【摘要】 冷冻透射电子显微镜TEM观察揭示了UFB在各溶液样品中的分布和状态。

超细气泡(UFBs)是一种直径小于1μm的气泡，近年来在工业上得到了广泛的应用。例如，在农业中，添加UFB的溶液已被作为生长促进剂进行了测试。在一个这样的试验中，Ebina等表明，与正常水相比，添加空气UFB的水中水培白菜在四周内的生长显着促进。Park&Kurata报道说，在一家生菜工厂中，添加UFB的水产生的生菜生长量是对照组的两倍。此后不久，Ushikubo等人观察到，加入氧(O2)-超滤细胞质流的水可以提高胚芽鞘细胞的生长速率。最近，刘等发现，加入O2-UFB的水能显著提高大麦种子的发芽率。这些研究表明，添加UFB的水可以促进植物的生长。根据这些结果，我们进行了实验，以确定UFB添加水是否有效地促进小番茄在植物工厂的生长。

 

然而，在实验室研究UFB的物理性质和在实际系统中使用UFB之间存在着知识差距。在纯水中，通常用粒子跟踪分析法或动态光散射分析法来观察超四氟乙烷，但由于这两种方法都无法区分气泡和杂质颗粒，因此在实际的溶液系统中还没有使用超四氟乙烷的观察结果。当加入超滤的水应用于实际的系统(例如植物工厂)时，用于植物的水溶液(或营养液)含有各种杂质。由于我们无法分辨这种含有杂质的水溶液中是否含有不饱和脂肪酸，因此厂房溶液中是否含有不饱和脂肪酸仍有待证实。

 

适用于该系统的唯一测量方法是应用于溶液的冻结-断裂复制方法。这种方法包括将溶液在液氮温度下淬火，从而将UFBs等溶质固定在冰基质中，然后在真空条件下创建一个在低温下断裂的截面的复制品。然后，用透射电镜(TEM)观察复制品的透射电子显微镜。这种方法已被用来演示用UFBs净化废水的过程[6]。这一观察结果还表明，在工业UFB产生之后，有足够数量的UFB，这种方法是有用的。

 

在这项研究中，我们调查了在JNC公司的植物工厂所使用的营养液中UfBs的分布情况。在这里，迷地番茄生长在泥炭苔藓上，加入UFB的溶液滴在上面。与水培不同的是，植物工厂的营养液是非循环的，这使得确认所提供的溶液中是否存在UFBs变得更加困难。为了检验UFB，我们从添加UFB的营养液的供应箱(初始状态)、供应管道(输送状态)和供应到植物体(近植物状态)后靠近根部的水坑中抽取溶液样本。冷冻透射电子显微镜TEM观察揭示了UFB在各溶液样品中的分布和状态。然后，我们证实UFB充分供应到植物根部附近。最后，我们研究了近植物条件下UFB的尺寸分布和形状特征，并讨论了这些因素对植物生长的影响。

 

UFB的复制品中，我们发现在每一个复制薄膜中都有直径几百纳米的球形或椭圆形孔。例如，图1显示了在七个溶液样品中观察到的典型UFB的TEM图像，包括来自添加了UFB的溶液(I)和没有添加UFB的对照溶液(II)的样品。缓冲池中的样品以I-BT和II-BT为初始条件，灌溉管道中的样品以I-P和II-P为输送条件，靠近根部的水坑中的样品以I-R和II-R为近植物条件。用于制备UFB溶液的自来水样品称为I-W，也称为初始条件。我们发现在每个溶液样品中都存在足够的UFBs，其数量浓度至少为106mL-1，可以用冻结-断裂复制法测定尺寸分布。

 

图1。每种解决方案中UFB的典型TEM图像。(a)I-W，(b)I-BT和(c)II-BT作为初始条件，(d)I-P和(e)II-P作为运输条件，(f)I-R和(g)II-R作为近厂条件。每个符号显示如下:I=用UFB发生器准备，II=控制水无UFB发生器。其他符号表示位置:BT=缓冲池;P=灌溉管道;R=根际。I-W是进入UFB发电机之前的自来水。(h)I-R溶液中积累了大量杂质的一种独特的UFB。(i)在II-R溶液中独立于UFBs观察到的杂质质量。每个比例显示100纳米，除了在(g-i)，其中显示500纳米。

 

除了纯水的情况下，图像显示一个薄层，约10纳米厚的大多数样品，在UFB表面(例如，图1b)。这一层非常类似于分散在废水中的UFBs或者在NaCl溶液中观察到的UFBs。因此，我们认为这一薄层是杂质的集中层，可能来自营养液中的溶质。

 

在根际I-R和II-R样品中，这种“杂质层”的厚度通常要大得多(如图1f)。在这样的UFB中，杂质团有时会聚集在表面的岛屿上(图1h)。此外，图1i显示杂质质量也可以发生在远离UFB的地方。关于这些杂质块和UFB之间的区别，我们使用铂沉积时的阴影方向来检查物体的粗糙度(凹或凸)。由于“杂质层”和杂质沉积物在泥炭藓下面较厚(即在I-R样品中)，我们认为图1h所示的厚层可能是UFB穿过土壤时形成的。

 

我们利用透射电镜观察植物工厂的冷冻断裂复制品，测量UFB在添加UFB的营养液中的分布。在营养液中，UFBs的平均数密度为4×108/mL，直径约为300nm。在控制溶液中也测量了UFB，这种溶液是用自来水制成的，没有UFB发生器，发现UFB的数量约占总数的一半。

 

加入营养液后，UFBs的总数通过供应线保持到根系附近。此外，在UFB表面形成了一层积累的杂质，并在穿过泥炭藓后增厚。在这一供给过程中，直径小于或等于200nm的UFB数量略有减少，而直径在300nm到1μm之间的UFB数量则有所增加。总的来说，平均直径增加了大约1.5倍。这一发现表明，在研究UFB如何影响植物体时，应考虑改变的UFB特性，如表面杂质的积累及其尺寸分布。

 

1.Uchida, T.; Nishikawa, H.; Sakurai, N.; Asano, M.; Noda, N. Ultra-Fine Bubble Distributions in a Plant Factory Observed by Transmission Electron Microscope with a Freeze-Fracture Replica Technique. Nanomaterials 2018, 8, 152. https://doi.org/10.3390/nano8030152.

 

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