楊曉東，陳魯海，張立娟，陳邦林

(1.上?？萍即髮W(xué)，上海 201210； 2.中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800； 3. 納泡檢測技術(shù)<上海>股份有限公司，上海 200062； 4.中國科學(xué)院上海高等研究院，上海 201204；5. 華東師范大學(xué)，上海 200241)

1 微納氣泡概況

1.1 微納氣泡的定義

微納氣泡是指存在于水/油/固體中的微米或者納米級(jí)別的氣泡。之所以關(guān)注微納氣泡，是因?yàn)楹痛髿馀菹啾?，微納氣泡表現(xiàn)出很多獨(dú)特的性質(zhì)以及具有許多潛在應(yīng)用。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義，按照氣泡的大小，將氣泡簡單分為微小氣泡(直徑>100 μm)和微納氣泡(直徑<100 μm)。微納氣泡(fine-bubble)包括微米尺寸的微米氣泡(micro-bubble)和納米尺寸的納米氣泡(ultrafine-bubble)2種，如圖1所示[1]。實(shí)際上，納米氣泡的尺寸可以更小，但因?yàn)闄z測手段的限制，工業(yè)上應(yīng)用需要一個(gè)固定的標(biāo)準(zhǔn)，所以圖1中定義納米氣泡是數(shù)十nm～1 μm。研究領(lǐng)域認(rèn)為，<1 μm的氣泡就是納米氣泡。在納米氣泡的研究過程中，根據(jù)其吸附狀態(tài)，可以將納米氣泡分為體相納米氣泡和界面納米氣泡。體相納米氣泡即存在于水體相中的納米級(jí)氣泡，其直徑大部分在幾十～幾百nm。界面納米氣泡即在溶液中附著在固體表面的氣泡，其高度一般<100 nm，但橫向尺寸在幾十～數(shù)百nm。

圖1 微氣泡的分類及特點(diǎn)[1]Fig.1 Classification and Characteristics of Micro Bubbles[1]

1.2 微納氣泡的特點(diǎn)

微納氣泡自發(fā)現(xiàn)以來表現(xiàn)出很多奇特的性質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)超高的穩(wěn)定性。根據(jù)Laplace方程，越小的氣泡在水中的存活時(shí)間越短，會(huì)很快消失溶解。例如，按照經(jīng)典理論計(jì)算，納米氣泡應(yīng)該在數(shù)微秒的時(shí)間內(nèi)消失[2]，但是試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)納米氣泡的壽命非常穩(wěn)定，可以存活幾個(gè)h～幾十d[3-4]。納米氣泡體積小，其所受的浮力也很小，浮力造成的運(yùn)動(dòng)相較于布朗運(yùn)動(dòng)，可以忽略不計(jì)[5]。不同于增氧機(jī)產(chǎn)生的垂直上升的毫米級(jí)氣泡，微納氣泡能夠長時(shí)間存在于水體中。

(2)奇特的接觸角。界面納米氣泡的接觸角也不同于宏觀大氣泡，它在氣相一側(cè)的接觸角明顯小于宏觀氣泡的接觸角。根據(jù)著名的楊氏方程，一個(gè)水滴或者氣泡的潤濕角取決于材料表面的親疏水性質(zhì)(主要由化學(xué)性質(zhì)和粗糙度決定)。雖然納米氣泡的潤濕角在親水表面比疏水表面小[6]，與宏觀情況下變化規(guī)律一致，但它們的絕對(duì)值差異巨大[7]。AFM測量的納米氣泡在許多固體表面上的固液界面潤濕角一般為20°～30°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宏觀情況下同樣表面的潤濕角，無法用楊氏方程合理解釋。

(3)比表面積大。微納氣泡的體積很小，相對(duì)比表面積大。當(dāng)微納氣泡保持體積V一定時(shí)，氣泡的比表面積S與氣泡的半徑r成反比。納米氣泡相對(duì)較大的比表面積更有利于與物質(zhì)接觸，對(duì)于浮選、吸附、傳質(zhì)[8]、化學(xué)反應(yīng)等應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢。

(4)界面電位高。納米氣泡表面的zeta電位是負(fù)值[9]，其界面電位代表的是氣泡表面雙電層產(chǎn)生的電勢差，電位值的高低能夠?qū)馀荼砻娴奈叫阅墚a(chǎn)生一定的影響[10-11]。當(dāng)納米氣泡在水中發(fā)生收縮時(shí)，存在于氣泡表面上的電荷離子將會(huì)迅速富集，使得納米氣泡的界面電位迅速升高；納米氣泡破裂之前，在其界面位置會(huì)產(chǎn)生很高的界面電位[12]。

(5)產(chǎn)生自由基。納米氣泡能夠自發(fā)生成自由基[13]。在納米氣泡爆裂過程中，由于瞬間劇烈變化，界面上將釋放出化學(xué)能，從而產(chǎn)生大量的自由基[14]或活性氧(reactive oxygen species，ROS)自由基，但納米氣泡與ROS之間的關(guān)系及其作用機(jī)制尚未得到很好的解釋[8,15]。另外，所產(chǎn)生自由基的數(shù)目在一定程度上也會(huì)受到納米氣泡氣體種類的影響。羥基自由基擁有很強(qiáng)的氧化還原電位，其所表現(xiàn)出來的強(qiáng)氧化作用可以降解水中諸如苯酚等在正常情況下難以被氧化分解的污染物[16-17]，這對(duì)水質(zhì)起到了良好的凈化作用。另外，臭氧微納氣泡能夠更加容易地激發(fā)生成大量的羥基自由基，將納米氣泡技術(shù)與臭氧聯(lián)用[14]，可以在很短的時(shí)間內(nèi)將聚乙烯醇等多種不能被臭氧單獨(dú)氧化分解的有機(jī)物有效地轉(zhuǎn)化成無機(jī)物。

(6)氣液傳質(zhì)效率高。液體中氣體的體積和直徑共同決定了氣液的比表面積，氣液的比表面積又決定了氣體的傳質(zhì)效率。根據(jù)氣液界面的表面張力理論，當(dāng)氣泡的直徑變小時(shí)，其表面張力對(duì)其的影響將會(huì)變得越明顯。納米氣泡相對(duì)于普通氣泡擁有更小的直徑，因此它受到其表面張力的影響更大且促使其收縮，同時(shí)氣泡的內(nèi)部壓力逐漸增大[5]。當(dāng)納米氣泡的收縮達(dá)到某一極限值時(shí)，氣泡內(nèi)部的氣壓將會(huì)趨于無限大，這種自增壓效應(yīng)使納米氣泡溶于水或在水面處破裂消失。通過上述過程，水中的氣體溶解率達(dá)到一種過飽和的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了氣液傳質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生較好的傳質(zhì)效率。

由于這些奇特的性質(zhì)，微納氣泡被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如，納米氣泡能穩(wěn)定存在于水中，且內(nèi)部壓強(qiáng)較大(或密度較高)，可以運(yùn)用于水底增氧。在流體中，納米氣泡可以減少摩擦和阻力，可以運(yùn)用于船舶減阻。相較于毫米氣泡和大氣泡，納米氣泡的比表面積更大，有更大的接觸面積，有利于促進(jìn)傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)。較大的比表面積以及帶電性，使得微納氣泡具有吸附性。納米氣泡周圍能夠產(chǎn)生離子和自由基，會(huì)發(fā)生一些特殊的化學(xué)反應(yīng)；納米氣泡能夠提高動(dòng)植物的生長速度；在生物醫(yī)學(xué)中，能夠用于超聲顯影成像?？傊鼉赡陙?，微納氣泡技術(shù)在水環(huán)境治理、土壤治理、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、超聲顯影、礦物浮選、物質(zhì)提純分離、清洗等諸多領(lǐng)域已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用。

2 微納氣泡在農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用

近些年，微納氣泡的應(yīng)用在世界各國、各個(gè)領(lǐng)域均發(fā)展迅速。在美國，微納氣泡應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖、栽培、灌溉、施肥、城市污水處理、固-液和液-液分離污水處理設(shè)備、牛奶廠廢水、高爾夫球場水塘、啤酒廠污水處理、增氧泥漿細(xì)菌分解池、蝦場、池塘瀉湖、藻類控制、養(yǎng)牛場等[18]。在日本，微納氣泡廣泛應(yīng)用于生活中的各種場景，如魚類運(yùn)輸、魚類保鮮、清潔清洗、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、水環(huán)境治理等[1]。在中國大陸，納米氣泡基礎(chǔ)研究起步較早，中科院上海應(yīng)用物理研究所胡鈞課題組從1997年開始，對(duì)納米氣泡的基本性質(zhì)和穩(wěn)定機(jī)制等進(jìn)行了系統(tǒng)研究[19]。但是，納米氣泡的應(yīng)用卻相對(duì)滯后，直到2014年，上海成功舉辦了關(guān)于納米氣泡的國際會(huì)議，才逐漸引起工業(yè)界的極大關(guān)注。最近幾年，微納氣泡應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，短短幾年，研發(fā)微納氣泡設(shè)備的公司已達(dá)十幾家。同時(shí)，2018年成立了中國顆粒學(xué)會(huì)微納氣泡專業(yè)委員會(huì)；2019年底成立了全國微細(xì)氣泡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，也開始不斷建立和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

納米氣泡的諸多應(yīng)用中，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為引發(fā)關(guān)注。中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的Zhang等[20]將沸石和硅藻土進(jìn)行納米氣泡改性，然后將其撒入水底。改良后的沸石和硅藻土能夠在底泥水界面形成氧氣納米氣泡。形成的氧氣納米氣泡非常穩(wěn)定，能夠有效緩解底部缺氧問題，同時(shí)可控制底泥中磷的釋放。在此基礎(chǔ)上，采用一種新的方法測試了不同材料的氧氣吸附能力以及其對(duì)動(dòng)植物生長的影響。試驗(yàn)表明，氧氣吸附能力對(duì)比為活性炭AC>沸石>生物炭>硅藻土>煤灰>泥土。在缺氧的水中，放入納米氣泡改良的多孔材料，能夠顯著延長斑馬魚的存活時(shí)間。試驗(yàn)中，斑馬魚能夠在缺氧環(huán)境中存活20 h(圖2)。若在納米氣泡改良的活性炭的水中培育螺旋藻，螺旋藻的發(fā)芽率能夠從27%提高至73%[21]。

圖2 氧氣改性材料對(duì)斑馬魚在缺氧水中存活時(shí)間的影響[23]Fig.2 Effects of Oxygen-Modified Materials on Survival Time of Zebrafish in Anoxygenous Water[23]

東京大學(xué)的Liu等[15]也進(jìn)行了類似的研究，將菠菜種子分別泡在蒸餾水、低濃度納米氣泡水、高濃度納米氣泡水中(圖3)，發(fā)現(xiàn)最終菠菜種子的萌發(fā)率分別為54%、65%和69%，說明納米氣泡水有助于菠菜種子的發(fā)芽。如果將發(fā)芽的菠菜幼苗置于納米氣泡水中，其幼芽的長度明顯高于蒸餾水中菠菜種子的發(fā)芽長度(圖4)。但是，納米氣泡水也并非完全有益于植物生長，其所產(chǎn)生的自由基如果超過了植物所能承受的毒性閾值，反而可能對(duì)植物的生長產(chǎn)生副作用。對(duì)于胡蘿卜種子，納米氣泡水產(chǎn)生的羥基自由基的濃度超過其毒性閾值，對(duì)其發(fā)育生長和葉綠素的形成均有負(fù)面影響。

圖3 納米氣泡濃度對(duì)菠菜和胡蘿卜種子發(fā)芽的影響[19](a)菠菜種子；(b)胡蘿卜種子Fig.3 Effect of Nanobubble Number Density on Germination Process of Spinach Seeds and Carrot Seeds[19] (a) Spinach Seeds; (b) Carrot Seeds

圖4 納米氣泡濃度對(duì)胡蘿卜種子和菠菜種子下胚軸伸長和葉綠素含量的影響[19] (a)～(c) 50粒菠菜種子；(d)～(f)50粒胡蘿卜種子中的10粒；(g)3種水中胡蘿卜種子葉綠素含量的吸光度Fig.4 Effect of Nanobubble Number Density on Hypocotyl Elongation and Chlorophyll Content of Carrot Seeds and Spinach Seeds[19] (a)～(c) Fifty Spinach Seeds; (d)～(f) Ten Carrot Seeds in Representative of 50 Seeds; (g) Absorbance of Chlorophyll Content of Carrot Seeds Submerged in Three Kinds of Waters

大阪大學(xué)的Ebina等[22]不僅研究了納米氣泡水對(duì)植物生長的影響，還進(jìn)一步研究了其對(duì)動(dòng)物生長發(fā)育的影響。利用氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的納米氣泡水來培育油菜，經(jīng)過4周的培育，納米氣泡水培育的油菜高度、葉片長度和重量均顯著高于普通水培育的油菜，如圖5所示。

圖5 普通水和納米氣泡水培育4周的油菜的高度、葉片長度和質(zhì)量對(duì)比[24]Fig.5 Height, Blade Length and Weight of Brassica campestris Cultured with Either Normal Water or Nanobubble Water for 4 Weeks[24]

試驗(yàn)人員還研究了納米氣泡水對(duì)魚和小鼠的生長的影響。經(jīng)過同樣時(shí)間的喂養(yǎng)，在普通水中，魚增長了3.4 kg。但是，在納米氣泡水中，魚增長了7.2 kg。小鼠也有相似的情況，用普通水和納米氣泡水喂養(yǎng)的小鼠，經(jīng)過12周，體長分別為16.1 cm和17 cm，重量分別是21.8 g和23.5 g，如圖6所示。

綜上，微納氣泡在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用效果非常明顯，通過在水中產(chǎn)生微納氣泡，攜帶高濃度的氧氣或其他氣體，借助納米氣泡的高穩(wěn)定性，可以有效改變水環(huán)境，促進(jìn)蔬菜的發(fā)芽、生長等。當(dāng)然，相關(guān)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究?？紤]到水稻作為我國的主糧之一，重點(diǎn)介紹微納氣泡在水稻種植中的重要作用。

3 微納氣泡在水稻種植中的重要作用

我國是一個(gè)擁有14億人口的大國，糧食是關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國家安全的全局性重大戰(zhàn)略問題。尤其是，2020年的疫情在全球的影響不可忽視，全球糧食短缺將是今后各國面臨的重要問題。我國人口基數(shù)大，人均耕地面積僅1 000 m2[23]，如何在有限的耕地面積上種出產(chǎn)量更高、品質(zhì)更好的糧食；如何開拓更多的耕地面積，將考驗(yàn)我國科技人員的智慧和能力。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，糧食品種改良、水資源短缺、環(huán)境污染、氣候生態(tài)等因素將會(huì)越發(fā)地制約糧食產(chǎn)量和質(zhì)量。在這些問題中，土壤污染問題由于以往的關(guān)注不夠，如今越發(fā)處于突出位置。農(nóng)藥、有機(jī)物、氮肥、磷肥等大量存在于土壤之中，土壤遭受污染，品質(zhì)下降[24-25]，嚴(yán)重制約糧食的產(chǎn)量和質(zhì)量，威脅著國家的主糧安全。

圖6 小鼠攝食、體重和體長的變化[24]Fig.6 Sequential Changes of Food Intake, Body Weight, and Body Length of Mice[24]

中國是世界水稻播種面積第二、稻谷產(chǎn)量第一的國家，水稻作為主糧之一，其單產(chǎn)領(lǐng)先于其他國家。國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014 年中國水稻播種面積為3.031×105km2、總產(chǎn)量為 20 651×104t，分別占世界總播種面積和總產(chǎn)量的18.6%和27.9%。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖和水稻種植，每年種養(yǎng)殖尾水會(huì)排入河道。我國十幾億人口的生活污水盡管數(shù)量可觀，但基本均經(jīng)過處理才進(jìn)入自然水體。但是，以億t計(jì)的水產(chǎn)品排泄物、殘余飼料、各種藥劑及抗生素、化肥中60%以上未被利用的部分、農(nóng)藥殘留等，大都隨著未經(jīng)處理的種養(yǎng)殖尾水直接排入自然水體，成為日益嚴(yán)重的污染源。近10年來，作者所在團(tuán)隊(duì)利用微納氣泡技術(shù)在土壤改良、水環(huán)境改善和水稻品種改良等方面取得了較大進(jìn)展，下面舉例說明。

3.1 土壤改良

自然水體和底泥中存在諸多微生物菌群，其中一些有益的微生物菌群能夠促進(jìn)生態(tài)發(fā)展。一些水體河道治理后易復(fù)發(fā)，就是因?yàn)槠渲杏幸娴奈⑸锞菏艿狡茐?。本文作者所在團(tuán)隊(duì)利用微納氣泡技術(shù)，培育出微生物活菌制劑，其在水環(huán)境和土壤中極易繁殖，能夠較快而穩(wěn)定地占據(jù)水環(huán)境和土壤中的生態(tài)地位，形成有益的微生物菌的優(yōu)勢群落，從而控制病原微生物的繁殖和對(duì)作物的侵襲，這些由定向馴化和改良形成的系列微生物菌群源于大自然，經(jīng)定向馴化后再回到大自然。將微生物菌群與微納氣泡、有機(jī)肥相互結(jié)合使用，能夠有效地改善水質(zhì)和土壤。根據(jù)土壤、水環(huán)境污染成分和成因分析，針對(duì)性地定制行之有效的有益微生物菌群，因此也稱為“定制微生物”。這些研究將有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

除水稻的土壤改良外，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步嘗試?yán)梦⒓{氣泡界面技術(shù)，在鹽堿地種植水稻。2018年初，在江蘇鹽城選取10畝(1畝=0.666 7×10-3km2)鹽堿地進(jìn)行試驗(yàn)，不但種植出水稻，而且鹽堿地土壤的質(zhì)量得到了改善和提高。土壤改良的重要指標(biāo)土壤電動(dòng)電位從13 MV提高到18 MV，土壤穩(wěn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)間從26 min提高到90 min以上。利用微納氣泡技術(shù)還可將非耕地改造為耕地，以及土地復(fù)耕。新增的耕地指標(biāo)可用于置換建設(shè)用地或直接出售。這些技術(shù)不僅能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還能為國家堅(jiān)守18億畝耕地紅線，對(duì)確保主糧安全具有重大意義。

3.2 水環(huán)境改善

我國人口眾多，每年產(chǎn)生的生活污水、工業(yè)污水?dāng)?shù)量巨大，均經(jīng)過處理再排入自然水體。與之相比，我國的水產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)規(guī)模也位于世界前列，每年產(chǎn)生大量的種植和養(yǎng)殖尾水。但是，這部分尾水均未經(jīng)處理，直接排放進(jìn)入自然水體。種植養(yǎng)殖尾水中含有大量的抗生素、化肥、藥劑、飼料、排泄物等，這部分尾水已經(jīng)成了嚴(yán)重的污染源。

農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖尾水處理要求在種養(yǎng)殖過程中處理，既不影響魚蝦、水稻等的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，又能提升品質(zhì)和產(chǎn)量。在此前提下，還需提升種養(yǎng)殖尾水到地表III類水以上，處理難度較高。利用微納氣泡“三聯(lián)動(dòng)”技術(shù)，對(duì)種植養(yǎng)殖尾水進(jìn)行處理，取得了顯著效果。魚塘尾水經(jīng)過1個(gè)月的處理，達(dá)到地表III類水排放標(biāo)準(zhǔn)和養(yǎng)殖尾水排放標(biāo)準(zhǔn)。養(yǎng)殖業(yè)中常用的氯霉素、孔雀石綠、呋喃唑酮代謝物等6種抗生素，常存在于魚的體內(nèi)，但魚塘水經(jīng)過微納氣泡技術(shù)處理1個(gè)月后，6種抗生素均未在魚體內(nèi)檢出。如圖7所示，利用微納氣泡發(fā)生裝置對(duì)湖北省咸寧市金隆農(nóng)業(yè)科技公司所屬的四大家魚、黃骨魚、小龍蝦等養(yǎng)殖塘進(jìn)行處理，看似干凈的魚塘，最終水面會(huì)浮起厚厚的油膜。由此可見，利用微納氣泡技術(shù)，可有效改善養(yǎng)殖水的質(zhì)量，其機(jī)理可能是微納氣泡進(jìn)入魚蝦體內(nèi)后加速其新陳代謝，加速水產(chǎn)品體內(nèi)的農(nóng)殘、抗生素排出。水稻種植尾水經(jīng)過微納氣泡水處理后，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的III類水標(biāo)準(zhǔn)；水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水達(dá)到《淡水池塘養(yǎng)殖水排放標(biāo)準(zhǔn)》(SC/T 9101—2007)。

圖7 微納氣泡發(fā)生器處理后的魚塘Fig.7 Fish Ponds Treated with Micro-Nano Bubble Generator

另外，近年來我國大力推行秸稈還田，經(jīng)濟(jì)效益提升的同時(shí)也帶來了一些弊端。秸稈連續(xù)還田，數(shù)量巨大，來不及腐爛，且腐爛過程中大量耗氧，有可能造成水稻根部缺氧，對(duì)稻苗的生長造成不利影響[26]。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用微納氣泡技術(shù)于農(nóng)作物生長和土壤修復(fù)，完美解決了秸稈還田的弊病。

3.3 促進(jìn)水稻固氮、增產(chǎn)和增質(zhì)

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，氮肥的使用能夠促進(jìn)水稻顯著增產(chǎn)。但是，氮肥的過多使用不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還帶來了土壤酸化、水體富營養(yǎng)化等問題。因此，怎樣提高水稻氮高效利用具有重大理論意義和經(jīng)濟(jì)效益。

團(tuán)隊(duì)利用微納氣泡“三聯(lián)動(dòng)”技術(shù)種植水稻，其抗倒伏效果明顯提升。同時(shí)，在近10年的試點(diǎn)至大田推廣中，化肥使用逐漸減少直至完全使用有機(jī)肥，水稻產(chǎn)量較對(duì)照田均獲得了提升。如表1～表3所示，水稻的質(zhì)量有了明顯的提升，其中氨基酸的總量從5.95%上升至10.3%。同時(shí)，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也有了明顯的改善。另外發(fā)現(xiàn)，利用微納氣泡技術(shù)培育的水稻的品質(zhì)也有了顯著的改善。水稻品質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)：主莖數(shù)、單株分藥數(shù)、分藥成穗率、每穗實(shí)粒數(shù)和干粒重均明顯增加。水稻根系更發(fā)達(dá)，白根多，抗病蟲、抗災(zāi)害、抗倒伏也更加明顯(莖稈直徑增加38.8%、莖稈壁厚增加42.2%)，水稻的出谷率明顯提高。但是，其機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

表1 微納氣泡試驗(yàn)田和普通種植水稻質(zhì)檢報(bào)告(營養(yǎng))Tab.1 Quality Inspection Report of Rice in Micro-Nano Bubble Test Field and Common Field(Nutrition)

表2 微納氣泡試驗(yàn)田和普通種植水稻質(zhì)檢報(bào)告(氨基酸)Tab.2 Quality Inspection Report of Rice in Micro-Nano Bubble Test Field and Common Field(Amino Acid)

表3 微納氣泡試驗(yàn)田和普通種植水稻質(zhì)檢報(bào)告(重金屬)Tab.3 Quality Inspection Report of Rice in Micro-Nano Bubble Test Field and Common Field(Heavy Metal)

3.4 利用微納氣泡實(shí)現(xiàn)生態(tài)混養(yǎng)

團(tuán)隊(duì)在微納氣泡生態(tài)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域展開了諸多實(shí)踐。利用回字形微納氣泡擴(kuò)散水系，將水稻和雞鴨鵝、鱔蝦蟹混養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)混養(yǎng)模式。微納氣泡能夠促進(jìn)動(dòng)植物代謝，促進(jìn)生長，同時(shí)能夠去除農(nóng)殘和抗生素，如圖8所示。

圖8 回字形稻田生態(tài)混養(yǎng)和實(shí)際照片F(xiàn)ig.8 Ecological Rice Field and Actual Photo

不同于前文中所述大阪大學(xué)研究人員在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的魚類養(yǎng)殖，團(tuán)隊(duì)將水產(chǎn)養(yǎng)殖和水稻種植結(jié)合，進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)。通過微納氣泡“三聯(lián)動(dòng)”技術(shù)帶來的物理、化學(xué)、生物綜合作用，顯著改善了水質(zhì)，提高了魚苗和蟹苗的存活率，增加了它們的產(chǎn)量。如表4所示，螃蟹的總產(chǎn)量和個(gè)體重量均顯著增加，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。尾水處理之后，能夠循環(huán)利用，降低了成本。

表4 普通水和微納氣泡水養(yǎng)殖的螃蟹產(chǎn)量對(duì)比Tab.4 Crab Yield in Normal Water and Micro-Nano Bubble Water

4 總結(jié)和展望

本綜述重點(diǎn)介紹了微納氣泡及其在農(nóng)業(yè)中，特別是水稻種植中的重要應(yīng)用。微納氣泡技術(shù)與新興技術(shù)手段的結(jié)合，將打造規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、集成化、智能化的對(duì)環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和工業(yè)，從根本上改善我們的生態(tài)環(huán)境，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。當(dāng)然，微納氣泡技術(shù)的應(yīng)用不限于農(nóng)業(yè)，它同時(shí)在污水處理、礦物浮選、清洗和養(yǎng)生健康等重要領(lǐng)域也表現(xiàn)出色。相信未來隨著微納米氣泡的研究和應(yīng)用的不斷推廣和深入，微納氣泡將深入日常生活，從水龍頭到馬桶，包括日常清潔，不斷提升生活質(zhì)量。另外，微納氣泡的應(yīng)用，將使水更清，天更藍(lán)！