中圖分類號(hào)：S188 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)合成技術(shù)的發(fā)展，人類合成了化肥、農(nóng)藥等有機(jī)物，化肥對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展起到極其關(guān)鍵的作用，但施用化肥、農(nóng)藥所導(dǎo)致的一系列殘留問(wèn)題，嚴(yán)重影響人們的身體健康。微生物對(duì)土壤、作物生長(zhǎng)及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有深遠(yuǎn)影響。在土壤層面，微生物能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力；用于作物時(shí)，微生物不僅能推動(dòng)作物的生長(zhǎng)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，還可以顯著改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，助力農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。因此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域用微生物菌肥、菌劑替代化肥、農(nóng)藥可以更好地解決農(nóng)藥污染問(wèn)題。

ΔH₂ 是一種無(wú)色無(wú)味、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、極易燃燒、密度最小且難溶于水的氣體，可以清除體內(nèi)過(guò)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(shù)量和群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，進(jìn)一步改善土壤的通透性、保水性和肥力，進(jìn)而改善因農(nóng)藥、化肥濫用引起的諸多問(wèn)題。富氫水（hydrogen-richwater，HRW）是一種富含氫氣的水，最早對(duì)HRW的研究集中在醫(yī)療領(lǐng)域，目前在食品、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有一定的研究。實(shí)驗(yàn)表明，適宜濃度的HRW能顯著提高植物種子的發(fā)芽率3，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、提高植物的抗逆性，除此之外，HRW處理后的果實(shí)保鮮期明顯延長(zhǎng)。HRW還可以促進(jìn)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(guān)系，提供植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)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(dòng)可以分解有機(jī)物質(zhì)，釋放養(yǎng)分，增強(qiáng)肥力，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。HRW與微生物協(xié)同作用可以通過(guò)調(diào)控微生物的活性與功能，實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的產(chǎn)量提高、土壤改善、環(huán)境保護(hù)等目標(biāo)，具有廣闊的跨學(xué)科應(yīng)用潛力。然而HRW與微生物的協(xié)同應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域尚處于初步研究階段，需進(jìn)一步探索其最佳使用方法和效果評(píng)估方法。鑒于此，本文對(duì)微生物與HRW本身以及兩者協(xié)同作用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的理論優(yōu)勢(shì)、現(xiàn)實(shí)應(yīng)用進(jìn)行探究，為推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、減少化學(xué)投入品的使用提供理論依據(jù)與實(shí)踐路徑。

1微生物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 提供養(yǎng)分

微生物肥料能夠憑借特定有益微生物的生命活動(dòng)，為作物營(yíng)造良好的營(yíng)養(yǎng)吸收環(huán)境，進(jìn)而讓作物獲得肥效，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)與土壤環(huán)境改良，也是目前最具綠色發(fā)展?jié)摿Φ姆柿现?。施用生物有機(jī)肥還能有效促進(jìn)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(xì)菌、解鉀細(xì)菌和有機(jī)肥復(fù)合制成的生物菌肥已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。張明敏研究發(fā)現(xiàn)，在紫花苜蓿上施用生物有機(jī)肥能夠增強(qiáng)土壤團(tuán)粒聚合性，有利于植株根部的生長(zhǎng)和延伸。同時(shí)，生物有機(jī)肥明顯縮短了紫花苜蓿的生育周期，且明顯抑制植株對(duì)重金屬砷（As）和鎘（Cd）的吸收。增施微生物菌肥促進(jìn)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(zhì)。

1.2 防治病蟲害

利用微生物防治農(nóng)作物病蟲害已成為一種重要的綠色環(huán)保的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防治方式，具有防治效果好、生態(tài)破壞小等優(yōu)勢(shì)。放線菌對(duì)線蟲起到抑制或殺滅的作用，還能調(diào)節(jié)植物根部微生物區(qū)系，營(yíng)造不利于根結(jié)線蟲生存的微生態(tài)環(huán)境，并誘導(dǎo)植物啟動(dòng)免疫防御機(jī)制，增強(qiáng)植物對(duì)根結(jié)線蟲的抵抗能力[o。此外，一些微生物制劑能夠有效防控農(nóng)作物真菌病、細(xì)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(duì)特定害蟲種群展開(kāi)生物防治。哈茨木霉菌對(duì)多種蔬菜病害具有良好的防治效果。在番茄種植過(guò)程中，哈茨木霉菌可有效抑制白粉病和灰霉病的發(fā)生；在瓜類作物栽培時(shí)，哈茨木霉菌能顯著降低西瓜[I3和黃瓜[4枯萎病的發(fā)病率。使用微生物菌劑防治病害的過(guò)程，一般應(yīng)用綠僵菌、白僵菌、微孢子蟲、蘇云金桿菌 （Bt） 、蠟質(zhì)芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌和核型多角體病毒（NPV）進(jìn)行防治，達(dá)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(diào)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(shí)，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(jié)構(gòu)，提高放線菌群等有益微生物的占比，營(yíng)造更加穩(wěn)定、健康的土壤生態(tài)環(huán)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(tài)氮、硝態(tài)氮和全氮等養(yǎng)分的含量。這一過(guò)程中，微生物菌肥通過(guò)改善根系周圍的土壤環(huán)境，提高土壤中酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的活性，而酶活性的提升又加速了土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分的有效含量，優(yōu)化土壤供肥能力。

1.4 提高抗逆性

根際微生物通過(guò)誘導(dǎo)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(guò)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗逆性相關(guān)蛋白質(zhì)和抗氧化物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)植物的抗逆性，使其能夠更好地適應(yīng)環(huán)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(dǎo)作物合成超氧化物歧化酶。當(dāng)作物遭受病害、蟲害、干旱或面臨衰老等逆境脅迫時(shí)，超氧化物歧化酶能夠及時(shí)清除因逆境產(chǎn)生的自由基，增強(qiáng)作物的抗逆能力[8。具有抗病特性的番茄植株會(huì)在根際土壤募集有益細(xì)菌，這些細(xì)菌的聚集改變了根際微生物組的結(jié)構(gòu)，有效幫助番茄抵御枯萎病侵害[]。

1.5維護(hù)生態(tài)平衡

微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，主要參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過(guò)程，可以提高土壤中的有機(jī)碳、氮、鉀等的含量，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)土壤的保水能力，為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和功能提供支持。固碳微生物的利用可以恢復(fù)東北地區(qū)黑土養(yǎng)分和提升作物產(chǎn)量，進(jìn)而防止東北黑土地的退化20。例如，菌根真菌不僅可以促進(jìn)地上植被對(duì)大氣 CO₂ 的固定，還可將大量植物源碳轉(zhuǎn)運(yùn)并穩(wěn)定在土壤系統(tǒng)中，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中發(fā)揮著“承上啟下\"的重要作用。

2富氫水在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 用作氫肥

氫肥可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高抗逆性，同時(shí)還可以促進(jìn)土壤根系微生物有益菌的生長(zhǎng)，改善土壤根系微生物群落結(jié)構(gòu)、土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)。HRW中的氫氣可以作為“氫肥”來(lái)減緩?fù)寥乐杏袡C(jī)質(zhì)的降解速度，提高根際CO₂ 的固定量。大量試驗(yàn)表明， H₂ 可能與 CO₂ 參與調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的信號(hào)系統(tǒng)有密切關(guān)系2，并且能通過(guò)提高抗氧化相關(guān)酶的活性，維持活性氧（ROS）的體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，以及參與調(diào)控離子轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高植物抗逆性2。氫肥不僅可以應(yīng)用于農(nóng)作物的種植，還能應(yīng)用于果蔬保鮮以及畜牧業(yè)、水產(chǎn)業(yè)。氫肥添加到其他肥料、農(nóng)藥或植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑中，可以促進(jìn)肥料的吸收，增強(qiáng)肥料和農(nóng)藥的效果，進(jìn)而減少化肥和農(nóng)藥的使用。

2.2提高作物的抗氧化與抗逆性

當(dāng)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(hào)傳導(dǎo)中起重要作用。當(dāng)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(fā)現(xiàn)，鹽脅迫環(huán)境下，施加 75% HRW能夠顯著促進(jìn)番茄幼苗根系生長(zhǎng)，增加其根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量和干質(zhì)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(duì)擬南芥進(jìn)行外源氫水處理后， H₂ 通過(guò)誘導(dǎo)ROS生成，進(jìn)一步促進(jìn)一氧化氮（NO）的合成。在此過(guò)程中， H₂ 促使K+經(jīng)GORK通道從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞外，從而減小氣孔開(kāi)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(guò)控制由RbohD編碼的基于質(zhì)膜的NADPH氧化酶來(lái)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(zhuǎn)錄和功能水平上調(diào)節(jié)根系Cd攝取25，進(jìn)而減少重金屬對(duì)植物的傷害以及在植株體內(nèi)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(duì)各類逆境時(shí)的抵抗能力，維持其正常生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[24。

2.3 促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育

HRW中的氫氣分子可以促進(jìn)植物細(xì)胞的能量代謝，加速光合作用，提高光合產(chǎn)物的合成速率，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。研究表明，HRW能夠增加黃瓜的葉面積、根系長(zhǎng)度和生物量，并且可以提高黃瓜的產(chǎn)量2。HRW灌溉的菜心、番茄、黃瓜、冬瓜的種子的發(fā)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(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境脅迫下 100% HRW處理的黃瓜幼苗，在日增株高、日增干物質(zhì)量以及根系生長(zhǎng)量等多項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)上，均顯著優(yōu)于對(duì)照組。育苗前用 100% HRW浸泡種子，冬季寒流來(lái)臨之前葉面噴施 100% HRW，產(chǎn)量比對(duì)照組增加 10.6% 。這表明，HRW能夠有效緩解低溫對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，保障黃瓜幼苗在低溫環(huán)境下維持較好的生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)狀態(tài)。

2.4 提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)

HRW的應(yīng)用還可以改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。研究表明，HRW處理的農(nóng)作物往往更加新鮮、甜脆，具有更高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，這不僅提升了農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也為消費(fèi)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(jìn)而提高光合作用產(chǎn)物可溶性糖、葡萄糖等的含量2。HRW處理發(fā)芽黑大麥可改變種子中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)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(zhì)、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(xiàn)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?；o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(chǎn)生，延緩獼猴桃的成熟31]。

3微生物與富氫水在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用

微生物與HRW在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域協(xié)同應(yīng)用是一個(gè)創(chuàng)新且具有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域，這種結(jié)合不僅充分利用了HRW的抗氧化和提高植物抗逆性的特點(diǎn)，還借助于HRW作為 H₂ 載體，通過(guò) H₂ 支持有益菌生長(zhǎng)，抑制病原微生物，改善微生物群落結(jié)構(gòu)等方式，間接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。HRW與微生物在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用為農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新提供了新的思路和方向。

3.1微生物對(duì)富氫水的強(qiáng)化效應(yīng)

產(chǎn)氫菌（Clostridium、Enterobacter）可通過(guò)發(fā)酵產(chǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)化，這種協(xié)同作用可維持富氫環(huán)境中氫的動(dòng)態(tài)平衡。功能微生物（如枯草芽孢桿菌、放線菌）代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸（如乳酸、氨基酸）和多糖類物質(zhì)，可與氫分子形成穩(wěn)定的包裹結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)富氫水在土壤和作物體內(nèi)的保留時(shí)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(zhǎng)至 4.5h ，使氫分子更充分地參與植物代謝[33]。

3.2 富氫水對(duì)微生物的保護(hù)作用

氫氣處理使土壤中的氫氧化細(xì)菌菌群增加，從而對(duì)根際其他微生物的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生影響，通過(guò)對(duì)土壤樣品進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氫氣處理過(guò)的樣品的物種數(shù)都高于未處理組，且處理組物種分布更為均勻34。同時(shí)，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(jī)物的分解轉(zhuǎn)化等碳、氮循環(huán)過(guò)程的有序進(jìn)行，為植物的生長(zhǎng)提供充足的碳源、氮源等，進(jìn)而增強(qiáng)植物對(duì)逆境的抵抗力，同時(shí)提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò) H₂ 富集處理的土壤中，氫氧化細(xì)菌（HOB）發(fā)生明顯聚集且活性顯著提高，高效HOB菌株能使小麥根生長(zhǎng)速度增加111%～397%^135] ，并且HOB能促進(jìn)春小麥類作物的分，這主要是因?yàn)椴糠諬OB菌株可以產(chǎn)生細(xì)胞分裂素（CTKs）或異戊烯基轉(zhuǎn)移酶使CTKs增加[。

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