农用微生物菌剂剂型及制备技术

    生物菌剂是一种生态友好型微生物，其产品种类繁多，通常用于提高土壤的潜力、并为寄主植物提供养分需求。化肥的使用对土壤微生物群落影响很大，不利于土壤微生物群落的形成。化肥的毒性降低了土壤肥力，导致微生物破坏。生物菌剂作为植物生长调节剂在提高作物产量方面发挥着重要作用，在不利条件下保护土壤，对生产者和消费者都有经济效益。PGPR生物菌剂的的使用成功地维持了农业产量的生产，这种配方产品含有活微生物细胞，有助于种子处理，并通过低成本工艺提高养分动员和利用。本文主要介绍了生物接种剂/菌剂的最新研究进展，如代谢物制剂、液体制剂、固体载体制剂和合成聚合物制剂。本文还对微生物菌剂的接种效率及其适宜的配方、生产和贮存条件等方面进行了综述。

概述

    生物菌剂是利用微生物促进植物生长发育的有益土壤改良剂。它们含有固氮、氰化氢和产铁载体微生物的休眠或活细胞。土壤微生物与高等植物根系之间的相互作用通过将不可利用的营养元素转化为有效的形式，在植物的发育和生长中起着重要的作用。生物菌剂也有助于种子处理，在种子表面形成一层均匀的接种剂涂层，进行生物修复，并诱导系统获得性抗性。一些促进植物生长的微生物菌株，如固氮螺菌、根瘤菌、芽孢杆菌、假单胞菌、菌根菌、木霉和酵母等已被鉴定和制备为生物菌剂。植物以各种方式从微生物中获益：1）植物生长促进根际细菌（PGPR）作为生物菌剂；2）通过直接促进植物生长的植物刺激（由固氮螺菌等微生物表达的植物激素）；3）作为生物防治剂，也可用于植物修复过程（如蜡样芽孢杆菌、木霉菌和假单胞菌），保护植物免受有害生物和重金属的侵害。

    对于它们的制剂，使用了许多最新的方法，例如代谢物制剂、液体制剂、固体载体制剂和合成聚合物制剂。许多研究报告说，不同微生物群体的聚集形成可以有效地用于开发各种农业实践应用的菌剂配方。微生物细胞的聚集是由营养限制条件和各种物理化学因素引起的。对于生物菌剂的制备，主要采用补料分批培养技术，在这种培养中，大多数采用高密度培养。微生物菌剂也可作为生物肥料使用，如使用液体或固体基营养培养基。

改善生物菌剂剂型的现代技术

    生物杀菌剂制剂是所选有益菌株与合适载体的均匀混合物，该载体可以在运输和储存期间提供稳定和保护菌株。载体是潜在的活微生物的载体，可为微生物群落提供保护和支持性生态位。良好的生物制剂应该是有效、无污染、易于生物降解的，具有高保水能力和足够的保存期限。配制过程提高了生物肥料的效率和保质期。有时，制剂中含有一些具有所需微生物的细胞保护剂，这些微生物可在不利条件下延长孢子的货架寿命。根据其效率和存活率形成不同类型的制剂。

固体制剂

    在该制备中，有益菌株与固体载体混合。它用于将菌株从实验室运送到田间。该配方主要使用泥炭、粉末和颗粒。它为形成微生物菌落的微生物提供了保护性和营养性的环境。泥炭应具有适应性，易于灭菌，无毒且具有高保水能力。泥炭干燥后，将其通过250 µm筛网并以适当的应变混合。对于细菌繁殖，将泥炭在特定温度下孵育，此步骤称为固化。对于外生菌根和AMF（丛枝菌根真菌）接种剂，主要使用泥炭。在葡萄糖培养基上，外生菌根可以快速生长并产生孢子体，该孢子体可用于野外接种。为防止污染物和病原体的生长，使用纯菌丝体培养液作为配方，使用10％至15％的泥炭和蛭石作为载体并添加葡萄糖和矿质盐。这种类型的制剂通过产生富里酸来增加螯合过程。播种前，将接种过的泥炭施用到种子表面，并借助机器即完成该过程，搅拌机、机械翻滚机等。使用泥炭的主要缺点是其组成和质量易变。有时在灭菌过程中，有毒化合物也会从泥炭中释放出来，这会影响微生物的存活率和生长。近来，已经使用颗粒代替泥炭，因为颗粒比泥炭具有一些优点。颗粒与泥炭一样，被微生物的活细胞覆盖，由方解石、大理石和硅石制成。颗粒要好得多，并且比泥炭有很多优点。

液体制剂

    液体制剂含有有益微生物能够通过生物活性溶解、固定或调动必要的植物营养素。液体配方中使用了溶钾微生物、溶磷微生物、固氮微生物（NFM）和许多其他微生物群。近年来，研究者们致力于利用锰、硫、锌等微生物的活性来动员和溶解微量元素。与传统的载体基配方相比，液体配方是最新和最有前途的技术，因为它具有良好的效果。基于载体的配方具有较短的货架期，即2-3个月，并且不能在整个作物周期中保留。为了克服这一问题，使用液体配方，使设备在整个作物周期中延长所选菌株的存活率。使用该配方的另一个优点是载体生物接种剂无法耐受的温度和应力耐受性。在该配方中，可以进行适当的灭菌，从而控制污染，但不可能进行批量灭菌。它通过在更长的时间内保持高水分能力来提高菌株的生存能力和存活率。它含有一种理想的菌株和一些保护剂，可以在压力条件下将保质期延长至19-25个月。固氮螺菌是一种植物生长促进根际细菌，自由生活、微需氧，主要用于液体制剂生产。与固氮螺菌一起使用的还有属于假单胞菌属、芽孢杆菌属、青霉属和曲霉属的其他溶磷菌。据报道，用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、甘油和海藻糖改性固氮螺菌，在无氮溴百里酚蓝肉汤中可保存108个细胞/ml，最长可保存8～10个月。据报道，由于PVP具有很高的保水能力，它能在有毒和胁迫条件下保护微生物。将内孢子（log108.21，CFU/ml）与葡萄糖、PVP和甘油一起使用，最多可储存4-6个月，可作为液体配方工艺。与未添加PVP的固氮螺菌相比，添加PVP的偶氮螺菌具有更长的货架期。PVP补充剂报告了更大的微生物群，即（108 CFU/ml）。本配方使用海藻糖（16 mM）中的偶氮螺菌（1.66×108 CFU/ml）和PVP（3.66×108cfu/ml）中的溶磷菌株（3.66×108cfu/ml）。因此，可以得出结论，PVP（3%）和三卤代糖（16mm）都是非常合适的生物菌剂，可分别提高PSB（溶磷细菌）和固氮螺菌的货架期，室温下微生物数量最高（108 CFU/ml）。

代谢物制剂

    为了克服基于细胞的制剂的缺点，最近开发了代谢物生物制剂。代谢物配方中包含的微生物代谢物有助于提供生物调节剂、必需营养物质并拮抗植物病原菌，属于中生根瘤菌属、根瘤菌属、假单胞菌属、木霉属和某些菌根真菌菌株往往制成代谢物制剂。根瘤菌菌株的类黄酮生物分子在胁迫条件下增加了固氮和结瘤作用。与豆科寄主植物相关的根瘤菌分泌脂化几丁壳寡糖（lipochitooligosachharide）生物分子，有助于根瘤菌缺乏地区的共生。对于非豆科和豆科作物的产量，通过脂质壳寡糖启动和类黄酮，诺维信公司已用来显著提高产量。像结瘤因子一样，菌根真菌也会释放Myc因子，有助于共生并激活信号转导途径。最近，已经开发出由植物生长细菌如假单胞菌和根瘤菌释放的胞外多糖（EPS）在有毒和逆境条件下可增强根部定植、生物膜形成和结瘤的产品。根瘤菌释放的胞外多糖在微生物保护中起着至关重要的作用。带有EPS的生物制剂补充剂有助于保护菌株免受渗透性休克、极端pH、辐射、干燥、捕食者和有毒物质的侵害。已经研究了诸如色氨酸的前体的补充增加了IAA的产生并增加了谷物产量，植物生物量和根毛的形成。PGPR菌补充主要代谢产物的L-蛋氨酸（乙烯的前体）进行了改良，从而导致生长增加。据报道，营养物质例如淀粉废水、氨基酸和糖蜜被用作有用的改良剂。这些改进可以延长在恶劣土壤环境中有益菌株的保质期和生存能力。PSB（磷酸盐增溶细菌）还释放生物表面活性剂，例如抗微生物剂、乳化剂、湿润剂、抗病毒和杀虫活性。液体生物絮凝剂中的生物表面活性剂主要用于植物地上部分的喷雾过程。吸引剂和吞噬刺激剂如信息素、谷氨酸盐、蔗糖和液体生物素能分泌糖蜜会吸引植物病原体并杀死它们。荧光假单胞菌之类的菌株会产生抗微生物药，例如吡咯硝菌素、迷迭香、omission A和二乙酰基间苯三酚。芽孢杆菌和假单胞菌产生的次生代谢产物显示出许多抗植物病原活性。使用这种代谢物制剂的主要缺点是成本高且大规模生产。未来的代谢物配方还可以结合使用促进植物生长的菌株，具有增强微生物活性的添加剂和载体。在该制剂中，初级和次级代谢产物也以引诱剂、佐剂和刺激剂的形式存在。

聚合物制剂

    对于聚合物制剂，主要使用藻酸盐。它是一种天然的聚合物质，由L-葡萄糖醛酸和D-甘露糖醛酸组成，它们来源于褐藻（Macrocystis pyrifera）。马尾藻Sargassum sinicola（大型藻macroalga）也产生。近年来，细菌菌株如固氮菌和假单胞菌等被采用这种类型的制剂。藻酸盐珠有两种类型，即直径2–3 mm和50–200 µm的微珠和大珠，可以捕获109–110 CFUg-1（每克菌落形成单位）。该制剂增加了菌类培养的稳定性、细菌趋化性以及宿主细胞中的质粒。近来，开发了许多用于在凝胶基质中包埋潜在细胞的聚合物制剂的技术。凝胶基质具有在生物和非生物胁迫条件下延长菌株保质期的能力。如今，在封装过程中，还使用了营养添加剂，可在厌氧和有氧条件下提供良好的生长。首先，该技术在配制过程中用于荧光假单胞菌、曲霉（丝状真菌）等。据报道，在甘油存在下，添加有用的营养物质例如脱脂牛奶可以提高菌株的生存力。据评估，几丁质填充的珠粒比淀粉填充的包封细胞更具有多孔性。最近，已证明，藻酸甘油酯珠在紫外线辐射下具有更好的存活率。有人提出，使用大豆油和藻酸盐储存10周后，可以提高苜蓿中华根瘤菌的生长和细胞活力。在室温下，藻酸盐珠的形成是一个多步骤且复杂的过程。据报道，藻酸盐本质上是无毒的，可生物降解，并逐渐在田间释放。

展望：了解所有制剂技术的影响及其挑战

    如上所述，由于其更有价值和有益的作用，与常规制剂相比，液体生物制剂技术是最有前途和最新的技术。其它类型制剂的保质期很短，即4-5个月。为了克服这个至关重要的问题，液体制剂技术是最好的生物制剂方法，因为它可以延长农作物周期中所选菌株的存活率。使用这种制剂的另一个优点是基于载体的生物接种剂避免承受温度和斜坡的耐受性。除此之外，在生物菌剂的使用过程中还面临许多挑战。在发展中国家，大量微生物菌剂有效地用于农业。一直以来，化肥在发达国家并不昂贵，因此对于有机农业而言，生物菌剂的使用成本不高。与合成肥料相比，由于具有生态友好的性质，微生物生态可提高土壤肥力，减轻非生物胁迫并具有多种优势。此外，微生物产品的注册过程也面临着巨大的挑战。在欧洲国家，对生物接种剂或生物肥料有一些限制。生物灭活剂的广泛的商业化取决于各种因素，例如良好的研究（使用最佳菌株进行配制），农民的技能（活菌制剂）和市场（可持续的和经济的市场以及大规模的生产）。