大气压放电等离子体生物效应

低温等离子体可以在常温大气压下通过高电压气体放电产生，由于大气压放电等离子体包括各种自由基、带电粒子、激发态粒子、紫外线、电场等多种活性成分，被广泛应用于植物、微生物生物效应研究和食品果蔬干燥及解冻研究。近年来，本课题组针对放电等离子体在植物诱变育种领域存在的关键科学问题，如活性粒子穿透深度低、对种子存活率无显著影响等，自行设计组装，并逐步完善形成一套“针阵列-板介质阻挡放电等离子体生物技术装置”，在完善的过程中利用系列不同时期的高压放电等离子体装置进行了植物、微生物生物效应及食品干燥解冻研究，特别是近年来课题组利用放电等离子体及等离子体活化水协同处理方法提高活性粒子在种子中的穿透深度，增加基因表达差异，进而提高种子致死率，研究成果为等离子体植物诱变育种研究提供了实验和理论基础。
21 世纪初，编者两人有幸先后跟随梁运章教授、罗辽复教授攻读硕士和博士学位，进入生物物理领域，开始了高电压技术、低能离子束技术、放电等离子体技术在食品、生物学、农业领域的应用研究，20 年来取得了较多成果。本书的研究成果得到了国家自然科学基金项目“高压电晕电场对蒺藜苜蓿的诱变机制研究（51767020）”、国家自然科学基金项目“放电等离子体及其活化水联合作用对蒙古冰草的诱变机制研究（12265021）”、内蒙古自治区科技计划项目“不同气源电晕放电等离子体辐射诱变技术装备研发及黑曲霉菌种选育（2020GG0280）”、内蒙古自治区自然科学基金项目“高压电场作用下大肠杆菌基因组突变研究（2015BS0311）”、内蒙古自治区自然科学基金项目“针-板高压电场处理沙打旺的生物效应及机制研究（2019MS06025）”等项目的支持，还得到了内蒙古工业大学研究生核心课程建设项目“等离子体物理基础（YHX202117）”的支持。我们依托内蒙古工业大学放电等离子体与功能材料应用实验室，将具有“装置简单易制、生物效应明显、环境友好”等优点的高电压放电等离子体技术应用于内蒙古自治区特色农产品处理、工业微生物、牧草种质诱变选育等科研领域，在放电等离子体生物效应、干燥、解冻领域取得了系列研究成果，形成了研究特色与优势，在Plasma Science and Technology、IEEE Transactions on Plasma Sciences、Free Radical Biology and Medicine、Innovative Food Science & Emerging Technologies、Foods 等国内外高水平期刊上发表相关科研论文60 多篇。
本书主要内容包括四个部分：绪论、电晕放电等离子体对种子的生物效应、等离子体及其活化水对种子基因表达影响、放电等离子体对微生物诱变研究。本书由宋智青、丁昌江著。在撰写过程中，综合了硕士研究生李一冰、徐文倩、栾欣昱等的实验结果，研究生张涛在文字编辑等方面给予了帮助。在此，对于所有参与、支持、资助本书出版的单位和个人表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请各位读者或专家给予批评指正。

2023 年3 月

宋智青，内蒙古工业大学，副教授，硕士生导师，内蒙古自治区“新世纪321人才”第三层次。从事放电等离子体技术与应用、生物电磁技术、辐射与环境生物物理等研究工作。讲授电磁学、等离子体物理、大学物理实验等本科、研究生课程。获内蒙古自治区高等学校青年教师教学技艺大赛二等奖。主持国家自然科学基金2项，内蒙古自治区科技计划项目1项；内蒙古自然科学基金2项；发表学术论文近40篇；授权专利2项。

本书基于作者的研究成果，介绍了大气压放电等离子生物效应，包括电晕放电等离子体对种子的生物效应、等离子体及其活化水对种子基因表达影响、放电等离子体对微生物诱变研究。通过多针-板空气放电等离子体对蒙古沙冬青、裸燕麦、紫花苜蓿、沙打旺的实验研究，探索了不同放电参数、工作气体的针-板介质阻挡放电特性和规律，利用放电等离子体及等离子体活化水协同处理方法提高活性粒子在种子中的穿透深度，进而提高种子致死率，增加基因表达差异，相关成果为等离子体植物诱变育种研究提供了实验和理论基础。
本书可供低温等离子体、植物、微生物诱变育种研究等相关领域人员参考使用。

第一章 绪论 001
1.1 等离子体简介 001
1.1.1 等离子体概念 001
1.1.2 等离子体分类 003
1.2 大气压放电等离子体 006
1.2.1 大气压放电等离子体简介 006
1.2.2 电晕放电 008
1.2.3 介质阻挡放电 009
1.3 大气压放电等离子体生物效应研究进展 015
参考文献 020

第二章 电晕放电等离子体对种子的生物效应 024
2.1 概述 024
2.2 电晕放电等离子体生物效应机制 027
2.2.1 高压非均匀电场生物效应 027
2.2.2 放电等离子体生物效应 028
2.3 电晕放电等离子体处理种子研究进展及特点 031
2.3.1 种子处理方法研究进展 031
2.3.2 电晕放电分类及特点 032
2.3.3 电晕放电等离子体的生物学效应 033
2.4 交流电晕放电等离子体处理裸燕麦的生物效应 035
2.4.1 裸燕麦简介 035
2.4.2 实验条件 036
2.4.3 交流电晕放电等离子体中离子风速率变化 036
2.4.4 裸燕麦种子漂浮率、吸水率和浸出液电导率 037
2.4.5 裸燕麦种子发芽试验 040
2.4.6 交流电晕放电等离子体对裸燕麦幼苗生长的影响 042
2.4.7 交流电晕放电等离子体对裸燕麦种皮微观形貌的影响 043
2.4.8 交流电晕放电等离子体处理对种皮红外光谱的影响 044
2.4.9 幼苗ROS 含量测定 046
2.4.10 小结 047
2.5 直流电晕放电等离子体处理蒙古沙冬青的生物效应 048
2.5.1 蒙古沙冬青简介 048
2.5.2 实验条件 049
2.5.3 直流电晕放电等离子体中离子风速率变化 049
2.5.4 直流电晕放电等离子体对种子亲水性的影响 050
2.5.5 直流电晕放电等离子体对种子吸水率的影响 051
2.5.6 直流电晕放电等离子体对种子萌发的影响 052
2.5.7 直流电晕放电等离子体对沙冬青幼苗苗高的影响 054
2.5.8 直流电晕放电等离子体处理对沙冬青种子表面微观形貌的影响 055
2.5.9 直流电晕放电等离子体处理对种皮结构的影响 056
2.5.10 小结 056
2.6 电晕放电等离子体处理紫花苜蓿的生物效应 057
2.6.1 紫花苜蓿简介 057
2.6.2 实验条件 057
2.6.3 电晕放电等离子体对紫花苜蓿种子亲水性的影响 058
2.6.4 电晕放电等离子体对紫花苜蓿种子微观形貌的影响 060
2.6.5 紫花苜蓿种皮的傅里叶变换红外光谱的变化 0612.6.6 种皮红外指纹图谱共有峰率和变异峰率双指标序列 065
2.6.7 电晕放电等离子体对紫花苜蓿种子漂浮率和吸水率的影响 068
2.6.8 电晕放电等离子体对紫花苜蓿萌发的影响 070
2.6.9 电晕放电等离子体对紫花苜蓿种子苗高和鲜重的影响 072
2.6.10 电晕放电等离子体对紫花苜蓿种子浸出液电导率的影响 074
2.6.11 电晕放电等离子体对紫花苜蓿幼苗ROS 含量的影响 075
2.6.12 电晕放电等离子体对紫花苜蓿生物效应分析 076
2.6.13 小结 078
参考文献 078

第三章 等离子体及其活化水对种子基因表达的影响 090
3.1 概述 090
3.2 介质阻挡放电等离子体诊断 091
3.2.1 介质阻挡放电装置 091
3.2.2 等离子体放电现象 092
3.2.3 离子风变化 093
3.2.4 等离子体发射光谱诊断 094
3.3 等离子体活化水 096
3.3.1 实验条件 096
3.3.2 蒸发速率 096
3.3.3 PAW 的pH、电导率 097
3.3.4 PAW 紫外/可见光谱 098
3.3.5 PAW 总吸光度 102
3.3.6 PAW 中长寿命粒子检测 104
3.4 等离子体及其活化水对沙打旺基因表达的影响 107
3.4.1 沙打旺简介 107
3.4.2 实验条件 108
3.4.3 沙打旺种子存活率 109
3.4.4 沙打旺ROS 含量变化 110
3.4.5 RNA-Seq 分析 111
3.4.6 差异基因功能分析 133
3.4.7 小结 134
3.5 等离子体及其活化水对蒺藜苜蓿基因表达的影响 135
3.5.1 蒺藜苜蓿简介 135
3.5.2 实验条件 135
3.5.3 蒺藜苜蓿种子存活率 136
3.5.4 差异基因分析 137
3.5.5 基因功能注释 137
3.5.6 差异基因分析 141
3.5.7 qRT-PCR 验证 146
3.5.8 蒺藜苜蓿幼苗长势 146
3.5.9 小结 147
参考文献 148

第四章 放电等离子体对微生物诱变研究 152
4.1 概述 152
4.2 放电等离子体对大肠杆菌的诱变研究 153
4.2.1 引言 153
4.2.2 实验条件 154
4.2.3 高压电场处理大肠杆菌的影响 155
4.2.4 电晕放电等离子体处理对大肠杆菌的影响 157
4.2.5 电晕放电等离子体诱发大肠杆菌lacI 基因突变测序结果及分析 158
4.2.6 电晕放电等离子体处理诱发的lacI 基因突变分子机制 162
4.3 小结 166
参考文献 166