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行业前沿|微藻胞外代谢物可作为新型生物肥料

【能源与环境】 | Energy & Environment

生辉Agri Tech,2022-09-09

近日,最新科研成果显示了将微藻相关应用拓展至农业领域,发掘微藻尾液用作生物改良剂(bio-stimulant)的潜力。研究发现并验证了微藻尾水中胞外代谢产物作为新型生物肥料的可行性,增强了微藻工业化生产全流程的经济价值、环境友好性及可持续性。

△ 图1. Graphical abstract(来源:研究论文)

现代农业作物生产在很大程度上依赖于化肥,但化肥的过度使用容易引起土壤、水、空气的环境污染和食品安全问题。绿色农业是我国近年提出的可持续农业发展模式,以“绿色环境”、“绿色技术”、“绿色产品”为主体,促使过分依赖化肥、农药的化学农业向主要依靠生物内在机制的生态农业转变。

微藻是在淡水和海洋系统中存在的一种微小光合生物,它们能够产生许多不同的生物活性物质,如蛋白质、脂类、类胡萝卜素、维生素和多糖。研究报道了普通小球藻、四尾栅藻、蓝藻、莱茵衣藻等微藻可用作甜菜、番茄、苜蓿等农产品的生物改良剂,帮助提升作物的种子发芽率、活性物质积累和生长发育等。

原始小球藻(Auxenochlorella protothecoides)是一种单细胞的真核微藻,既能利用光和二氧化碳自养生长,又能利用葡萄糖异养生长,是产油脂和蛋白的重要微藻之一。原始小球藻可积累大量的脂肪酸、蛋白质和叶黄素,而异养培养的细胞密度可达自养培养的 100 倍-1000 倍左右。原始小球藻发酵后的废水(尾水)一般会通过水处理后进行排放,增加了生产成本。

为了变废为宝,实现尾水的再利用与增加经济价值。研究团队研究了原始小球藻尾水(EAp)对高等植物生长的影响,结果表明微藻尾水对多种高等植物的生长表型有显著促进作用,并且可以提高其抗逆性。

△ 图 2. EAp 对模式植物生长的影响(来源:研究论文)

团队合作对尾水中胞外代谢产物进行了鉴定与分析,发现 EAp 中有超过 84 种化合物,包括 50 种有机酸、21 种酚类化合物及寡糖、多糖等活性物质。

为 EAp 开发新型生物肥料、在农业中的综合利用提供了依据,并对其可能的作用机制作出分析:1)有机酸的释放可促进土壤中金属氧化物的溶解,从而提高铁、锌、铜等微量元素的有效性;2)酚类化合物具有抗菌或抗氧化作用,加强细胞壁,防止水分流失,或作为信号分子功能,在细胞分裂、激素调节、光合活性、营养矿化和生殖等发育过程中发挥着关键作用;3)微藻多糖能提高植物抗坏血酸含量,提高 NADPH 合成酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性,从而影响植物的光合作用、细胞分裂和非生物胁迫耐受。

△ 图 3. EAp No.2 代谢组分分析(来源:研究论文)

微藻工业化生产过程中,原始小球藻的胞外代谢物(EAp )通常会被作为废弃尾液处理,本研究发现 EAp 对植物展现促进生长、丰富营养价值和提高非生物抗逆性的作用。其中 EAp No.2 和 No.3 在高稀释倍数下也能促进植物生长,为其实际运用提供运输便利性。EAp 的商业应用不仅使微藻行业产业链更完整、价值效益最大化,而且能为农业发展提供新的环保方案、同时实现生产端和应用端的绿色可持续。对 EAp 的成分研究和机理分析更是为微藻尾液的应用提供了理论依据,为研究团队后续开发新型更经济、更绿色的微藻农业生物改良剂打开了新的思路。

参考资料:Qu, Y.; Chen, X.; Ma, B.; Zhu, H.; Zheng, X.; Yu, J.; Wu, Q.; Li, R.; Wang, Z.; Xiao, Y. Extracellular Metabolites of Heterotrophic Auxenochlorella protothecoides: A New Source of Bio-Stimulants for Higher Plants. Mar. Drugs 2022, 20, 569. https://doi.org/10.3390/md20090569

编者注:生辉Agri Tech(SciPhi_AgriTech)是DeepTech旗下专注于农业领域科研及产业化的全链条内容和数据品牌,致力于深度发掘该领域科学和技术创新的科学价值和商业价值。

编辑:Wind

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