农业微生物菌剂、载体及应用
作者：应用微生物技术
2024/8/15 14:29:56
施用促进植物生长的微生物作为接种剂，在提高土壤肥力的同时提高作物产量，是实现农业可持续发展的最有效技术。为满足不断增长的人口对农业的需求而施用化学肥料或合成肥料，给环境造成了许多严重影响。生物接种剂是一种通过施用单个或多个微生物制成的混合物，致力于为作物提供更好的健康或生长条件，被视为农用化学品的可靠替代品，因为它们既能满足全球过度增长的粮食需求，又环保、可观。因此，全世界都寄希望于在农业中应用微
施用促進植物生長的微生物作為接種劑，在提高土壤肥力的同時提高作物產量，是實現農業可持續發展的最有效技術。為滿足不斷增長的人口對農業的需求而施用化學肥料或合成肥料，給環境造成了許多嚴重影響。生物接種劑是一種通過施用單個或多個微生物制成的混合物，致力于為作物提供更好的健康或生長條件，被視為農用化學品的可靠替代品，因為它們既能滿足全球過度增長的糧食需求，又環保、可觀。因此，全世界都寄希望于在農業中應用微生物制劑，以應對全球 "5F "危機：糧食、飼料、燃料、肥料和金融。如今，這一領域的研究層出不窮，但有效微生物制劑的數量仍然少于市場需求。迄今為止，人們已經探索出了多種微生物，它們都具有作為植物刺激劑的能力，但仍有無數的土壤微生物有待鑒定，并等待它們有效地參與工業制劑化生產。本文探討和總結了農業微生物接種劑的歷史、概念、組成、類型及其應用技術、市場潛力，以及它們所面臨的挑戰和局限性。還對農業接種劑的載體進行比較分析，以支持生態包容性經濟和世界的可持續發展。目前世界人口為 79 億，并以每年 0.84% 的速度持續增長。不斷增長的人口和不斷縮小的可耕地面積將給農業部門帶來更大壓力，以滿足日益增長的糧食需求。盡管如此，為滿足不斷增長的糧食需求而采用的傳統農業耕作方式使農民不得不依賴使用化肥和殺蟲劑來提高作物產量。隨著化學合成肥料的使用量不斷增加，2019 年 3 月《世界肥料雜志》指出，預計 2019-2024 年期間，全球肥料市場的復合年增長率將達到 3.8%。受這些農用化學品的影響，作物改良盡管能提高作物產量，但也對環境造成了嚴重的、非致命性的破壞。眾所周知，過量使用這些化學合成肥料會導致土壤酸化、富營養化和營養物質滲入水體，從而對人類健康和環境造成各種危害。人類接觸殺蟲劑的后果，據報道，最大的一類殺蟲劑屬于有機磷類，會導致受害者出現各種神經紊亂。據記錄，此類問題更頻繁地發生在印度等發展中國家，這些國家每年因農藥中毒死亡的人數約占總死亡人數的30%，農民是首當其沖的受害者，他們面臨著與農用化學品有關的健康問題。農藥會污染水體，改變土壤中豐富的微生物，從而對環境造成各種危害。施用化肥會排放各種溫室氣體，最終影響整個生態系統，從而嚴重破壞環境的穩定性。Aamir 等人（2020 年）報告說，合成肥料的過度使用使 25% 的農業用地變得干旱和不肥沃，從而導致土地退化。針對這些問題，當務之急是轉而采用創新和可持續的農業相關解決方案，包括使用生物刺激素、生物肥料和生物農藥等生態友好型技術。生物接種劑是一種含有單一或復合微生物的制劑，當引入作物時，專門用于執行特定的功能，如促進生長或生物防治。生物肥料是指含有活體或休眠微生物的多種產品，有助于提高作物的生長和產量。然而，生物農藥是富含微生物接種劑的產品，能夠克服植物病原體造成的壓力，促進作物健康。與合成肥料相比，在受控和田間條件下，促進植物生長的微生物菌種，如固氮螺菌（Azospirillum）、芽孢桿菌（Bacillus）、根瘤菌（Rhizobium）和大豆根瘤菌（Bradyrhizobium）及其代謝產物對多種作物的健康、生長和產量產生了積極影響，這些作物包括：苜蓿、大豆、水稻和玉米等。另據報道，施用生物肥料可將作物的產量提高 25%，并將農業對無機肥料的需求量從 50%（氮）減少到 25%（磷）。在這方面，自 1895 年以根瘤菌為基礎的生物肥料 Nitragin 注冊以來，微生物制劑在大約 120 年前首次作為生物制劑問世。法國化學家Boussingault（1801-1887）于1838首次描述了植物從周圍環境中吸收氮的詳細過程，也是第一位將PGPR接種技術引入植物以提高其生長和產量的科學家。德國研究人員 Hellriegel 和 Wilfarth 于 1886 年對豌豆進行的另一項研究證明，豌豆根瘤中定植的細菌能夠固定大氣中的氮。1887年，受 Hellriegel和Wilfarth研究的啟發，Hiltner與Nobbe一起深入研究了豆科植物與其根瘤中的細菌之間的共生相互作用。1904 年，希爾特納在慕尼黑工業大學實驗室工作，進行了多項研究，成為第一個提出 "根際（Rhizosphere）"一詞的科學家，并將其描述為植物與土壤微生物群落相互作用的場所。他還描述說，根瘤微生物群落因根部滲出物的釋放而被吸引，在植物養分調動和植物抗病原體能力方面發揮著神奇的作用。希爾特納對存在于植物健康根部組織根皮下的細菌進行了研究，并提出了植物生產的產品在某種程度上依賴于根瘤微生物群落的觀點。在參與了幾個基于不同作物發芽行為和生長潛力的項目后，希爾特納完全相信，根瘤區域的細菌群落肯定依賴于特定植物釋放的根滲出物。在18 世紀晚期，希爾特納和Nobbe一起進行了所有這些研究，并獲得了他的第一個專利 "Nitragin"，這是一種利用根瘤菌制備的制劑。1903年，Lipman和Brown詳細研究了土壤含氮有機物的氨化過程。由于所有這些研究，土壤微生物在促進植物生長方面的作用最終在 19 世紀之交被確定下來。Fritsch 在1907年進行的一項研究表明，稻田土壤中存在藍藻，De 在 1939 年描述了藍藻在固氮中的作用。20世紀40年代，印度研究人員Acharya 描述了沼氣和堆肥在促進植物生長方面的作用，并利用農業廢棄物制備了沼氣和堆肥。1948年，Gerretsen 在研究燕麥作物缺錳和磷酸鹽吸收時，是第一位確定根瘤菌從土壤中溶解磷酸鹽潛力的科學家。直到 1961 年，"磷細菌素（Phosphobucterin）"仍是已知最早的生物肥料，含有巨大芽孢桿菌，可提高土壤中礦質磷的溶解度，使植物能夠利用這些磷。20 世紀 70 年代，澳大利亞將磷礦石、硫和硫桿菌制成微生物制劑 "Biosuper"，硫桿菌產生的硫酸通過溶解制劑中的磷礦石，幫助增加植物的磷供應量。其他一些研究也關注土壤中微生物群落誘導的磷酸鹽增溶作用，并報告了根瘤微生物對鉀的溶解作用。叢枝菌根在養分吸收和促進植物生長方面的作用在20世紀60年代得到了驗證，后來開始作為生物肥料應用。隨著時間的推移，人們在不同方面開展了各種研究，以評估土壤中的微生物多樣性，其中一項研究是在 20 世紀 60 年代末開始流行的土壤微生物活性酶估法。根據科學信息研究所保留的數據庫，當時最常用的土壤酶測試方法是磷酸酶、脲酶和脫氫酶。1976 年，詹金森在這一行提出了另一種名為熏蒸-培養箱法的方法，用于研究土壤中的微生物密度。同年，即 1976 年，巴西正在研究固氮菌Azospirillum 與禾本科植物之間的共生關系。Kloepper 和 Schroth（1978 年）首次描述了根瘤菌促進植物生長的可能性，并將其稱為植物生長促進根瘤菌（PGPR）。1980 年，Torsvik 和他的團隊嘗試從土壤中純粹分離 DNA，結果發現 1 克土壤中有近 4000 種不同的細菌基因組。在此基礎上，Beck于 1984 年第一個提出了土壤微生物指數的概念，并指出可以通過微生物生物量和一些酶活性（如還原酶和水解酶）來解釋土壤微生物指數，但他的這一概念在當時并沒有得到廣泛應用。后來在 1998 年，Trasar-Cepeda 和他的同事們重新構建了 Beck 提出的概念，并發布了他們的研究結果：土壤微生物生物量碳、礦化氮以及各種酶活性（如磷單酯酶、β-糖苷酶和脲酶）與土壤中存在的總氮密切相關。除豆科作物外，還對非豆科作物進行了細菌培養以提高其產量的研究，"Alinit "是一種Bacillus ellenbachensi菌制劑，它是德國第一種提高谷物產量的生物制劑。1901 年，日本率先分離并鑒定了蘇云金芽孢桿菌，1938年這種細菌被用作商業生物殺蟲劑（"Sporeine"）并首次在法國使用。蘇云金芽孢桿菌發現后不久，另一種細菌金龜子芽胞桿菌(Bacillus popilliae) 也被用作生物殺蟲劑。1995 年，首次報道的基因改良作物是Bt玉米，這種玉米是用蘇云金芽孢桿菌改造的，能產生有助于消滅鱗翅目毛蟲幼蟲的 Bt delta 內毒素蛋白。Huss-Danell （1997 年）從 8 個不同被子植物科的約 200 個非豆科物種中分離出了結瘤菌，發現其中大多數物種的根瘤中含有豐富的法蘭克氏菌Frankia。生物農藥也是一種微生物制劑，利用天然微生物和/或其釋放的化學成分根除和消除病原體造成的不良影響。17 世紀初，人們發現植物提取物是最早用于田間的生物殺蟲劑，通過施用煙堿來克服李甲蟲的影響。1835 年發現球孢白僵菌(Beauveria bassiana)有可能導致家蠶傳染病，1874 年俄羅斯研究人員成功地在谷物作物田中施用了金龜子綠僵菌(Metarhizium anisopliae) 的真菌制劑，從而控制了谷物甲蟲造成的損失。含有單個或多個有益微生物及其代謝產物的經濟有效的載體被稱為生物制劑，這些微生物及其代謝產物在提高植物產量和質量方面具有生物活性。微生物制劑是一種含有活微生物的物質，能與植物根瘤或內部結合，增加宏量和微量營養素的供應。因此，能對目標作物的生長產生積極影響。與人工合成的化學肥料相比，使用微生物制成的配方更好，因為它們直接涉及促進植物生長和病原體耐受性的各種機制。根據 Vessey（2003 年）的定義，微生物肥料是一種含有單一或一組微生物的培養基，可幫助土壤養分被調動并提供給植物。Simarmata 等人（2016 年）將其描述為一種由微生物等天然成分組成的產品，通過溶解磷、固定大氣中的氮和合成其他促進植物生長的物質，幫助增強土壤潛力，從而提高作物產量。制劑的最佳定義是由載體物質和穩定劑組成的混合物，載體物質用于容納活性成分，活性成分是高效微生物或任何孢子，穩定劑用于調節作為活性物質添加的生物刺激劑的生長和功效。眾所周知，作為潛在 PGPR 的接種劑可通過改善植物根瘤區的養分供應來改善植物的生長，并在實現糧食安全方面發揮有效作用，從而提高作物產量。這些微生物制劑最有效的策略是誘導作物生長，減少病原體造成的危害，而不會對生態系統中已有的微生物群落產生任何不利影響。由單個或多個微生物組成的微生物制劑通過直接或間接的方式附著在植物組織的根瘤或內部，從而促進植物生長。生物活性物質能誘導植物吸收對其健康和生長至關重要的養分，從而調節作物產量。Tripathi 等人（2015 年）進行的一項研究表明，用于制備配方的微生物主要關注植物的健康、生長和產量，土壤的肥力也會因微生物的應用而得到提高。作為植物刺激劑引入的微生物通過刺激各種植物激素的表達，直接促進作物生長。Jeyanthi 和 Kanimozhi（2018 年）描述了制劑中使用的微生物在促進植物生長、改善土壤結構、養分礦化、抑制植物病原體的影響以及抵御非生物脅迫等方面的各種機制，由促進植物生長的所有必要有機資源組成，通過與潛在的微生物群落相互作用，促進植物的全面發展。最近，"植物益生菌‘plant probiotics’, "成為促進植物生長細菌的新名詞，被認為是 PGPRs（根瘤菌或內生菌）的同義詞（Rai 等，2023 年）。功效、存活率和易于應用是制劑開發過程中的基礎。根據使用的載體介質，大致可分為兩類：固體制劑和液體制劑。要將有益微生物從實驗室運送到農場、土壤或目標植物中，使其處于活體或靜止狀態，就必須使用這些液體或固體材料。將微生物轉化為制劑形式，可以輕松利用其在加強可持續農業實踐中的有益作用（圖 1）。它還能有效延長微生物培養物的保質期，并便于運輸和施用到目標作物上。除了單個或多個微生物菌株的專用材料外，它還包括有助于保護微生物細胞的添加劑，為其生長和增殖維持有利環境。因此，微生物制劑被認為是固態或液態載體介質與滲透保護劑粘性添加劑以及單一或微生物菌株群的組合。其作用模式因所用載體介質的性質和顆粒大小、施用土壤或作物的類型、施用目標的方法以及有助于目標植物吸收養分的可用性而異。由于干旱、土壤鹽堿化和水土流失等惡劣的環境條件，印度等氣候條件半干旱的國家在生物制劑的存活率和應用行為的不可預測性方面面臨著各種挑戰。這些地區的農民對采用微生物制劑望而卻步，因為如果施用生物肥料后，他們的作物沒有獲得理想的結果，由于涉及到額外的費用和知識，他們不可能再給第二次機會。不過，生活在干旱和半干旱地區的農民所面臨的這些挑戰可以作為開發更合適配方的必要條件，以應對全球此類氣候區惡劣的環境條件。根據目標氣候和植被或作物選擇微生物制劑是有效配方開發過程中的關鍵步驟。 圖 1. 通過分離的植物生長促進細菌生態位開發生物制劑的步驟將具有生物活性的接種體添加到固體載體介質中，以發揮接種體在作物改良方面的潛力，這就形成了固體制劑。用于制備此類制劑的固體載體介質包括泥炭、煤、滑石粉、粘土、生物炭、無機土壤、農家肥、豆粕、麥麩、榨泥、農業廢料、甘蔗渣、蛭石、珍珠巖、殼聚糖、甲殼素、海藻酸等多種材料。載體介質應能提供有利的微環境，支持接種物的活性，并在良好的生理條件下提供最佳數量的微生物細胞。有鑒于此，制備配方需要各種技術，如開采、干燥、研磨和中和。在固體制劑中，為了保護作物或提高產量，泥炭、滑石粉和蛭石是廣泛使用的載體介質，因為它們具有較高的表面積和持水能力，有助于微生物制劑制備中使用的生物活性成分的正常生長和存活。固體制劑以顆粒、粉末、可濕性粉末、可濕性顆粒、水分散性顆粒和粉塵等有機或無機載體形式制備。早期研究結果表明，基于泥炭的 S. mexicanum ITTG R7T、R. calliandrae LBP2-1 T 和 R. etli CFN42T 的風干粉末（存活細胞數為 109 CFU/mL）可有效促進蠶豆的植物生長。Prasad 和 Babu（2017）報告說，基于滑石粉的風干固定化巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）TNAU 對直根生長產生了積極的效果，而基于相同載體的 熒光假單胞菌（P. fluorescens）PF1 配方則對花生的側根生長有促進作用。冷凍干燥和熱空氣干燥的滑石粉制劑解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和蠟樣芽孢桿菌（B. cereus）B25分別改善了玉米的植物生長。一種凍干的蠟樣芽孢桿菌可濕性粉劑能有效控制蔬菜和水果收獲后引起的病害。據報道，基于滑石粉的假單胞菌可濕性粉劑可通過抑制鐮刀菌枯萎病造成的損失來改善植物的生長。通過將甲基纖維素和滑石粉按 1:4 的比例混合，并加入等體積的細菌懸浮液，制備了一種熒光假單胞菌制劑，用于防治稻瘟病。以泥炭和廢堆肥為基礎配制的枯草芽孢桿菌 AF 1 能提高花生和豌豆的生長以及對真菌病原菌的抵抗力。據記錄，用滑石粉和幾丁質配制的熒光粉能提高芒果的產量和質量。應用基于蛭石的惡臭假單胞菌 P. putida 和 枯草芽孢桿菌B. subtilis 配方可以提高黃瓜的生長和產量。應用基于殼聚糖的 B. pumilus 菌株 SE34 和 B. subtilis 菌株 GBO3 制劑可促進珍珠粟的生長，并顯著減輕霜霉病癥狀。以滑石粉為基礎的熒光假單胞菌制劑改善了甘蔗的發芽和生長，據報道還降低了甘蔗紅腐病的發病率。以海藻酸鹽為基礎的枯草芽孢桿菌生物制劑可提高豆類和萵苣中植物的生長。殼聚糖制劑芽孢桿菌 Exela 能夠促進珍珠粟的植物生長并誘導其產生抗性。Abbasi 等（2016）報告說，解淀粉芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌和熒光假單胞菌的泥炭基配方能夠為植物提供抵抗土傳病原菌的能力。研究發現，在以椰子殼為基礎的生物炭載體培養基中施用固氮螺菌可提高禾本科植物種子的發芽活力。以松木為基質的生物炭與陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacae)配制在提高黃瓜生物量生產方面發揮了作用。將促進植物生長的生物活性成分以水劑、油劑、懸浮濃縮劑、超低容量懸浮劑、脂溶性可流動濃縮劑和油分散劑產品的形式加入所需的細胞保護劑和添加劑，稱為液體制劑。Mishra 和 Arora（2016 年）認為，液態生物肥料中生物活性劑占 10-40%、懸浮劑占 1-3%、分散劑占 1-5%、表面活性劑占 3-8%、液體或油占 35-65% 時最有效。用于制備此類微生物制劑的液體載體介質包括各種材料，如paneer whey（乳清）、馬鈴薯和大米肉湯、乳液、植物油、營養肉湯等，可用于配制潛在的 PGPRs。與其他以載體為基礎的制劑相比，這些制劑更受青睞，因為它們易于生產，并能為更多的微生物細胞提供支持。據報道，在液體培養基中配制的微生物可耐受高達 45-50℃的高溫，而不會影響配方的質量和效率。液體制劑還能提高所使用微生物的保質期，并將受到其他微生物菌群污染的幾率降至最低。根據報告，液體制劑的保質期估計約為 15-24 個月，而固體制劑在不影響其效率的情況下，只能保存約 8-12 個月。液體制劑的用量較少，更符合現代農業的做法，便于運輸應用。載體培養基的最佳營養條件對支持接種劑的生長和增殖至關重要。C/N 比至少為 20:1，是根瘤菌正常生長的理想條件，這一條件的任何波動都會導致根瘤菌難以在培養基中存活。在番茄、花椰菜和辣椒上噴灑以營養肉湯為基礎的 B. cereus 和 P. rhodeseae 液體制劑，可提高生物量和產量。使用基于paneer whey（乳清）的 B. safensis 配方對甜葉菊的化學成分產生了良好的影響，并通過養分關聯機制提高了甜葉菊的生長和產量。用液態假單胞菌制劑對番茄進行種子處理，可顯著提高番茄的生長和產量，熒光假單胞菌液體制劑對水稻秧苗進行根部處理，降低了害蟲發病率，從而提高了作物產量。據觀察，通過反相乳化技術在米糠油中添加熒光假單胞菌菌株 EPO 15，可減少蔬菜和水果收獲后病害的發生。在椰子油和大豆油的反相乳液中添加哈茨木霉制劑，可控制蘋果果實采后因灰霉病引起的感染，可降低由灰霉菌等引起的采后果實腐爛病的發病率。將種子浸入枯草芽孢桿菌、鏈霉菌和固氮菌的液體制劑中可提高黑吉豆的發芽率、生長和產量。熒光假單胞菌菌株 AMB-8 在高壓滅菌椰子水中添加 2% 聚乙烯吡咯烷酮，對辣椒和番茄幼苗的生長參數產生了積極影響。由植物乳桿菌、乳酸鏈球菌（Streptococcus lactis）、沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）、球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）、釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）、白色鏈霉菌（Streptomyces albus）、灰鏈霉菌（S. griseus）、黑曲霉（Aspergillus oryzae）和凍土毛霉（Mucor hiemalis）配制成液體培養基，在玉米播種前施用到土壤中，對作物的生物量和谷物產量產生了積極影響。使用添加了碳源和氮源的液態葡萄糖液體培養基制備了熱帶副芽孢桿菌制劑，并將其施用在種子上，提高了小麥作物的產量。液體制劑可使接種劑免受不利環境條件的影響，因為它可防止滲透和滅活可溶性毒素，還可提供幾乎可以忽略不計的污染機會并提高田間功效。因此，在農業中使用液態制劑以最大限度地發揮引入細菌在促進目標作物生長和提高產量方面的潛力受到廣泛青睞。已知可用于配方開發的微生物制劑主要有兩大類：一類是促進植物生長的根瘤菌，另一類是內生菌群，證明具有促進植物生長的活性。據研究，微生物棲息在植物內部和周圍的不同區域，如種子際（Spermosphere）、葉際（Phyllosphere）和根際（Rhizosphere）。其中，根際是高碳含量和高能量的區域，這是因為植物和土壤微生物群落在這一區域發生了激烈的相互作用。居住在根際中、具有促進植物生長潛力的細菌被稱為 PGPR。PGPR 是土壤中的居民，占據植物根部的根圈表面，具有促進植物生長的特性。內生菌被視為植物生長促進劑的一個特殊群體，它們可以侵入宿主植物，有時會帶來比根瘤菌更有益的效果。除了應對非生物壓力，據報道內生菌還能克服病原體對植物造成的疾病壓力。大多數內生菌的生命周期分為兩個階段，一個階段在宿主組織內，另一個階段在土壤環境中。用于制備生物肥料的微生物可以幫助我們穩定農用化學品對農業生態系統造成的有害影響。在許多生物活性農產品的配方中，廣泛使用的菌屬包括根瘤菌、假單胞菌、芽孢桿菌、固氮菌、木霉菌、中慢生根瘤菌(Mesorhizobium屬)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium屬)。Elnahal 等（2022）研究表明，應用伯克霍爾德氏菌復合菌（Bcc）可促進污染物的生物修復。制劑中使用的植物生長促進微生物可以耐受各種生物和非生物壓力，例如：假單胞菌、芽孢桿菌等能夠耐受土壤中較高的鹽分，而伯克霍爾德氏菌和根瘤菌則能幫助植物避免水分脅迫。Elnahal 等（2022）還報告了 Azospirillum、Azoarcus、Burkholderia、Gluconacetobacter diazotrophicus、Herbaspirillum、Azotobacter 和 Paenibacillus polymyxa 的固氮能力和抗病性。還有一類微生物被稱為生物防治劑，可幫助植物應對由植物病原菌引起的病害，也能通過誘導系統抗性激活宿主防御機制，進而保護宿主免受病害。研究發現，解淀粉芽孢桿菌和食石油微桿菌（Microbacterium oleovorans）等生防制劑可以防治鐮刀菌等植物病原菌。通過施用由美極梅奇酵母（Metschnikowia pulcherrima）組成的制劑可以防治青霉、灰霉病菌引起的病害。除此以外，許多其他抗病和促進植物生長的微生物也可以配制生物肥料，以支持全球的可持續農業。土壤中存在的無數具有促進植物生長潛能的新型微生物，在生物農業中可發揮作用。在植物生長促進微生物的輸送系統中，不僅是載體，添加劑對接種劑的存活率和功效也起著非常重要的作用，因此添加劑的選擇也應科學。微生物制劑開發中的一個主要挑戰是選擇合適的載體介質，以支持使用過的植物生長促進微生物菌株的長期保質期，以及在儲存和運輸過程中由于波動和不利環境條件造成的影響。為了克服微生物干燥這一挑戰，人們使用添加劑來提高接種物在各種溫度變化下的存活率，并延長制備配方的保質期。添加劑是通過保護它們免受惡劣環境條件影響而延長保質期的物質。通過添加劑提高對各種生物和非生物因素的耐受性，提供接種物的最佳細胞密度，為可持續農業提供支持。褐煤是一種非常好的添加劑，當添加大豆粉、10% 的苜蓿干草粉和不同比例的蛭石時，可提高配方中根瘤菌細胞的活力和保質期。甲殼素是一種 N-乙酰葡糖胺長鏈聚合物，可用于改善土壤中甲殼素分解微生物的數量，并可作為一種抗真菌劑。除了提高蠟樣芽孢桿菌在花生田中的存活率，幾丁質還有助于減少早期和晚期葉枯病的發生。研究還發現，添加必要的營養物質也是提高接種劑效率的好方法。在這種情況下，在假單胞菌制劑中添加碳源可通過向周圍釋放抗真菌酶來提高其生物防治效力。為了提高作物產量、生物防治活性和對環境中的污染物進行生物修復，人們研究并應用了各種添加劑和具有促進植物生長特性的不同微生物。在農業領域廣泛應用的微生物固定化技術包括通過噴霧干燥、流化床、離子凝膠等方法，用生物聚合物/合成聚合物、有機和無機材料包裹菌株。通過使用聚合物添加劑介質固定液體制劑以提高制備質量和效率，形成了聚合物包裹制劑。常用的聚合物有甲基纖維素、海藻酸鈉、聚乙二醇、木薯粉聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇、阿拉伯樹膠、三鹵糖、甘油、Fe-EDTA 等。首先要根據聚合物的 pH 值、粘度等級、粒度、水溶性、無毒性以及與微生物的生物技術應用來選擇聚合物，然后再根據其成本和供應情況進行選擇。分子量高、水溶性好、無毒、化學性質復雜的聚合物被視為一種好的添加劑。用海藻酸鈉和羥丙基甲基纖維素-HPMC 包裹根瘤菌對豇豆的根瘤有積極影響。利用豌豆蛋白分離物和藻酸鹽可制備枯草芽孢桿菌 B26生物刺激劑。涂有生物聚合物羧甲基黃原膠（MBX）的枯草芽孢桿菌防治植物病害有積極效果，應用含有芽孢桿菌菌株的海藻酸微珠對小麥植物的生長有促進作用。聚合物具有較高的水活性和良好的流變特性，可為微生物提供抗熱和抗干燥的能力，因此可用作菌劑工業的添加劑。使用淀粉作為海藻酸鹽添加劑可促進根瘤菌的結瘤，并改善豆類作物的生長和產量。腐殖酸是土壤、沉積物和水中有機物的主要成分，它以異構的方式組合成各種低分子量的腐殖質。腐殖酸含有約 60% 的 C 以及 N、O、S 和 H，對土壤中微生物的生長和增殖起著重要作用。腐殖酸具有很高的保水能力，能將養分從培養基/土壤中螯合并轉運到植物體內，誘導植物的次生代謝等，可化腐朽為神奇，作為添加劑使用。腐植酸刺激的趨化作用會導致高效根瘤菌和內生菌在植物根部附近定殖，向植物添加腐植酸還與作物根毛和側根的形成有關。腐殖酸與海藻酸鈉一起固定枯草芽孢桿菌，可改善萵苣植物的生長。涂有泥炭、海藻酸鈉和腐殖酸的巴西固氮螺菌（A.brasilense）對改善小麥作物生長的作用。添加腐殖酸時，使用溶鉀細菌提高了鉀利用效率，對植物生長促進效果明顯。粘土是生物圈中無處不在的礦物，含碳量和含鉀量都很高，由于其特殊的理化特性，可用于微生物封裝。粘土礦物吸附效率高，對環境危害小，因此在可持續農業領域用于生物農藥和生物刺激劑正受到廣泛關注。應用擠壓和外凝膠技術，在海藻酸鈉中添加一種粘土礦物--膨潤土，以低成本封裝Raoultella planticola菌和假單胞菌（P. putida），研究其在農田中分別作為細菌肥料和植物生長促進劑的性能。用 NaAlg-膨潤土可包裹生防真菌 Beauveria bassiana 。應用包裹在 NaAlg-Perlite 培養基中的假單胞菌制備的乳液可促進穿心蓮的生長。在甲基丙烯酸共聚物中添加二氧化硅，可用于采用噴霧干燥法制備生物肥料（熒光假單胞菌和腐生假單胞菌）。高嶺土是另一種重要的粘土礦物，它與海藻酸鹽配制成的生物肥料可在無菌和受感染的土壤環境中控制鐮刀菌引起的病害。據報道，在海藻酸鹽與高嶺土中添加鏈霉菌制劑可抑制立枯絲核菌的致病性。據報道，在海藻酸鹽和高嶺土中配制木霉將 Na-Alg 與五種細菌的聯合體進行離子凝膠化處理，可去除工業廢水中的毒死蜱。在假單胞菌和大腸桿菌上包裹二氧化硅的溶膠/凝膠可用于修復萘和阿特拉津的污染。許多研究人員都報道過用脫脂牛奶作為添加劑固定生物制劑，以提取所使用的接種物促進植物生長的能力。據報道，在半干旱條件下，施用海藻酸鹽和脫脂牛奶包裹的假單胞菌和牛肝菌菌株可提高小麥作物的生長和產量。在脫脂牛奶中添加 NaAlg 配制的枯草芽孢桿菌和假單胞菌對玉米作物的生長也有類似的促進作用。在藻酸鹽中加入脫脂牛奶，再加入褐球固氮菌（Azotobacter chroococcum）和不動桿菌（Acinetobacter sp.）配制的制劑，對高粱的生長有積極的改善作用。通過用環糊精纖維和脫脂奶包短小芽孢桿菌（Lysinibacillus sp.），還能有效地對廢水中的重金屬和活性染料進行生物修復。甘油作為添加劑添加到微生物配方中時，可保護細胞免受張力影響，并通過平衡跨膜流量和滲透壓起到保護細胞的作用。甘油的高水活性使制備的種子微生物制劑更容易應用，還能防止細胞干燥。據報道，用甘油添加海藻酸鹽配制的成團泛菌（Pantoae agglomerance）聚合體可控制土傳病原真菌引起的植物病害。應用基于 2%（v/v）甘油的熒光假單胞菌制劑來防治鐮刀菌和薊馬，不僅減少了上述病原體造成的損失，還提高了作物產量。另一項研究通過使用溶解在甘油中的熒光假單胞菌菌株 Pf1 來控制番茄植株因鐮刀菌枯萎病而造成的損失，該菌株可降低目標病害的發病率并提高產量。通過施用含有甘油（12 mL/L）和其他細胞保護劑的巨大芽孢桿菌，提高豇豆對磷的吸收，從而改善其生長和產量。由熒光假單胞菌（VUPF5 和 T17-4 菌株）與海藻酸鈉和大豆油乳化制成的混合物可控制馬鈴薯上由茄鐮孢菌感染引起的病害（Pour 等人，2019 年）。據報道，用 NaAlg 和花生油配制的 Beauveria bassiana 能控制 Solenopsis invicta 的感染。據報道，使用菜籽油和黃原膠中的苜蓿中華根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）菌配制的乳化劑可誘導紫花苜蓿的植物生長和瘤的形成。據報道，在 0.5% 的園藝油中添加了Rhodopseudomonas palustris菌株 PS3 制成的配方通過支持大白菜對養分的吸收而改善了植物的生長。用黃原膠包裹假單胞菌（Pseudomonas veronii）的專利技術可通過吸收細胞內揮發的汞離子有效修復受汞污染的土壤。將材料轉化為 1 至 100 納米的納米形式，可提高材料的生物利用率，從而使其更有價值。通過將納米技術應用于可持續農業領域，可以利用植物PGPR菌的巨大潛力。用納米材料封裝微生物制備的接種劑能夠提供微生物和封裝材料的雙重益處。這是一種新型但非常有效的農業策略，因為它具有針對性和定時作用模式，可改善植物對養分的吸收。眾所周知，納米顆粒可直接提高養分的生物利用率，或間接防止所使用的 PGPR 與不利的環境條件不一致，從而發揮其作用。納米肥料被認為具有更大的表面積、更高的反應活性，而且由于尺寸較小，易于儲存。據報道，封裝在納米材料中的微生物在保持土壤濕度的同時，還能為植物提供必需的養分。由于微生物具有穿越細胞壁、細胞膜和植物維管組織的能力，因此將聚合物納米材料與微生物封裝在一起可更有效地達到預期效果。Haris 和 Ahmad（2017 年）報告稱，將氧化鋅封裝到銅綠假單胞菌、熒光假單胞菌和淀粉樣芽孢桿菌等 PGPRs 中，能夠提高上述 PGPRs 的嗜鐵素生成能力。將潛在的 PGPR 懸浮液與 Na-Alg（1.5%）、淀粉（3%）和膨潤土（4%）按 2:1 的比例混合，制備微膠囊，最后用交聯氯化鈣溶液涂覆這些微膠囊，就得到了用于改良農業的微膠囊納米肥料。據報道，CuO 納米粒子可誘導假單胞菌中的吲哚-3-乙酰胺途徑，促進細菌產生 IAA。用富含鈦納米粒子的海藻酸鹽-膨潤土包衣包裹枯草芽孢桿菌，能夠通過抑制病原菌立枯絲核菌的發生來提高豆類植物的生長和產量。聚合物納米粒子涂層的阿特拉津在芥菜葉中的吸收反應更快更高。用生物活性納米纖維封裝細菌接種劑被認為是一種有效的技術，可將微生物保存在種子表面，并逐步管理和提高種子的發芽率。在玉米作物上施用假單胞菌和納米石膏能有效改善土壤的結構和功能，進而影響作物的健康。施用納米尿素可提高珍珠粟的干物質、主要營養素和葉綠素色素濃度。納米硒在番茄植物中的應用，可提高其產量和質量。在香蕉中應用同樣的納米材料可改善作物的生長和光合色素，在小麥和玉米中應用納米銅，可分別改善 DNA 損傷和提高作物產量，在菠菜中施用納米石膏能夠提高作物的產量。有許多理論解釋了制劑所需的質量，其中大量理論主要側重于使用不同載體和添加劑的相對影響。制劑應具有足夠的保質期，便于運輸和應用，并且必須能夠保護所使用的微生物免受不利氣候條件的影響。有助于改善土壤質量、成本效益高、具有較強的 pH 值緩沖潛力、較高的持水性和保水能力的配方被視為優質肥料。許多研究表明，微生物細胞的數量與配方的有效性成正比，配方開發中使用的添加劑材料應增加微生物細胞的數量。優質制劑應能抑制污染，耐受在儲存和運輸過程中發生的各種 pH 值變化，而且應易于滅菌。制劑開發中使用的技術應簡單易行，對目標作物的應用必須符合常規農業實踐。Sharma 等（2023）建議，參與配制嵌入式配方的微生物菌株的釋放速度應達到最佳狀態，既不能太慢，也不能太快。用于配制配方的優質接種劑必須物理性狀不變、無塊狀，能夠與土壤中的天然微生物菌群競爭養分吸收，同時符合生物肥料的 BIS 標準。制備配方的整體質量在很大程度上還取決于用于配制生物肥料的載體介質和添加劑的等級。因此，在制備配方的過程中，除了微生物菌株的效力外，還應注意載體介質和穩定劑/添加劑的質量和粒度。應根據載體的易獲取性、豐富性和無害性來選擇載體。好的載體培養基應是生態友好型的，必須能自由地補充營養，以幫助接種體增殖，它還應與配方中的其他成分完全相溶，以便在加工過程中不會釋放濕熱。任何微生物制劑的應用策略都主要取決于載體介質的類型以及制劑中使用的微生物菌株或生物活性聯合體。制劑的實施時間和程序還取決于目標作物以及通過生長刺激劑或生物控制劑與特定作物相互作用的生物刺激機制。引入的制劑應滿足的另一個標準是，即使在不利的生物和非生物條件下，也必須確保目標作物的生長和發育。應用幾乎所有類型生物肥料的最經濟、最有效的方法是用潛在微生物菌株的制劑包衣種子。如果是粉末、顆粒和其他類型的固體制劑，則需要制備粘合劑漿液，將上述類型的制劑混合并包衣在種子上。將包衣/處理過的種子在陰涼處晾曬幾小時，然后在同一天內播種，以最大限度地發揮接種劑的作用，同時避免污染。接種劑與種子的混合可采用手工操作或水泥攪拌機、機械滾筒或旋轉滾筒等更便宜、更簡便的方法。為了引入液體生物肥料，種子要浸泡在液體配方中，并在最佳溫度下儲存幾個小時，這取決于種子的類型和用作接種劑的生物活性菌株。處理過的種子在陰涼處晾干后播種，以發揮接種劑的潛力，使種子更健康地生長。除了生物制劑層，種子有時還會被覆上 CaCO3，以克服土壤酸性造成的損失。在鷹嘴豆種子上共同接種 Pseudomonas jessenii PS06 和 Mesorhizobium ciceri C-2/2，以提高產量和作物的結瘤率。在大豆種子上添加大豆慢生根瘤菌USDA110 和惡臭假單胞菌NUU8，可提高耐旱性、養分吸收以及生長和產量，并對作物的其他經濟性狀產生積極影響。枯草芽孢桿菌和巴西固氮螺菌包衣小麥種子可提高其發芽潛力和產量屬。綠豆種子經根瘤菌液體制劑處理后，植物生長和結瘤能力得到增強，作物的經濟性狀也得到改善。據報道，蠶豆種子接種根瘤菌 CIAT 899 和多粘類芽孢桿菌DSM36 后，可顯著改善作物的生長和結瘤。用 Serratia plymuthica 包衣南瓜種子可使其發芽率提高 109%。用枯草芽孢桿菌對歐加木圣女果的種子進行生物處理可提高作物的精油產量。小麥作物的谷物產量和養分狀況因應用巨大 芽孢桿菌進行種子處理而得到改善。據報道，用熒光假單胞菌和凝結芽孢桿菌對甜菜進行種子處理可促進植物生長，還能改善幼苗的根長。在木槿種子上接種根瘤菌+巴西固氮菌和巨型芽孢桿菌+多粘芽孢桿菌可改善生長參數、果實數量、萼片產量、花青素含量和總可溶性固形物。秧苗浸種是在谷物、水果、蔬菜、甘蔗、棉花、香蕉、葡萄和煙草等作物中實施配方的常用方法。在這項技術中，目標作物的幼苗會在最佳時間內浸入生物活性劑的水懸浮液中，以確保引入的生物制劑的適當附著，時間從蔬菜的 15 至 30 分鐘到水稻的 8 至 12 小時不等。根部施用了用褐藻酸根瘤菌制備的生物肥料，洋蔥作物的株高、葉片/植株數量、球莖大小和重量以及產量都有所提高。在鹽分脅迫下，將玉米根部浸泡在根瘤菌中可提高 K+/Na+ 比率以及葉綠素和酚的含量。據報道，在洋蔥球莖上接種 Azotobacter、Sphingobacterium、Burkholderia 菌屬的三重接種處理對作物的大多數農業生態性狀都有最佳效果。將草莓根部浸入含磷酸鹽溶解細菌的Azospirillum制劑中30分鐘，可顯著提高水果作物的產量。在根部施用芽孢桿菌 M3、芽孢桿菌 OSU-142 和微型細菌 FS01 的復合菌群可提高蘋果樹的生長、產量和對養分的吸收。甜菜、大麥、樹莓、蘋果和杏的產量也因根部施用芽孢桿菌 M3、芽孢桿菌 OSU-142 而得到提高。根部接種由氮胞桿菌、芽孢桿菌和假單胞菌組成的復合菌群，可對石竹屬植物的生長參數、產量屬性和次生代謝物濃度（生物堿）產生積極影響，同時還能提高其養分吸收率。生物和非生物脅迫事件是全世界經濟和農業損失的主要關注領域。在這方面，葉面噴施微生物制劑被認為是增強植物克服脅迫的內在機理的一種相對更簡便、更有效的工具。作物的產量和對植物病原體的抑制取決于作物的類型和通過葉面噴施的微生物。在目標作物開花和果實形成時葉面噴施生物刺激劑，對促進作物生長和提高產量以及減少落花現象有積極作用。在甜櫻桃植株上噴灑假單胞菌 BA-8 和芽孢桿菌 OSU-142 的復合菌群可提高果實作物的生長和產量。在豌豆植株中葉面施用熒光假單胞菌（Pf4）可減少植物病害，從而提高作物產量。在杏樹盛花期噴施枯草芽孢桿菌 OSU-142 可減少芽孔病害的發生，從而提高果實的平均產量和質量。在玉米和小麥葉面噴施植物克雷伯氏菌和腸桿菌的雙重接種處理對作物產量有積極影響。葉面噴施固氮菌 Azotobacter 可提高桑葉的產量和質量，有助于蠶的正常飼養和提高蠶繭產量。向玉米和草莓作物噴灑甲基桿菌Methylobacterium symbioticum，可為作物提供額外的氮，從而有效改善植物生長和草本產量。在韓國假單胞菌和凝結芽孢桿菌接種的蕓苔屬種子上葉面噴灑納米硅顆粒，對植物的鹽分脅迫條件有積極作用。將生物肥料與土壤混合是另一種有效的方法，可發揮應用微生物對植物健康和生長的促進作用。在這種微生物制劑應用方法中，大量的生物肥料或較大細胞數的引入接種劑能更有效地發揮作用。土壤接種劑的運輸和儲存更方便，應用時涉及的技術知識也更少。土壤接種生物肥料主要適用于種子較小的作物。據報道，在生產豌豆時，土壤中接種顆粒狀的豆科根瘤菌可提高田間的氮素利用率，增強結瘤能力。連續三年的豌豆種植田間試驗表明，在土壤中施用 P. fluorescens 能有效提高土壤中的氮磷含量，還能提高豆莢產量、莖稈產量和結籽重量。將假單胞菌屬、解淀粉芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌的復合菌群接種到土壤中用于水稻種植，可提高谷物和秸稈產量，并增加谷物中的氮含量。在土壤中分別施用枯草芽孢桿菌 SU47 和節桿菌 SU18，可增加小麥作物的干生物量、脯氨酸含量和總可溶性糖。在土壤中施用單一接種的褐球固氮菌（Azotobacter chroococcum）, 葡糖醋桿菌（Glucanobacter diazotrophicus）和巨大芽孢桿菌可提高玉米作物的總產量、種子固形物含量和粗纖維含量。在過去的幾十年里，改善植物健康和生長的微生物技術在全球范圍內引起了極大的關注，其名稱各不相同，如生物刺激劑、生物肥料、微生物接種劑、生物制劑、生物保護劑等。如今，基于組學描述土壤微生物生態位以開發個性化微生物制劑、分析生物膜形成能力以及使用不同數學模型準確預測配方性能也已成為一種趨勢。然而，聯合國發布的一份報告顯示，根據《全球有機食品市場報告（2021-2030 年）》，估計每年約有 20 萬人因接觸食品中的殺蟲劑而死亡。因此，為了滿足全球對有機食品的需求，對高質量標準的有機農產品的需求也在不斷增加。為滿足拍攝有機食品的需求，越來越多的有機耕作方法是通過施用生物肥料、生物農藥和生物刺激劑等有機制劑來種植和管理作物。據預測，到2024年底，生物肥料的市場收益將達到 3.125 億美元。國際標準化組織（ISO）與聯合國糧農組織（FAO）通過提供國際認證，制定了有機產品的質量標準，使農民能夠以高于傳統種植產品的價格出售其農作物產品。不過，各國的相關機構也致力于控制化肥在本國農業生產中的使用。全球各地的生物肥料和生物農藥行業都在商業上利用各種微生物來實現可持續農業。土壤礦物質的利用，尤其是固氮菌群，如根瘤菌類生物肥料，幾乎在世界各地的農業中都得到了最普遍的應用。Market Data Forecast 關于根瘤菌基肥料市場的一份報告顯示，2023 年，亞洲國家和太平洋沿岸國家是世界上根瘤菌基生物肥料的最大消費國，其次是歐洲國家。Sansinenea（2021）報告稱，2018 年全球根瘤菌生物肥料市場價值為 2.568 億美元。Mehnaz 的另一項研究（2016）總結指出，微生物制劑市場的收入主要來自固氮制劑（77%），其次是磷酸鹽溶解劑，約占該領域總利潤的 15%。Kumar等（2022）報告說，在世界生物肥料市場上，根瘤菌占世界生物肥料總需求的 79%。全球許多知名企業都在參與配制不同的固氮菌株，如根瘤菌、氮胞嘧啶菌、氮胞桿菌，以及各種潛在的磷酸鹽溶解菌株，如芽孢桿菌、假單胞菌、伯克霍爾德氏菌等，以開發礦物質利用生物肥料。拜耳作物科學是世界領先的生物肥料公司，并于 2018 年收購了德國最大的生物肥料產業 Monsanto BioAg。TeraGanix, Inc（美國）、Agrinos AS（美國）、Novozymes LLc（美國）、Rizobacter S.A（阿根廷）、Mapleton Agri Biotec Pty Ltd（澳大利亞）、The Tokachi Federation of Agricultural Cooperatives (TFAC, Tokachi Nokyoren)（日本）、T. Stanes & Company Limited（印度）、Ajay Biotech（印度）、Camson Biotechnologies Limited（印度）、Criyagen Agri & Biotech Pvt. (印度）、Biomax Naturals（印度）、Gujarat State Fertilizers and Chemicals（印度）、CBF China Bio-Fertilizer AG（中國）、Kiwa Bio-Tech Products Group Corporation（中國）、Lallem and Inc.（加拿大）和 Symborg S. L（西班牙）是世界上最重要的幾家生物肥料公司，它們參與開發了多種配方，以改善植物的健康和生長狀況。印度農民和肥料合作社有限公司（印度）、Nano Green Sciences Inc. (印度）、AC International Network Co. (Ltd.（德國）、SMTET Eco-technologies Co. (Ltd.（臺灣）、Fanavar NanoPazhoohesh Markazi Company（伊朗）、WAI International Development Co. (馬來西亞）和 Urth 農業公司（美國）都涉足納米肥料開發領域，通過提供有針對性和適時的精確行動來實現可持續發展，從而在市場上掀起熱潮。生物肥料市場根據生物活性劑的類型、制備過程中使用的載體介質、應用技術以及目標作物或病原體的類型進行劃分。將有益微生物轉化為商業用途的成熟配方涉及多個階段，從微生物分離到其作為植物生長或健康促進劑的篩選、其保質期評估、其與目標作物的配合，以及以聯合體方式制備時配方菌株之間的相互作用分析。將開發出的生物肥料從工廠運到田間地頭涉及各種步驟和挑戰，以控制開發出的生物產品的質量、存活率和污染，必須對其進行嚴格監控。隨著市場對有機農產品需求的快速增長，開發必要數量的具有潛在微生物的生物制劑正成為該領域亟待解決的主要問題。雖然研究了多種多樣的 PGPR 對植物生長的促進作用，但由于它們在苗圃、溫室和田間試驗中的結果各不相同，只有極少數獲得了商業應用注冊。生物肥料商業化的另一個關鍵制約因素是需要設備齊全的基礎設施，以及熟練開發大規模生物肥料的專業技能人才。將這些生物制劑儲存和運輸到市場上，同時保證引入微生物的存活率和細胞密度以及制劑的無菌性，避免任何不希望的微生物生長，是另一個需要注意的挑戰。對于為特定微生物選擇適當的載體培養基以及選擇適當的添加劑或補充劑以支持其在培養基中生長和存活的認識不足，是生物肥料市場的另一個熱點問題。缺乏與生物刺激素的儲存和應用策略相關的技術知識，給農民有效使用生物刺激素帶來了更多挑戰，也讓小農擔心承擔風險。對各種商業化生物肥料進行的質量評估表明，這些肥料在實現其承諾目標方面表現甚微或不佳。PGPR 形成生物膜的能力被認為是其促進植物生長活動的重要機制之一，但生物膜的形成完全取決于土壤類型和環境條件。因此，不同的環境條件和土壤的異質性也決定了施用制劑的效果。因此，在商業化之前，在不同氣候區對開發的農業生物產品進行質量和功效試驗，是決定其在可持續農業中的可信度的關鍵一步。根系沉積塑造了與植物相關的微生物群落，該群落調節植物的新陳代謝途徑，并通過根系啟動植物的滲出物生產。滲出物的釋放取決于植物的年齡和植物的養分供應情況。因此，即使施用了任何特定制劑，也很難保證根際特定生態位的可用性、存在和定殖。根際競爭能力或引入的微生物與土壤生態位中先前存在的微生物群之間的競爭性相互作用會再次導致所施用的生物刺激劑的效率出現偏差。在納米材料包裹生物肥料的情況下，對所使用的納米顆粒和微生物與所施用作物的實際微生物群之間的相互作用和交換缺乏了解，這是工業界和農民面臨的最大挑戰。納米生物肥料還能使微生物的細胞和基因表達產生一些生理變化，誘導土壤中存在的特定微生物群發生極端變化，要么減少，要么增殖。申請專利和將微生物接種劑注冊為產品的監管程序也非常繁瑣，因為這些申請的指導方針不僅在全球各地不一致，而且每種有機產品也各不相同。這些監管程序不僅復雜，而且實施成本高，因此迫切需要在全球范圍內起草協調良好的統一監管政策。因此，必須全面了解生物肥料的生產、應用及其效果認知，才能通過應用微生物制備技術實現農業的可持續發展。目前，全球生物肥料市場的估計價值為 23 億美元， 2028 年將達到 41.0 億美元。市場上有多種類型的制劑可供推廣人員和農民商業使用，以改善作物的健康和生長狀況。我們將重點關注為實現農業可持續性而開發的配方的不同組合和應用模式的功效。參與生產這些綠色肥料的微生物或其代謝物有助于養分循環、植物激素調節以及抑制環境對植物施加的各種生物和非生物壓力。鑒定更多的強健土壤微生物、評估它們對作物的功效，以及對它們進行生物制劑以實現農業可持續性，將為促進生產和發布支持作物整體健康和生長的各種生物制劑提供一個潛在的工具。此外，科學家們的關注點偏向于新產品的開發，而應轉向擴大已開發制劑的經濟可行性和潛在問題。應用 MALDI-TOF MS 和 2-DE 對植物及其相關 PGPRs 分泌的蛋白質進行表征，是描述植物與其根瘤菌之間共生關系模式的一種高效新技術。這種分泌組分析還帶來了根據田間準確營養狀況開發個性化生物肥料的方法。植物益生菌除非能確保這些細菌在其作用部位適當定殖（106或 107 cfu），否則無法為植物帶來積極的效果。因此，用納米顆粒封裝這些植物益生菌被視為開發納米材料封裝生物肥料的新興科學領域。就這些用納米材料封裝的植物益生菌及其作為生物肥料的應用而言，涵蓋所使用的納米材料與封裝微生物之間相互作用的技術和知識差距，以及其應用的確切時間和地點，對于支持高效使用納米生物肥料以實現農業的可持續發展非常重要。生產用于制備納米生物肥料的微膠囊是另一個備受矚目的領域。然而，這些技術的實施同樣需要較高的技術技能，而且研究人員還應該向產業界和農民傳達有關此類應用的實際作用方式、效率和毒性的知識。與此同時，針對農民和推廣人員的各種技能發展計劃將使他們更好地了解生物肥料的正確儲存和應用方式。此外，還應詳細研究特定微生物促進特定作物生長背后的機理，以便更好地了解該作物所需的微生物，并提高應用配方的有效性。未來的可持續農業需要技術進步的參與，如下一代測序、微生物成因中的基因修飾、硅學和配方開發技術中的合成生物學，以提供農業豐產的長期解決方案。然而，這些新出現的技術和生物產品在農業領域提供的多種功能和更高的競爭能力，在不斷變化的環境條件下仍不一致，因此需要對該領域有更深入的了解。通過應用生物制劑提高作物產量是一種有機的農業方法，它將通過減少對合成肥料的依賴來改善環境，進而通過提高作物的產量、質量和生物量來滋養我們的經濟，最終以可持續的方式促進社會繁榮。
