奥地利Evologic的制剂技术开启全新农用微生物产品开发之门

日期:05-31-2024

 

Alejandro del Barrio

Evologic Technologies公司首席科学家  

 

农业微生物产品的主要优点之一是其在环境中较低的持久性，这最大限度减少了作物上的残留物和对非靶标生物的负面影响。但是，这个优势同时也是它的最大弱点，即，在功效和稳定性方面，它给产品开发带来巨大挑战^[1]。在基于活体微生物的产品中，活细胞的减少导致产品功效损失，产生供应链和商业风险，以及资源效率及食品安全方面的影响。

可以假设的是，微生物产品的田间性能，在不同土壤、作物和气候环境中大不一样，但针对时间推移对其稳定性的影响，以及产品与其他农业投入品的相容性，所做的研究又有多少呢^[2]。所有这些都和配方开发有关，并对配方设计产生局限，带来挑战，即，在生产和应用过程中如何保证微生物的稳定、功效和产品质量。

制剂开发方案

 

农业投入品市场中最成功的微生物产品是单一革兰氏阳性细菌 - 苏云金杆菌产品。基于苏云金杆菌的产品约占生物农药市场95%^[3]，其2024-2032年预期复合年增长率为6.4% ^[4]。从混配角度来看，这可能不足为奇，因为苏云金杆菌是一种高稳定生物体，对各种压力源均耐受。革兰氏阴性菌和真菌混配，开发设计要求更高，因为苏云金杆菌细胞结构非常敏感。这类微生物的配方知识和能力欠缺，生产成本高，极大地限制了新型微生物产品的开发与应用。

Evologic意识到这个问题，所以创建了BioShield^® ，这是个平台技术，它可以经济地稳定胶囊中的微生物，在技术上满足行业和农民需求要求。

BioShield^® – 微生物制剂开发新方法

 

传统农业微生物制剂 - 固体和液体制剂，在维持微生物细胞稳定和活力方面，面临重大挑战 ^[2,5]。微生物可以被封装于天然生物聚合物中，在胶囊内形成防护环境，保护微生物细胞，使其免受压力影响。从制造过程到现场应用各个步骤，微生物细胞都会得到保护。

大多数封装始于微生物生物反应器发酵，这是个关键步骤，在定制代谢情况下，它会产生较高细胞密度，这是后续工序所需要的。发酵后的微生物与安全、完全可降解的生物聚合物混合，会产生可封装的液体，形成液滴并聚合，最后形成含微生物的水凝胶胶囊 ^[6]（见图1）。胶囊最终进行干燥，继续用于后续工艺。胶囊内的保护性微环境可延长产品保质期，它会逐步释放微生物，延长施用后的持久性。

 

图 1：离子凝聚法封装

摘自Vemmer et al. （2013） ^[6]

高昂的产品成本，一直阻碍着这项前景技术用于商业化生产，而BioShield^® 解决了这个问题。BioShield^®可集成上游工序，定制生长介质，优化干燥工艺，实现高通量，以具有成本竞争力的方式，生产出所需代谢和细胞密度的微生物。

优化的上游发酵和定制的干燥程序，使微生物能够适应压力，触发细胞生理调节，适应感知的环境压力。因此，微生物细胞更耐干燥、更稳定、保质期更长，并在应用中表现出一致的效果。

稳定性和保质期得以提高的主要好处是，活体微生物细胞密度更高，施用量更小，从而降低成本，同时不影响施用质量。

 

应用兼容性 – 定制胶囊尺寸

 

封装的最后一关是，如何生产与农业应用工艺相容的胶囊，其中最常见的方法是采用各种喷施技术。胶囊尺寸必须很小，以便轻松穿过狭小的喷嘴，因为大颗粒会堵塞喷嘴，影响正常药液传递（见图2）。

 

图2：标准封装技术生成的胶囊（a） 和使用 BioShield^® 封装技术生成的微小纳米胶囊（b）

Evologic成功开发的BioShield^® ，就是为了解决这一技术挑战，它实现了小至20μm的纳米胶囊的生产。这些纳米胶囊可以将高度浓缩产品传递到各类环境中，甚至是小尺寸表面，如植物种子。除胶囊尺寸可定制外，该技术还可控制各种不同的物理特性，通过定制，与工业应用工艺相容。

BioShield^®用于革兰氏阴性菌

革兰氏阴性菌涉及前景广阔的农业解决方案，它既可以作为生物刺激素（如根瘤菌、固氮菌 - 固氮内共生细菌）和生防剂（如假单胞菌 - 根病原体控制）。然而，它们的特定细胞壁结构和环境应激敏感性，对配方设计带来重大挑战。通过BioShield^®，Evologic开发出优异的干燥工艺，优于目前最先进的干燥工艺（冷冻干燥）。Evologic的干燥工艺增强了革兰氏阴性菌的活力和稳定性，将其保质期延长至12个月，更好地满足农业生产需求（见图3&4）。

图3：革兰氏阴性菌活力损失对照 （ BioShield^® 对照 冷冻干燥）

 

 

存储时间，4℃ （天）

图4：革兰氏阴性菌存储活力，LOG10，CFU/g ，180 天，4°C，活力损失为 0.65 LOG10

BioShield^®用于真菌

 

与细菌相比，真菌细胞结构更复杂，细胞尺寸更大，所以配方技术要求更高。BioShield^® 可调整胶囊尺寸，封装更大的真菌细胞，同时维持胶囊的小尺寸，以便与农业应用技术相容。通过概念验证，Evologic已实现AMF孢子封装，活力得以延长（见图5）。

 

图5：BioShield^® 封装的AMF细胞

 

结论

Evologic的Bioshield技术，用于解决棘手的微生物生产中的稳定和应用等关键问题，如革兰氏阴性细菌和真菌；Bioshield提供高浓缩、稳定的产品，粒径可定制，能够将微生物产品与各类农业生产无缝连接；Bioshield 可有效稳定最棘手的微生物，实现长达12个月的保质期。

 

 

参考文献

1.有害生物综合管理 - 生物农药开发、监管和使用（2011）。David Chandler. doi: 10.1098/rstb.2010.0390

2.农业微生物应用的现实和希望（2021）。Bruna D. Batista. doi: 10.1111/1751-7915.13866.

3.作物保护苏云金芽孢杆菌纳米农药（2019）。P.S. Vimala Devi. doi:10.1016/B978-0-12-815829-6.00010-3

4.苏云金芽孢杆菌全球市场调查报告（2024年）及市场增长报告。

5.非孢子细菌接种剂细胞活力维持和评价（2018）。 Berninger, Teresa, et al. doi: 10.1111/1751-7915.12880

6.微生物生防产品封装方法综述（2013）。Marina Vemmer, and Anant V. Patel. Biological Control 67.3 (2013): 380-389.  doi:10.1016/j.biocontrol.2013.09.003

 

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