近年，氢气的生物医学效应得到越来越多领域学者的关注。但其在水中溶解度较低，作用时间短，也限制了其应用。纳米气泡具有较大的表面积、高内压和带负电荷的表面，可加速气体在液体中的溶解，并增强长时间的稳定性，因此该技术为氢分子的应用奠定了基础和条件。
 

    北京航空航天大学柳姝副教授团队以单细胞嗜热四膜虫为模式生物，以铜离子为代表性环境污染物，探究了纳米气泡形态下，氢分子对不同种类活性氧的去除效果并明确具体的化学反应路径。并进一步探究对内源性抗氧化酶活性和相关基因表达的影响，分析了其在氧化应激不同阶段中的作用机制。

    结果表明，氢气纳米气泡提高了对不同活性氧的去除能力，分别以摩尔比为8:1，240:1和267:1的比例去除H₂O₂，O₂^•−和•OH（图1）。然而，氢气的选择性抗氧化理论认为氢分子不能直接去除H₂O₂和O₂^•−，这一结果差异可能是由于氢气纳米气泡中氢自由基的存在造成的。纳米气泡内部为高压极端环境，其密度高出空气密度的几十倍以上，压力在120 psi至240 psi的范围内，纳米气泡内部的氢和氧甚至能够相互反应，因此，推测纳米气泡内部的氢分子具有更高的活性。

图1 氢气纳米气泡水对外源性H₂O₂ (a)，O₂^•− (b)和•OH (c)的去除作用

    进一步通过将氢自由基（•H）转化为羟基自由基（•OH）和过氧化氢（H₂O₂）的间接方式，验证了氢气纳米气泡水中氢自由基的存在（图2）。氢自由基一方面降低了氢气与自由基反应的能垒，另一方面提高了氢气与自由基反应的速率常数，因此使其去除不同种类的活性氧（H₂O₂，O₂^•−和•OH）成为可能。

图2 氢气纳米气泡水中氢自由基存在的验证

    氢气纳米气泡除了与自由基发生直接的化学反应外，还可能对内源性抗氧化防御系统产生影响。连续暴露24 h，氢气纳米气泡水显著提高了超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）的酶比活性和相关的基因表达。基于上述结果，本研究将铜诱导的氧化应激过程分为两个阶段：氧化防御阶段（0~6 h）和氧化抑制阶段（6~24 h）（图3）。在氧化防御阶段，氢气纳米气泡除了直接去除活性氧以外，还通过提高GSH-Px活性及相关基因的表达来提高抗氧化能力，从而间接去除活性氧。在氧化抑制阶段，氢气纳米气泡主要通过提高SOD和GSH-Px的活性和相应基因的表达发挥抗氧化作用。

图3 氢气纳米气泡水在氧化应激不同阶段中的作用机制

作者介绍                                                            

第一作者：张优，北京航空航天大学空间与环境学院，博士在读。研究方向为氢气纳米气泡水缓解铜对水生生物氧化胁迫的机制研究。

通讯作者：柳姝，博士，副教授，博士生导师，北京航空航天大学空间与环境学院。主要从事微纳米气泡技术，水处理技术以及生态毒理方向的研究。作为负责人承担国家自然科学基金青年基金和面上基金、2017年获批北航拔尖人才支持计划。在Environmental Science & Technology、Water Research等国际学术期刊发表论文四十余篇。

    原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.2c03707

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温馨提示：根据《食品药品监督管理条例》，氢气不能替代药物治疗。