导读
纳米气泡的数量密度与活性氧的清除率呈正相关，增强了小球藻的抗氧化能力。
纳米气泡通过其内部的高压气体环境，促进了氢气向细胞的传输。
氢气纳米气泡通过减少超氧化物的泄漏、阻止铜离子诱导的线粒体膜电位下降、增强线粒体复合体的活性并提高电子传递效率，从而有效保护线粒体功能。
氢分子因其选择性清除活性氧的能力、高细胞穿透力及良好的生物相容性，已广泛应用于医学、环境科学和农业等领域。然而，其在生物系统中作用机制尚未完全明确。现有理论除了认为氢分子通过选择性还原活性氧来缓解氧化应激引起的细胞损伤外，还提出了铁卟啉靶点理论、生物酶假说和信号分子假说等。其中，氢分子对线粒体的影响尤其受到关注，因为线粒体作为细胞的“动力源”在控制氧化应激方面发挥核心作用。然而，现有研究多集中于氢分子对线粒体信号通路的影响，较少关注氢分子如何直接调节线粒体功能及代谢活性。氢的高扩散性增加了监测线粒体内氢动力学的难度，这一挑战可望通过纳米气泡技术得以解决。
纳米气泡具备高比表面积和长寿命的优势，能够提升水中氢的溶解度和稳定性。借助纳米气泡技术研究氢分子对线粒体功能的影响，可加深对相关生物过程的理解。然而，需解决的关键问题是纳米气泡中氢分子的实际状态。与溶解态氢相比，纳米气泡形式的氢可能存在性质差异。尽管已有研究表明纳米气泡内存在高密度气体环境，但实验数据仍不足以充分支持此结论。此外，氢气纳米气泡与溶解态氢在生物影响上的差异，以及改变氢气纳米气泡数量密度对生物体的影响，仍然不明确。
本研究探讨了不同数量密度的氢气纳米气泡对水生生物抗氧化系统和线粒体功能的特异性影响。与以往主要关注分子氢在生物系统中的一般作用不同，本研究聚焦于纳米气泡技术如何提升氢的生物利用度和稳定性，从而实现对氧化应激的更可控和有效的干预。通过铜和镉离子诱导小球藻的氧化应激状态，我们考察了不同纳米气泡数量密度对小球藻抗氧化酶活性和线粒体功能的影响，重点关注气泡的作用。研究旨在阐明纳米气泡数量密度对线粒体功能的直接影响，为氢气纳米气泡在环境和生物医学领域的广泛应用提供重要见解。氢气纳米气泡有望应用于抗氧化疗法，减轻细胞氧化损伤；在环境领域，可用于修复受损生态系统及降低水体中重金属毒性。研究成果有望为氢气纳米气泡在生物技术、农业和医学等领域的应用开辟新路径。
通过冻融-气相色谱法和纳米颗粒追踪分析技术，我们获得了不同数量密度的氢气纳米气泡粒径分布和氢气逸散情况，并在此基础上评估了不同数量密度的氢气纳米气泡对铜、镉离子及有机毒物鱼藤酮在小球藻中毒性的缓解效果（图1）。研究结果表明，在相同氢气浓度和毒物浓度下，增大纳米气泡数量密度显著提高了小球藻的存活率和生长状态。纳米气泡数量达到 108粒子/mL时，铜离子的 IC25 从 0.248 mg/L 提高至 0.675 mg/L，镉离子的 IC10 从 0.291 mg/L 增加至6.438 mg/L。
图1 氢气纳米气泡数量密度对铜离子和镉离子毒性缓解作用的影响
氢气纳米气泡减轻重金属毒性的机制之一在于其去除氧化应激产生的活性氧（ROS）的能力。为验证这一机制，我们通过荧光探针检测内源性和外源性ROS浓度（图2）。结果显示，氢气纳米气泡能有效去除与氧化损伤相关的ROS，对比对照组，最高密度的氢气纳米气泡水样中 ·OH、O2•− 和总ROS水平分别降低了77.21%、74.95%和28.71%。此外，ROS去除效果与纳米气泡数量密度呈正相关，表明更高的纳米气泡密度显著增强了氢气对生物系统氧化应激的缓解作用。
图2 氢气纳米气泡数量密度对外源性和内源性活性氧浓度的影响
线粒体是内源性ROS生成的主要场所。我们以线粒体膜电位和线粒体超氧化物浓度为指标，研究氢气纳米气泡在铜诱导的氧化应激下对线粒体功能的影响（图3）。结果表明，氢气纳米气泡能提升线粒体膜电位，有助于从源头保护线粒体，并显著降低线粒体超氧化物浓度，与内源性总ROS测量结果相一致。
图3 氢气纳米气泡对线粒体膜电位和超氧化物浓度的影响
小球藻内含多种抗氧化酶，有助于调节内源性ROS水平以缓解氧化应激。研究显示，在对照水、富氢水和氢气纳米气泡水的不同处理组中，氢气纳米气泡水在暴露结束时显著提升了SOD和GSH-Px的酶比活力，对CAT酶比活力无显著影响。综合来看，氢气纳米气泡在应激和非应激条件下均有效增强了小球藻的抗氧化防御系统，尤其对GSH-Px的提升效果最为显著。
气相色谱分析显示，氢气纳米气泡内的高气体密度促进了氢分子向小球藻的传输。在线粒体活性方面，氢气纳米气泡显著增强了线粒体复合体I和V的功能。循环伏安实验表明，在纳米气泡存在下，电子传递速率显著提升（图4）。我们得出结论：氢气纳米气泡的高气体密度提高了氢分子的传递效率并增强了线粒体功能。
图4 纳米气泡对氢气传输效率及线粒体功能的影响
综上所述，氢气纳米气泡通过促进氢分子进入细胞来缓解氧化应激。纳米气泡内部高氢气密度提高了氢分子进入生物体的效率。进入细胞后，氢分子通过减少超氧化物泄漏、维持线粒体膜电位、增强线粒体复合体活性和提升电子传递效率来保护线粒体功能。这种保护作用在治疗线粒体相关疾病和增强细胞抗氧化防御方面具有潜在应用价值。此外，氢气纳米气泡在环境修复中也展现出重要作用，未来可能被应用于大规模水生态修复系统，为生态系统的修复提供创新、可持续的解决方案。
来源丨氢奢农业
