小蓝藻大能量，探索蓝藻在可持续农业中的应用及挑战

日期:08-14-2023

世界农化网中文网报道： 蓝藻是一类光合细菌，可以在土壤、水和岩石等各种环境中生存。经过处理，它们可以促进作物生长，包括帮助控制植物病害、减少害虫损害、提高作物质量和增加作物产量等。

01 蓝藻的作用方式

蓝藻可以通过氮固定、生物肥料、生物刺激、生物防控等作用方式影响作物生长。

氮固定

蓝藻可以通过使用一种叫做固氮酶的特殊酶将大气中的氮固定成植物可利用的氨。每公顷蓝藻每年可以固定高达30公斤的氮。它们还可以通过溶解土壤中的不溶性磷酸盐来增加磷的有效性，这个过程被称为生物固氮（BNF），发生在特殊的异型胞中，其中氧气被厚厚的细胞壁排除，氮酶被保护免受氧气抑制。BNF为水稻和小麦作物提供高达50%的氮需求，为农民节省成本资源，并减少合成氮肥的温室气体排放。

生物肥料

蓝藻具有增强土壤肥力、提高作物生产力、降低化肥环境污染等优势，因此，蓝藻被广泛应用于不同作物的生物肥料中。目前，已经有研究证明了在不同条件下蓝藻作为生物肥料对不同作物的有效性，如可以帮助水稻增产增值10%-40%。其次，蓝藻可以分泌多糖、有机酸和酶，能有效改善土壤结构、孔隙度、保水性和通气性。同时，蓝藻可以通过与其他微生物建立共生或关联关系，增加土壤微生物的多样性和活性。

生物刺激

生物刺激是通过采用可促进微生物繁殖与生长的手段,来增加本土微生物活动从而增强土壤对污染物降解能力的一种技术。蓝藻（蓝绿藻）可以产生氧气和有机化合物，从而刺激其他降解细菌的生长和活性；蓝藻还可以直接降解农药和除草剂等污染物，并将其用作碳和氮的来源。因此通过将蓝藻应用为生物肥料、生物接种剂或生物保护剂可以实现生物刺激技术手段。

蓝藻在生物刺激方面仍存在一些局限性和挑战，如蓝藻会与其他细菌竞争养分和空间，并可能产生有毒物质。蓝藻通过直接和间接影响植物生理和新陈代谢，其实现生物刺激的机制是复杂多样的。

但是蓝藻是重要的生物刺激剂，它会产生植物激素、抗氧化剂、铁载体、类胡萝卜素、类黄酮、酚类、生育酚和谷胱甘肽等成分。这些植物激素可以调节植物的生长和发育，如细胞分裂与伸长、组织与器官分化、开花与结实、成熟与衰老、休眠和萌发以及应激反应；铁载体是一种螯合铁，用于摄取铁元素的低分子量化合物合成细胞色素和酶类，可以增强植物营养，预防铁缺乏或中毒；蓝藻产生的类胡萝卜素、类黄酮、酚类、生育酚和谷胱甘肽可以形成防御活性氧、自由基毒害的保护机制，保护植物免受干旱、盐度、极端温度、紫外辐射或重金属毒害等环境因素引起的氧化应激。蓝藻还可以通过激活各种生理、生化和分子机制，提高植物对干旱、盐度、寒冷、高温和养分缺乏等非生物胁迫的耐受能力。

生物防控

生物防控是利用活性生物体来抑制有害生物（如病原体和害虫）的数量或活动，以保护作物并增强植物健康，包括以虫冶虫、以菌治虫、以鸟治虫、以菌治病、对植物动物微生物等代谢产物的开发利用以及营养生防等技术手段。

蓝藻是光合细菌，具有多种生物防控应用：

1）通过提供营养物质、增加水分和改善土壤质量产生细胞外多糖；

2）通过生物降解或生物吸附从土壤或水中去除污染物，从而提高植物对非生物胁迫的耐受性；

3）通过产生多种具有抗微生物、抗真菌、抗病毒、抗原虫、抗增殖和抗癌活性的生物活性化合物，减少植物的生物胁迫；

4）蓝藻可以释放酶、分解病原体的细胞壁或菌丝，与病原体和害虫竞争根际空间和养分，并通过与植物根部的互动来激活植物的防御反应。ISR是一种植物防御机制，它能增强整个植株对广谱病原体或害虫的抗性，而蓝藻与植物病原体或害虫之间没有直接接触。

02 蓝藻在可持续农业生产中的应用

根据作物类型、气候条件和资源可用性，蓝藻可以通过各种方式应用于作物和土壤中，应用方法包括接种、生物肥料、生物膜及生物刺激剂：

1）接种方式包括将蓝藻直接引入土壤或植物根部，或在种植前向种子或幼苗中注入蓝藻培养物；

2）生物肥料是一种含有活体或休眠蓝藻细胞的添加剂产品，包括Nostoc、Anabaena、Aphanizomenon、Oscillatoria、Calothrix、Gloeotrichia和Tolypothrix等多种蓝藻菌株和物种已被用作生物肥料；

3）生物膜是一层薄薄的蓝藻，覆盖土壤表面，防止水分流失和侵蚀；

4）生物刺激剂是通过将蓝藻添加到作物和土壤中而来，如将蓝藻作为绿肥或覆盖物，或将蓝藻与其他有益微生物结合使用。

03 蓝藻与化肥的对比

化学肥料是石油基物质，虽然能为植物提供氮、磷和钾等必需元素，但也可能对环境和土壤质量产生负面影响；而蓝藻生物肥料的生产过程不需要化石燃料或工业技术手段。因此，相比化学肥料，蓝藻在作物生长、土壤肥力、非生物和生物胁迫耐受性以及环境可持续性方面更具优势，也更具经济性和可持续性。

蓝藻可以通过为植物增加氮、磷等营养物质促进作物生长，而化学肥料只能向植物提供有限的营养成分，如果使用不当可能会导致营养失衡或缺乏。蓝藻可以通过改善土壤的物理、化学和生物特性来提高土壤肥力，化学肥料通过改变这些性质反而可能会降低土壤肥力。

基于蓝藻的生物肥料比化学肥料成本低1/3，然而蓝藻养殖也会存在一些局限性和挑战性，如潜在的污染、可扩展性和监管等。因此在可持续农业发展过程中，应综合考虑蓝藻和化肥的利弊。

04 蓝藻在可持续农业生产中的挑战

蓝藻在农业生产中存在着一些挑战和局限性，如为不同作物和环境选择合适的菌株、优化培养和应用方法、评估蓝藻生物刺激对植物土壤和人类健康的长期影响和安全性、对蓝藻产品和实践进行监管和标准化，以及农民和消费者对蓝藻的优点和安全性缺乏认知和接受度。

为了优化蓝藻在农业领域的生产、应用和性能，需要进行更多的研究和开发，包括对蓝藻进行基因工程技术以提高氮固定和抗逆性、开发新型蓝藻配方和信息传导系统、评估蓝藻对作物生理和产量的影响，以及评估蓝藻对环境和社会经济的影响。

05 结语

蓝藻是多功能微生物，可以通过多种方式改善作物生长。蓝藻具有可持续性、生物降解性、环保性和成本效益，可以减少土壤和水污染，改善土壤结构和肥力，提高作物产量和质量，保护植物免受害虫和疾病侵害。蓝藻还为植物提供氮、营养物质、有机物、生长调节物质和生物防治剂，增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力和适应性。由于蓝藻对土壤肥力和植物生长具有多重有益影响，它们还是各种作物的生物肥料的优选者。

尽管蓝藻在应用方面存在一些挑战，但它们已在诸多农业系统中取得成果，如水稻、小麦、玉米、甘蔗、棉花、蔬菜、水果和花卉等。未来在全球粮食安全以及农业环境可持续等方面蓝藻也将发挥巨大的发展潜力。

关于作者

Randy Simpson博士为德克萨斯大学机械工程学学士，乔治亚理工学院环境工程学硕士，爱荷华大学卡弗医学院微生物学博士。在生物技术头部公司拥有超过15年的工艺和技术开发经验，并专注于发酵、酶生物催化以及实验室、中试规模和商业规模的下游回收及纯化工艺开发。目前在Lee Enterprises Consulting担任项目总监，负责发酵、酶工程、生物催化、生物燃料、替代蛋白、废水处理、沼气燃料、技术转移和规模化发展等工作。

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