用于生物防治配方的多用途木质素生物聚合物助剂

日期:05-16-2024

Sumit Ganguly, PhD

鲍利葛研究员

 

介绍

全球农用化学品市场正逐步转向更可持续、更绿色的产品，以取代合成产品。在作物保护领域，人们对使用生物物质作为活性成分进行配制的兴趣与日俱增。预计到2030年，全球生物制剂市场收入将达到250亿美元；到2029年，全球生物防治市场收入可能超过150亿美元（资料来源：DunhamTrimmer）。使用生物物质的主要动机之一是其对环境友好无害；同时，它们经济高效、使用安全，施用后可控制大面积作物。生物防治市场可分为三个子类别：1）大生物体（昆虫、螨虫等）；2）生化物质（植物提取物、有机酸等）；3）微生物（细菌、真菌、病毒等）。配制微生物制剂的挑战在于保持施用后的功效，首先，微生物必须与助剂兼容，此外，紫外线辐射等其他应激因素也会起到重要作用。因此，需要特别注意合适助剂的选择，这样才能获得稳定的配方产品。

鲍利葛以木质素为基础的生物聚合物可作为化石类助剂的可持续替代品。木质素生物聚合物是稳固的生物基分散剂，与各种生物具有优良的兼容性。此外，鲍利葛的独特产品Activance UV可作为保护微生物免受有害紫外线伤害的保护剂。

 

可持续性

鲍利葛生产的可持续木质素生物聚合物来自可再生的非农业生物质资源。通过生命周期分析，我们发现与合成替代品相比，我们的产品可减少70%的CO₂ 排放，具有显著的环保优势。此外，我们的木质素生物聚合物在其整个使用寿命期间都能保持CO₂ 负足迹。

图1: 鲍利葛木质素生物聚合物与合成分散剂（聚羧酸盐）的生命周期分析

 

微生物兼容性

保持微生物活性无疑是任何生物制剂中最具挑战性的。为了保持施用后的保质期和功效，配方中使用的助剂必须与微生物兼容。

鲍利葛的木质素生物聚合物针对四种不同的微生物进行了测试：两种细菌，苏云金芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）和荧光假单胞菌（革兰氏阴性菌）；真菌，球孢白僵菌和金龟子绿僵菌。为了进行定性筛选，进行了盘扩散试验，将浸泡在10%（重量比）木质素生物聚合物溶液中的滤纸盘放入含有适当稀释的微生物悬浮液的琼脂平板中。表1列出了一些木质素生物聚合物 (BP 2-4) 的兼容性测试结果，包括了具有不同pH值、分子量和磺化度的产品 Activance UV。

表1: 与鲍利葛木质素生物聚合物的微生物兼容性测试结果

图2举例说明了在三种鲍利葛木质素生物聚合物（BP 1-3）和四种等效竞争产品（CP 1-4）存在的情况下，苏云金芽孢杆菌在营养琼脂平板上的生长情况。细菌在浸泡了鲍利葛木质素生物聚合物的滤纸盘周围生长，周围未观察到抑制区，而所有竞争产品周围都观察到明显的抑制圈。这清楚表明木质素生物聚合物的微生物兼容性优于同类竞争产品（CP 1-4）。

图2: 细菌（苏云金芽孢杆菌）与鲍利葛木质素生物聚合物的兼容性测试 – 与竞争对手产品相比，鲍利葛的产品没有观察到抑制作用

为了进一步证实微生物兼容性，我们进行了一项定量研究，将苏云金芽孢杆菌（Bt）培养到静止期，然后与Activance UV一起培养；随后对细菌悬浮液的活性进行评估。

如图3所示，Bt 和Activance UV 混合24小时后，其活性与对照组（添加了0%的Activance UV ）相当，表明了Activance UV 混合后活性没有下降。这证明了Activance UV 与细菌高度兼容。

图3: Bt与Activance UV混合24小时后进行的活性检测

 

防紫外线

对于任何生物制剂来说，最大的挑战之一就是在施用后如何保持活性成分的功效不受紫外线辐射或高温等外部应激因素的影响。鲍利葛木质素生物聚合物由于其独特的化学结构，可以吸收紫外线辐射，从而为微生物提供紫外线保护。鲍利葛的独特产品Activance UV在极宽的波长范围内具有很高的紫外线吸收潜能（图4），是生物制剂配方中紫外线保护剂的理想候选产品。

 

图4: Activance UV和合成苯并三唑的紫外线吸收光谱

为了验证这一假设，在人工阳光模拟室ATLAS SUNTEST XLS+ （图5） 中测试了与Activance UV 混合的苏云金芽孢杆菌。将Bt悬浮液置于辐照度值为27 W/m2 的模拟阳光下4个小时（波长300-400纳米），然后进行活性检测。

 

图5: 本研究使用的太阳模拟室The ATLAS SUNTEST XLS+

 

从图6中可以看出，预混合了Activance UV的细菌在紫外线照射后出现了生长，而对照组（未混合Activance UV）则没有观察到生长。这表明Activance UV可以帮助细菌抵御有害的紫外线辐射，从而保持存活，而在没有Activance UV的情况下，细菌在阳光照射下完全降解。因此，可以确定的是，Activance UV可以为微生物提供紫外线保护，从而在生物制剂配方中发挥重要作用。

图6: 紫外线照射后琼脂平板上的细菌悬浮液—有Activance UV （左）和无Activance UV（右）

配方实例

鲍利葛木质素生物聚合物是生物制剂配方中生物基分散剂的绝佳选择，可提高微生物孢子在施用过程中的悬浮能力。此外，由于具有微生物兼容性，木质素生物聚合物还能在储存期间为微生物物种提供额外的稳定性。以下几个例子展示了在配制生物活性物质时加入鲍利葛木质素生物聚合物的优势。

1. 在低温条件下（入口/出口=60/30 ºC），尝试了真菌球孢白僵菌和木质素生物聚合物的可湿性粉剂配方；配方见图7。配制的产品显示出良好的分生孢子分散性；干燥后真菌孢子的活性也得以保持。

图7: 可湿性粉剂配方（左）, 干燥前后的真菌琼脂平板（中）和可持续性数据（右）

 

2. 使用了流化床工艺制备了以多肽、微生物和Activance UV为粘合剂的颗粒产品，配方见图8。制得的颗粒在水中具有很高的悬浮性（85%）

 

图8: 制剂配方（左），颗粒粉末（中）和分散在水中的颗粒粉末（右）

 

3. 此外，含有Bt 和Activance UV的可湿性制剂配方展示了对细菌孢子具有极佳的分散性，Activance UV被证明具有紫外线防护功能。

 

图9: 紫外线照射配制Bt后的活性检测（上图），以及Bt孢子在有和没有Activance UV情况下的分散性

结论

鲍利葛木质素生物聚合物可用作多种生物防治配方的多用途助剂。除了分散和粘结能力外，木质素生物聚合物还具有出色的微生物兼容性，独特的Activance UV产品可为微生物活性提供紫外线保护。此外，鲍利葛木质素生物聚合物100%源自自然资源，已被列入OMRI名单，并获准用于有机农业。

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