农业生态系统中的重金属污染对作物产量和人类健康均构成严峻挑战，在全球气候变化的压力下，这一问题尤为突出。氢气作为一种清洁、可持续的能源，为农业发展展现出巨大潜力。

本研究率先将富氢水创新性应用于提升龙葵在镉-砷复合污染土壤中的植物修复能力。在为期45天的试验中，高浓度富氢水处理显著增加了龙葵的叶片生物量和叶片镉富集量。经富氢水处理后，植物对镉、砷的富集效率及镉、砷的转运系数等核心植物修复指标均得到显著提升（p＜0.05）。同时，富氢水的施用降低了叶片中的丙二醛、过氧化氢等氧化应激指标，且显著提高了超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等抗氧化酶的活性（p＜0.05）。值得注意的是，富氢水还通过降低土壤pH值和镉的生物有效性，改变了土壤的理化性质。

上述研究结果表明，富氢水能提升龙葵对重金属的提取效率，并缓解其氧化损伤，这一方法为改良重金属污染农田提供了一种清洁、高效且切实可行的新途径。

有人提出这样的问题：许多研究表明氢气能减少植物对这些金属的吸收，为何这种植物吸收金属能力增加。氢气有那么聪明？

Chen X, Ding A, Deng L, Wang J, Wang R, Okoye CO, Zhong Q, Zhou P, Du D, Jiang J. Enhanced phytoremediation of Cd-As co-contaminated farmland using hydrogen-rich water: Mechanisms and efficiency evaluation in Solanum nigrum L․. J Environ Sci (China). 2026 Apr;162:376-384. 

研究亮点

1. 富氢水能显著增加龙葵在镉-砷复合污染土壤中的生物量，并提升其对镉的植物提取效率。

2. 富氢水可通过提高过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性，缓解植物的氧化应激反应。

3. 经富氢水处理后，土壤pH值和镉的生物有效性均显著降低。

4. 富氢水为重金属污染农田的修复提供了一种可持续的治理策略。

 引言

氢（H₂）是自然界中结构最简单、最基础且含量最丰富的元素，占宇宙物质总量的75%以上，同时也是生物体内分布最广泛的元素之一（王，2014）。在以往的研究中，氢一直被认为是一种无生物活性的分子。但近年来，随着对氢的生物学功能研究不断深入，研究者发现氢可与一氧化氮、一氧化碳、硫化氢并列，成为一种重要的气体信号分子。越来越多的证据表明，氢能够缓解非生物胁迫下植物的氧化应激反应，增强植物的抗逆性，这一系列发现也引起了学界的广泛关注。

重金属（类金属）污染一直是农业生产中的复杂难题，对人类健康造成严重影响。我国农业土壤面临着严峻的重金属（类金属）污染问题，有16.1%的耕地土壤污染物含量超过安全阈值，其中镉（7.0%）和砷（1.6%）为主要污染元素（万等，2020）。耕地是受污染最严重的土地利用类型，占污染土地总面积的19.4%。目前，土壤中镉-砷复合污染对农业生态系统造成了极大破坏（刘等，2020），重金属污染对作物生产的影响也日益受到关注，研发针对土壤镉、砷污染的有效修复技术已迫在眉睫。

植物修复技术因兼具环境可持续性与经济成本优势，被视为土壤污染治理的理想手段（梁等，2024）。这一绿色技术利用超富集植物直接从污染土壤中吸收移除重金属（萨瓦尔等，2017）。超富集植物能将高浓度的重金属（类金属）富集在其地上组织中（布鲁克斯等，1998；范德恩特等，2013），并进化出了复杂的机制来耐受和固持重金属。

对于类金属砷，植物的主要耐受和富集策略为：通过磷酸盐转运体增强对砷的吸收，在根部将五价砷还原为三价砷，再与富含巯基的植物螯合肽结合，最终将其区室化储存于液泡中。蜈蚣草是首个被发现的砷超富集植物，正是通过这一机制，借助高效的根-茎转运能力和液泡区室化作用，使其叶片砷含量可超过2000 mg/kg（赵等，2009；陈等，2017）。

而对于重金属镉，植物的应对机制则主要为：通过植物螯合肽和金属硫蛋白增强对镉的螯合作用，同时激活金属转运蛋白家族促进镉向木质部装载。例如，镉超富集植物东南景天通过高表达重金属ATP酶基因（如HMA3）将镉转运至叶肉细胞的液泡中，同时合成组氨酸等特异性氨基酸在细胞质中螯合镉，从而实现极高的镉转运效率（刘等，2017）。正是这些特殊的机制，让超富集植物能在重金属（类金属）污染土壤中正常生长。

在各类超富集植物中，龙葵因对镉具有高效的植物提取能力而备受关注（雷曼等，2017；孙等，2006），尤其能耐受镉-砷复合污染土壤的胁迫（李等，2020），但其抗逆性在极端重金属（类金属）胁迫下会有所下降。因此，研发环境友好、高效的技术手段来提升龙葵的植物修复效率，成为当下的研究热点。例如，陈等（2021）研究发现，多壁碳纳米管可提升镉-砷胁迫下龙葵的土壤修复能力；王等（2020）也证实，科学的养分管理能增强龙葵对镉的抗性，并提高其镉提取效率。

将氢肥应用于土壤修复的研究起步较晚，但已取得显著进展（李等，2018）。值得注意的是，即便在恶劣的生长条件下，氢仍能提升土壤肥力、促进作物生长，因此氢也被学界认定为一种“氢肥”，与传统肥料类似，具备改良土壤质量的作用（董等，2003；戈尔丁、董，2010）。现有研究表明，氢不仅能调控植物的生长发育过程，还可增强植物对生物和非生物胁迫的抗性（莱文等，1994；邵等，2023）。

尤为重要的是，氢可通过调控植物对金属离子的吸收，增强细胞的修复机制，在缓解重金属对植物的毒害方面展现出巨大潜力。针对多种植物的实证研究（如甘蓝、紫花苜蓿、油菜）发现，氢能通过协同上调植物的抗氧化防御系统，缓解镉诱导的氧化应激反应，同时改善植物的生长抑制状况（崔等，2013；戴等，2017；吴等，2015）。除镉外，研究还发现氢可通过降低汞的富集量缓解其毒性（崔等，2014），并能显著减轻铝胁迫对紫花苜蓿幼苗根系生长的抑制作用，其核心机制是氢可减少植物体内一氧化氮的合成。此外，氢还能促进铝胁迫下水稻种子的萌发，这一作用可能是通过调控微小RNA的表达实现的，其中受调控的主要为miR528、miR160a、miR398a和miR159a（徐等，2017）。

当前，化肥的过度施用与土壤污染给农业发展带来了巨大挑战，二者均对植物生长和人类健康产生不利影响（蒙哥马利等，2024）。气态氢在农业生产中的应用受多种因素制约，包括规模化应用难度大、操作安全性存疑以及经济可行性低等（祖尔菲卡尔等，2021）。与之相对，富氢水成为了技术上可行的替代方案，研究证实其具有多项功效：①缓解植物的生长抑制；②降低植物对类金属的生物富集；③促进植物渗透调节物质的合成；④减轻活性氧介导的细胞损伤（王等，2024）。

相较于气态氢，富氢水的实用性更强、成本更低，尤其适用于重金属污染农田的修复。但目前关于富氢水在镉-砷复合污染体系中的作用机制研究仍较为匮乏，外源氢对植物抗氧化系统的系统性调控机制尚未明确。本研究旨在阐明重金属污染农业系统中，富氢水提升龙葵植物修复效率的内在机制，研究结果将为优化氢肥施用策略、实现重金属污染农业生态系统中作物生产与土壤修复的协同发展，奠定重要的理论基础。