蒙特利尔理工学院的物理学家斯蒂芬·路透 (Stephan Reuter) 大部分时间都在利用他在能源和物质方面的专业知识来改进医疗技术。不过最近，他站在一片绿色的海洋中，思考带电粒子雨可能如何影响生菜。
他受邀前往魁北克省最大的商业温室之一，帮助种植者重新思考农业能源。大楼内部被玻璃墙包围，占地比四个足球场还大，成千上万的生菜漂浮在聚苯乙烯垫上，采用水培或无土种植系统。农作物几乎已准备好采摘、包装和运输。路透的任务是利用物理学帮助位于米拉贝尔的 Hydroserre Inc. 公司减少碳足迹。
为此，该公司有兴趣寻找新的方法来对抗病原体并向正在生长的植物提供肥料。许多肥料都含有氨，它是通过称为哈伯 - 博世过程的化学反应从氮（植物生长必需的）和氢中产生的。这一过程使化肥的大规模生产成为可能，从而彻底改变了 20 世纪初的农业。然而，该过程每年产生数亿吨二氧化碳。
“理想情况下，我们想要一种可再生的肥料，”路透社说。为了使其真正绿色，它应该在农场生产，从而使运输（另一个碳排放源）变得不必要。路透社和越来越多的化学家、物理学家和工程师认为他们可以看到如何实现这一目标。这些研究人员正在努力建设真正可持续的未来农场，利用风能或太阳能等可再生能源在现场制造高效肥料。他们希望通过利用等离子体来实现这一愿景。
血浆无处不在
路透社似乎不太可能成为应对农业挑战的顾问。毕竟，他的专业知识是等离子体物理学，等离子体是物质的四种基本状态之一，与固体、液体和气体一起。
血浆非常常见。事实上，已知宇宙中看到的大多数物质（根据天体物理学家的说法超过 99.9%）都处于等离子体状态。闪电产生等离子体。博物馆礼品店里那些便宜的新奇灯具也是如此。打开电源，球体中心的电极会产生高压，与玻璃内密封的气体相互作用，形成向外辐射的彩色等离子体卷须。触摸玻璃，等离子卷须似乎伸向你的手指。
太阳是一个由等离子体和气体组成的球。太阳风是剥离太阳的等离子流（SN：2019 年 12 月 21 日 & 20 年 1 月 4 日，第 14 页 6 ）。当风与包围地球的富含等离子体的保护性磁垫碰撞时，相互作用会产生北极光和南极光中可见的光河。
等离子体也是现代技术的主力。工程师用它来蚀刻当今计算机、汽车和音乐生日贺卡芯片上的数百万个微型晶体管。等离子电视中的像素含有形成等离子体的气体，密封在夹在两块玻璃板之间的微小细胞内，霓虹灯和荧光灯因等离子体而发光。一些前宇航员甚至预测等离子发动机有一天将把我们推向火星。
但等离子体到底是什么？它是带有负电荷、正离子和中性原子的电子汤，也会产生电磁场以及紫外线和红外线辐射。当气体获得超强能量（例如通过热量或电流）并且电子从原子中释放出来时，就会产生等离子体。
等离子体是天然存在的，也可以是人造的。当高温（例如在阳光下）产生时，它被称为“热等离子体”，而在等离子体球和其他室温低压环境中产生的等离子体被称为“冷等离子体”。等离子球很容易看到：它们充满了气体混合物，其中包括一种非常稳定的惰性气体，如氩、氙、氖或氪。等离子体构成了从中心伸出的发光卷须。高频电流激发电子，然后电子与气体原子分离。许多农业实验包括混合稀有气体和空气以产生氮和氧离子。
长期以来，科学家们一直对等离子体的生物学意义感兴趣。19 世纪末，芬兰物理学家 Karl Selim Lemström 观察到，北极圈附近的冷杉树的年轮宽度遵循北极光的周期，当北极光最强时，年轮宽度会变宽。他推测灯光秀在某种程度上促进了植物的生长。为了人为地模仿北极光，他在生长的植物上放置了一个金属丝网，并在其中通上电流。他报告说，在适当的条件下，这种处理可以提高蔬菜产量。
几十年来，科学家们已经知道，接触血浆可以安全地杀死病原细菌、真菌和病毒。对动物的小型研究还表明，血浆可以促进皮肤血管的生长。在他的研究中，路透研究了如何利用这些特性来抑制伤口新的感染并加速愈合或治疗其他皮肤病。但最近，他和其他物理学家一直在研究利用等离子体的力量来提高粮食产量的方法。
过去十年左右进行的实验测试了将血浆应用于种子、幼苗、农作物和田地的多种方法。这些包括使用稀有气体产生的等离子体，以及从空气产生的等离子体。在某些情况下，等离子体直接通过流过种子或植物的等离子体“射流”施加。另一种方法使用经过等离子体处理的水，它可以起到双重作用：灌溉和施肥。一些研究报告了一系列好处，从帮助植物生长得更快、更大到抵抗害虫。
“即使在我们对血浆的研究非常非常早期的阶段，血浆在过去 10 到 15 年里才真正发挥作用，我们也看到了非常有希望的数据，”植物病理学家布伦丹·尼米拉 (Brendan Niemira) 说。位于宾夕法尼亚州温德莫尔的美国农业部东部地区研究中心的食品安全和干预技术研究部门。他是这种方法的粉丝：在 Zoom 上，尼米拉的头像展示了一颗沐浴在怪异的紫色等离子光芒中的杏仁。
他说，现在的挑战是弄清楚血浆是否可以达到公顷农作物的水平。“我们能否让它在现场环境中发挥作用，以提供可集成到未来种植系统中的优势？”
这一挑战还涉及许多其他挑战，包括寻找一种大规模向植物输送血浆的方法、证实实验室研究中报告的好处以及表明血浆比现有方法更好。最后，弄清楚带电的等离子体汤实际上对植物做了什么。
Niemira 说，最近的进展成为可能，主要是因为在 20 世纪 90 年代和 2000 年代初，科学家们开发出了高效且经济的方法，通过将高能电子流到气体中来产生冷等离子体。这些电子会与气体分子碰撞，撞击电子并产生带电粒子。他说，从那时起，人们开始急于在植物的各个生长阶段并采用一系列策略来测试血浆。
表面变化
据路透称，血浆最有吸引力的用途之一是作为氨的肥料替代品。他与来自魁北克非营利组织 IRDA（农业环境研究与发展研究所）的科学家于 2021 年春季帮助启动了米拉贝尔温室项目，其计划是这样的：等离子体是通过发送电流产生的通过气体，理想情况下只是空气。该过程产生带电和中性粒子的混合物，包括电子和离子，可以产生氮和氧的活性物质。在桌面实验和温室中，路透社和他的同事将用等离子体富集水，然后研究它是否可以减少病原体并影响正在生长的植物。
顾名思义，反应性物种随时可以与原子和分子（包括生物体内的）发生反应，并且在生物学上可供植物使用。当等离子体被添加到水中时，那些活性物质就会溶解。由此产生的注入等离子体的水及其生物可用的氮将用于灌溉植物。它的作用与氨相同：植物生长所需的氮以离子、激发分子和化合物的形式输送到水中。路透社表示，虽然大剂量的活性物质会损害植物细胞或 DNA，但经等离子体处理的水中的含量已被证明对植物是安全的。
阿拉巴马州亨茨维尔奥克伍德大学的生物化学家亚历山大·沃尔科夫领导的实验提供了等离子体农业研究的另一个例子。沃尔科夫研究植物和电磁相互作用的方式。例如，他展示了电刺激如何触发维纳斯捕蝇草的关闭机制。
最近，沃尔科夫开始研究等离子体如何影响 20 颗龙舌兰种子，龙舌兰是灌木豆的一个品种 菜豆 。该实验技术含量较低。他和同事将种子放在等离子球上，每个平衡一分钟，然后将种子在水中孵育七个小时。两天后，科学家们发现，经过等离子处理的种子的胚根（使种子成为幼苗的根部的小突出物）长了 2.7 厘米，而未经处理的种子则长了 1.8 厘米，增长了 50%。该团队报告了结果 功能植物生物学 2021 年 2 月。
根部出现
生物化学家亚历山大·沃尔科夫（Alex 和 er Volkov）及其同事将灌木豆种子暴露在等离子射流中，然后将种子浸入水中一天。两天后，经过等离子体处理的种子出现了更大的胚根或发根。未经处理的种子生长最少。其他人分别接受血浆 30 秒、1 分钟、5 分钟和 15 分钟（如下所示）。使用等离子球体，他得到了不太引人注目的结果。
不到一厘米的额外增长可能看起来不大，但沃尔科夫受到了鼓励。这种好处不可能来自氮和氧的活性物质，因为它们无法离开玻璃球，但不知何故，经过处理的种子似乎吸收了更多的水以更快地生长。
为了研究这个想法，他和同事使用原子力显微镜和磁共振成像研究了种子，揭示了组织如何吸收水分。在原子力显微镜的微米级视图中，沃尔科夫发现暴露使种子表面变得粗糙。这些图像看起来就像雕刻的山脉。他推测，这些脊给水提供了更多的表面积，并提供了更多的开口来浸泡种子内部。与未经处理的豆子相比，经过处理的豆子的 MRI 图像显示出更大的白色带，表明里面有更多的水。
“当我们使用等离子球或灯时，水可以轻松地穿过毛孔并加速发芽，”他说。
石板路
从原子力显微镜图像中可以看出，未经处理的灌木豆种子的表面相对光滑（左）。经过一分钟的等离子处理（右）后，表面变得粗糙且呈波纹状，这可以使水更好地渗透种子的外部。
等离子处理种子表面的变化
从原子力显微镜图像中可以看出，未经处理的灌木豆种子的表面相对光滑（上图）。经过一分钟的等离子处理（底部）后，表面变得粗糙且呈波纹状，这可以使水更好地渗透种子的外部。
等离子处理种子表面的变化
越来越多的证据
塞尔维亚贝尔格莱德物理研究所的物理学家 Nevena Puač 进行了数十项测试植物等离子体的研究，并在该领域工作了数十年。她说，大多数研究——无论成功与否——都测试了两种想法：血浆作为消毒剂或作为生长促进剂。
在消毒方面，对苹果、樱桃番茄和生菜等食品进行不到一分钟的等离子喷射处理，可以减少致病细菌，例如 大肠杆菌 , 沙门氏菌 和 李斯特菌 。一些研究也考虑了更长的暴露时间：在 2008 年的一项研究中，五分钟的等离子体处理灭活了 90% 的病原体 寄生曲霉 榛子、花生和开心果上的真菌。
这也是涅米拉从事的研究领域。2019 年 5 月 LWT– 食品科学与技术 ，他和同事证明，等离子处理与现有的消毒剂相结合可以杀死 99.9% 的细菌 李斯特菌 不到四分钟就可以吃苹果了。该消毒剂单独工作一小时后即可达到类似的效果。他说，这种组合的效果比任何一种单独使用都要好得多。
对种子发芽和植物生长的研究也同样有希望。南京中国科学院的研究人员将大豆种子暴露在等离子体中。该团队在 2014 年报告称，暴露 7 天后，根部比未经处理的种子的根部重达 27%。同年，罗马尼亚的研究人员报告说，萝卜根部和芽苗的重量也有类似的增加。
在去年由美国物理学会在线主办的气体电子会议上，来自日本的研究人员展示了一项对爱知县稻田中直接用等离子体和等离子体处理水处理幼苗的研究结果。在生长过程早期直接用等离子体处理的植物比未经处理的植物产量高出 15%。但在生长过程后期处理植物会降低产量。普阿奇说，时机很重要。使用方法也是如此：在日本的实验中，在某些情况下，经过等离子体处理的水实际上降低了产率。
组织这次会议的北卡罗来纳州立大学罗利分校工程师凯瑟琳娜·斯塔佩尔曼 (Katharina Stapelmann) 表示，“据我所知，这是第一项直接对植物进行处理的研究”，而不是作为种子或收获后进行消毒。
Puač 表示，研究已将等离子体处理与从生长速度到产量等一系列益处联系起来。但其他研究表明，等离子体永远不会成为一种万能的技术。
韩国研究人员在报告中称 物理学杂志 D：应用物理学 例如，在 2020 年，虽然暴露 6 分钟的等离子体可以提高大麦芽的发芽率，但在三天内暴露 18 分钟的等离子体对生长没有任何好处，并且降低了植物总重量。2000 年发表的实验结果研究了直接等离子射流对豌豆、玉米和萝卜的影响，发现有害影响因等离子体中使用的气体而异。将种子暴露 2 至 20 分钟，长时间暴露的种子比未处理的种子发芽更慢。
路透表示，研究表明，在等离子体成为世界各地农场的主要原料之前，科学家需要更好地了解第四种物质状态可能影响植物的多种方式。
例如，植物的成功结果可能部分归功于等离子体产生的紫外线辐射；紫外线辐射长期以来一直被用作消毒剂。活性氮和氧对活细胞有益或有害，具体取决于它们的使用方式，它们也可能作为营养物质和消毒剂发挥作用。等离子体还产生电场、磁场以及红外线和可见光。它们对植物的影响也尚未得到充分探索。沃尔科夫说，尽管研究人员知道血浆中含有什么，并且可以看到植物如何反应，但他们没有绘制出详细信息。
大大小小的花园
世界各地正在开展在不同环境下大规模测试等离子体的项目。在乌干达工作的荷兰科学家开发了便携式“反应器”，利用等离子体从空气中产生肥料。他们希望这项发明能够满足农民经常无法获得氨的地方对肥料的需求。路透社希望在 2022 年初报告他的桌面实验的第一个结果。Hydroserre 的水培种植系统将为他提供完善方法的机会。
他说，如果幸运的话，该项目将为未来农场展示一种替代氨并减少碳排放的方法。
当研究人员和种植者等待结果时，公民科学家、业余物理学家和实验园丁会在棚子里腾出空间，在耙子和铲子旁边放一个等离子球，以便在家中进行自己的实验。
沃尔科夫已经介入。去年，当大流行关闭了他的实验室时，他把他的工作和等离子球带回家了。他在灯的浓郁紫色光芒下将花园里的蔬菜种子浸泡了一分钟，然后将它们种植。
“有黄瓜、西红柿、茄子、卷心菜，”他说。沃尔科夫承认，后院试运行并不能证明任何事情，任何园丁都可以证明，挑剔的变量组合可以成就或毁掉一个花园。
但去年秋天他确实看到了惊人的收成。到十月下旬，他仍在从经过等离子体处理的种子长出的藤蔓上采摘大而成熟的西红柿，而此时未经处理的种子的植物经常枯萎。黄瓜更大、更多汁。他说，在朋友的苗圃里种植的卷心菜更重、更美味。“我得到了很多东西。”
