来源：ACS Omega | 编译：DNA Lab Space
全球农业正面临化学农药与化肥过度使用带来的生态代价，而微生物源农用化学品以其环境友好特性被视为绿色替代方案。近期发表于《ACS Omega》的一项系统性研究，全面梳理了细胞型（Cell-in）与细胞游离型（Cell-free）微生物制剂在农业生产中的应用现状，并创新性地提出利用农业副产物进行微生物发酵生产，从而构建闭环循环经济模式。该研究不仅明确了两种制剂形态在稳定性、作用机制与应用场景上的互补优势，更揭示了废弃物资源化在降低生产成本、减少环境负荷方面的巨大潜力，为可持续农业投入品的产业化提供了新思路。
研究背景
现代农业的高度集约化依赖于化学合成农药和肥料的持续投入，然而这种模式正遭遇严峻挑战：靶标生物抗性日益增强、土壤微生物群落失衡、水体富营养化加剧，以及食品安全事件频发，促使全球农业政策与市场消费向绿色、低残留方向转型。在此背景下，基于微生物及其代谢产物的生物防治与生物刺激策略受到广泛关注。微生物源农用化学品通过寄生、竞争、产生抗菌物质或诱导植物系统抗性等机制发挥作用，理论上能够兼顾产量保障与生态安全。
然而，微生物制剂的商业化推广仍面临多重瓶颈。活体微生物制剂在储存、运输及田间施用过程中，对温度、湿度、紫外线及土壤极端环境高度敏感，货架期短且防效不稳定；相比之下，细胞游离型制剂如发酵上清液、胞外代谢产物或灭活菌体，则具有储存便捷、成分明确和易于标准化等优势，但往往缺乏活菌的定殖扩增能力。此外，无论何种形态，微生物发酵生产均需投入大量碳源、氮源等营养基质，其成本长期高于化学农药，制约了市场竞争力。如何平衡制剂的生物学效能与生产成本，并兼顾环境可持续性，成为该领域亟待解决的核心问题。
研究方法
鉴于该研究所涉内容的跨学科特性与既有文献的广泛分布，作者采用了一种系统化的综述分析框架，而非传统的单变量实验设计。研究首先基于Scopus与Web of Science等数据库，对过去二十年间关于微生物农用化学品的文献进行了检索与筛选，涵盖了生物农药、生物肥料、生物刺激素等多个功能类别。随后，作者依据制剂的存在形态，将产品划分为两大技术类型：细胞型制剂（含活菌体的可湿性粉剂、水分散粒剂、油悬剂等）与细胞游离型制剂（含发酵滤液、粗提物、纯化代谢物及灭活菌体），并分别梳理了两者在菌株筛选、发酵工艺、剂型加工、货架期维持及田间应用效果上的技术路线差异。
在循环经济分析层面，研究选取了多种典型农业副产物——包括甘蔗渣、玉米秸秆、麦麸、果皮残渣、油料饼粕及畜禽粪便等——作为潜在的微生物发酵底物，评估其碳氮比、可发酵糖含量及预处理需求。作者整合了不同微生物菌种（如芽孢杆菌属、假单胞菌属、木霉属、链霉菌属等）对这些底物的利用效率数据，勾勒出一幅从废弃物收集、预处理（如碱解、酶解、固态发酵）到目标产物提取的完整工艺流程图。通过比较不同原料组合下的生物量产量、代谢产物浓度及生产成本，研究试图回答一个关键问题：能否在不牺牲产品效能的前提下，用废弃生物质替代昂贵的合成培养基，实现“变废为宝”的闭环生产？
研究结果
研究系统揭示了细胞型与细胞游离型制剂各自不可替代的应用价值。细胞型制剂在土壤修复和根际定殖方面表现出明显优势——例如芽孢杆菌类产品能在作物根际形成生物膜，持续分泌抗菌脂肽，对镰刀菌枯萎病的田间防效可达60%至85%。但活菌制剂对冷链物流要求苛刻，在常温储存条件下，多数产品的活菌数在6个月内即下降一个数量级，这直接导致其货架期普遍短于12个月。相比之下，细胞游离型制剂以代谢产物为核心活性成分，如木霉菌产生的哈茨酸、绿针假单胞菌分泌的吩嗪-1-羧酰胺等，这些化合物具有明确的化学结构和稳定的理化性质，其制剂可在室温下保存18个月以上仍保持80%以上的生物活性，且更容易通过高效液相色谱等手段进行质量监控。
在应用效果对比中，研究引用了多个田间试验数据：细胞游离型制剂在叶面喷施防治白粉病时，因其含有多种协同作用的抗菌成分，往往能获得比单一活菌株更稳定的防效；然而，在需要长期改良土壤微生物区系的场景下，细胞型制剂因能在根际持续增殖，其促生和防病的持续性显著优于一次性施用的代谢物产品。这一发现表明两种形态并非替代关系，而是可在综合病害管理策略中形成接力配合——前期应用细胞游离型制剂快速抑制病原菌，后期引入细胞型制剂建立保护性微生态。
更值得关注的是农业副产物用于微生物生产的研究结果。数据表明，经过适当预处理的玉米秸秆水解液，可支持枯草芽孢杆菌达到与商业培养基相当的水平，生物量产量约为4.2×10⁹ CFU/mL，而培养基成本仅为后者的三分之一。固态发酵模式下，利用麦麸和豆粕混合物培养木霉菌，不仅使孢子产量提高了约40%，还节约了工艺用水和废水处理成本。此外，部分副产物基质中的天然诱导因子——如木质纤维素降解产生的酚酸类物质——甚至能上调微生物次级代谢基因的表达，使得抗菌活性物质的单位产量提高2至5倍。这一发现具有意外之喜的意味：废弃物不仅能“养活”微生物，还能“激活”其防御性代谢通路，从而提升产品附加值。
从全生命周期评估视角看，若以农业副产物替代50%的合成培养基原料，微生物制剂的碳足迹可降低约45%，同时减少废弃物焚烧或填埋带来的甲烷排放。研究还勾勒了一条具有可行性的区域循环链条：农产品加工企业将残渣定向供应至生物制剂工厂，发酵后的剩余菌渣经无害化处理后再作为有机肥还田，从而形成“农田—工厂—农田”的物质闭环。
讨论与展望
该研究为微生物农用化学品的产业升级提供了兼具理论与实操价值的路线图。其核心贡献在于打破了对“活菌至上”的固有认知，明确提出细胞型与细胞游离型制剂应根据应用场景、靶标生物与环境条件进行理性选择与组合设计。同时，将农业副产物纳入生产原料体系，不仅直接回应了降低生物制剂成本的现实痛点，更为农业废弃物高值化利用开辟了新渠道，契合了全球循环经济与碳中和的政策导向。
然而，从实验室可行性到商业化落地仍需跨越若干障碍。副产物来源的季节性波动导致发酵批次间质量差异，这需要通过建立区域性原料数据库和标准化预处理工艺加以解决。此外，细胞游离型制剂中复杂代谢物的作用靶点尚不明确，相关毒理学与环境归趋数据也尚未达到化学农药的严格评审标准，可能成为登记监管的潜在瓶颈。基因工程手段的介入——例如通过启动子工程强化特定抗菌化合物的合成——有望进一步提升细胞游离型制剂的效能，但需兼顾公众接受度与法规合规性。未来研究应聚焦于“菌株—底物—产物”三位一体的适配性优化，并借助计算辅助的高通量筛选，加速新型微生物农用化学品的研发周期。在农业绿色转型的全球竞赛中，这一循环经济驱动的生物制剂路径，无疑将扮演日益重要的角色。
参考来源
Buttrós VH, Resende de Souza Castro C, D'Ávilla VA, Ribeiro NAS, Ribeiro LS. Microbial-Based Agrochemicals: Cell-in and Cell-free Formulations, Application, and Production via Agricultural Byproducts for a Circular Economy. ACS Omega. 2024. DOI: 10.1021/acsomega.（原文DOI信息待核实/未提供，请以出版方记录为准）