的發病率。使用微生物菌劑防治病害的過程，一般應用綠僵菌、白僵菌、微孢子蟲、蘇云金桿菌 （Bt） 、蠟質芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和核型多角體病毒（NPV）進行防治，達到以菌治蟲的防治效果。

1.3改良土壤

向次生鹽漬化土壤中施加微生物菌肥與土壤調理劑，一方面降低土壤容重，削減表層土壤中 Ca²⁺，Na⁺，K⁺， HCO₃^-?Cl 等水溶性鹽離子的含量；同時，促使 Ca²⁺ 和 Na⁺ 向土壤深層遷移，改善鹽分在土壤剖面的分布。另一方面，改變土壤微生物群落結構，提高放線菌群等有益微生物的占比，營造更加穩定、健康的土壤生態環境[15]。此外，微生物菌肥能夠增加土壤中堿解氮、有效磷，以及銨態氮、硝態氮和全氮等養分的含量。這一過程中，微生物菌肥通過改善根系周圍的土壤環境，提高土壤中酸性磷酸酶和過氧化氫酶的活性，而酶活性的提升又加速了土壤中養分的轉化，進而提高土壤養分的有效含量，優化土壤供肥能力。

1.4 提高抗逆性

根際微生物通過誘導植物抗性可以幫助植物抵御各種病害[。一些微生物制劑可以通過誘導植物產生抗逆性相關蛋白質和抗氧化物質來增強植物的抗逆性，使其能夠更好地適應環境的變化，如干旱、鹽堿、重金屬污染等。例如，部分菌肥含有特定菌種，這些菌種可誘導作物合成超氧化物歧化酶。當作物遭受病害、蟲害、干旱或面臨衰老等逆境脅迫時，超氧化物歧化酶能夠及時清除因逆境產生的自由基，增強作物的抗逆能力[8。具有抗病特性的番茄植株會在根際土壤募集有益細菌，這些細菌的聚集改變了根際微生物組的結構，有效幫助番茄抵御枯萎病侵害[]。

1.5維護生態平衡

微生物在土壤生態系統中扮演著重要角色，主要參與土壤有機質分解、養分轉化和循環等過程，可以提高土壤中的有機碳、氮、鉀等的含量，同時也會增強土壤的保水能力，為生態系統的穩定和功能提供支持。固碳微生物的利用可以恢復東北地區黑土養分和提升作物產量，進而防止東北黑土地的退化20。例如，菌根真菌不僅可以促進地上植被對大氣 CO₂ 的固定，還可將大量植物源碳轉運并穩定在土壤系統中，在陸地生態系統碳循環中發揮著“承上啟下\"的重要作用。

2富氫水在農業領域的應用

2.1 用作氫肥

氫肥可以促進植物生長，提高抗逆性，同時還可以促進土壤根系微生物有益菌的生長，改善土壤根系微生物群落結構、土壤肥力和土壤結構。HRW中的氫氣可以作為“氫肥”來減緩土壤中有機質的降解速度，提高根際CO₂ 的固定量。大量試驗表明， H₂ 可能與 CO₂ 參與調節植物生長的信號系統有密切關系2，并且能通過提高抗氧化相關酶的活性，維持活性氧（ROS）的體內穩態，以及參與調控離子轉運，從而提高植物抗逆性2。氫肥不僅可以應用于農作物的種植，還能應用于果蔬保鮮以及畜牧業、水產業。氫肥添加到其他肥料、農藥或植物生長調節劑中，可以促進肥料的吸收，增強肥料和農藥的效果，進而減少化肥和農藥的使用。

2.2提高作物的抗氧化與抗逆性

當植物處于干旱鹽脅迫等非生物脅迫下，植物體中H₂ 的含量增加，這表明 ΔH₂ 在脅迫信號傳導中起重要作用。當植物處于非生物脅迫條件下，除自身 H₂ 增加外，還可以外源施加富含 H₂ 的HRW。研究發現，鹽脅迫環境下，施加 75% HRW能夠顯著促進番茄幼苗根系生長，增加其根長、鮮質量和干質量23]。不僅如此，HRW在幫助植物抵御干旱脅迫方面同樣效果顯著。對擬南芥進行外源氫水處理后， H₂ 通過誘導ROS生成，進一步促進一氧化氮（NO）的合成。在此過程中， H₂ 促使K+經GORK通道從細胞質轉運至細胞外，從而減小氣孔開度，使氣孔趨向閉合24，降低了植物蒸騰作用的水分散失量，有效提升了植物的抗旱能力。另一方面，在植物中， H₂ 可以通過控制由RbohD編碼的基于質膜的NADPH氧化酶來降低根系從土壤中吸收鎘 （Cd） ，NADPH氧化酶在IRT1的上游起作用，并在轉錄和功能水平上調節根系Cd攝取25，進而減少重金屬對植物的傷害以及在植株體內的富集。HRW可顯著增加黃瓜幼苗葉片中可溶性糖和可溶性蛋白的含量，從而提升黃瓜幼苗在面對各類逆境時的抵抗能力，維持其正常生長態勢[24。

2.3 促進植物生長發育

HRW中的氫氣分子可以促進植物細胞的能量代謝，加速光合作用，提高光合產物的合成速率，從而促進植物的生長和發育。研究表明，HRW能夠增加黃瓜的葉面積、根系長度和生物量，并且可以提高黃瓜的產量2。HRW灌溉的菜心、番茄、黃瓜、冬瓜的種子的發芽率以及幼苗生物量均有較大幅度的提高2。劉豐嬌28研究發現，在低溫環境脅迫下 100% HRW處理的黃瓜幼苗，在日增株高、日增干物質量以及根系生長量等多項生長指標上，均顯著優于對照組。育苗前用 100% HRW浸泡種子，冬季寒流來臨之前葉面噴施 100% HRW，產量比對照組增加 10.6% 。這表明，HRW能夠有效緩解低溫對黃瓜幼苗生長的抑制作用，保障黃瓜幼苗在低溫環境下維持較好的生長速率與生長狀態。

2.4 提高農產品品質

HRW的應用還可以改善農產品的品質。研究表明，HRW處理的農作物往往更加新鮮、甜脆，具有更高的營養價值，這不僅提升了農產品的市場競爭力，也為消費者提供了更加健康和美味的食品。研究表明，HRW處理增加草莓葉綠素的合成，提高光合作用，進而提高光合作用產物可溶性糖、葡萄糖等的含量2。HRW處理發芽黑大麥可改變種子中營養物質的分布，如增加鈣、鐵、草酸、香豆酸、芥子酸、共軛芥子酸的濃度，減少蛋白質、脂肪、淀粉和膳食纖維含量等[30。HRW處理的種子在根和芽中表現出更高的 Z_n 和Fe濃度，以及抗氧化酶活性（CAT、SOD、APX3。氫氣影響酰基輔酶A合成酶（ACS）和酰基輔酶A氧化酶（ACO）的活性以及降低乙酰輔酶A羧化酶（ACC）的酶活性，且可以抑制乙烯的產生，延緩獼猴桃的成熟31]。

3微生物與富氫水在農業領域的協同應用

微生物與HRW在農業領域協同應用是一個創新且具有發展潛力的研究領域，這種結合不僅充分利用了HRW的抗氧化和提高植物抗逆性的特點，還借助于HRW作為 H₂ 載體，通過 H₂ 支持有益菌生長，抑制病原微生物，改善微生物群落結構等方式，間接影響農業生產。HRW與微生物在農業領域的協同應用為農業技術創新提供了新的思路和方向。

3.1微生物對富氫水的強化效應

產氫菌（Clostridium、Enterobacter）可通過發酵產生氫氣，而耗氫菌（如甲烷菌、硫酸鹽還原菌）能利用氫氣作為電子供體殘余能量代謝以及物質轉化，這種協同作用可維持富氫環境中氫的動態平衡。功能微生物（如枯草芽孢桿菌、放線菌）代謝產生的有機酸（如乳酸、氨基酸）和多糖類物質，可與氫分子形成穩定的包裹結構，延長富氫水在土壤和作物體內的保留時間。例如解磷菌分泌的檸檬酸能將氫分子的半衰期從普通水的 ^2h 延長至 4.5h ，使氫分子更充分地參與植物代謝[33]。

3.2 富氫水對微生物的保護作用

氫氣處理使土壤中的氫氧化細菌菌群增加，從而對根際其他微生物的生長繁殖產生影響，通過對土壤樣品進行比較，發現氫氣處理過的樣品的物種數都高于未處理組，且處理組物種分布更為均勻34。同時，提高土壤微生物的活性以及維持種群平衡，可以保障土壤有機物的分解轉化等碳、氮循環過程的有序進行，為植物的生長提供充足的碳源、氮源等，進而增強植物對逆境的抵抗力，同時提高作物的產量和品質。有研究發現，經過 H₂ 富集處理的土壤中，氫氧化細菌（HOB）發生明顯聚集且活性顯著提高，高效HOB菌株能使小麥根生長速度增加111%～397%^135] ，并且HOB能促進春小麥類作物的分，這主要是因為部分HOB菌株可以產生細胞分裂素（CTKs）或異戊烯基轉移酶使CTKs增加[。

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