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粮食安全是人类面临的重大挑战之一。日益增长的粮食生产需求已对自然资源（尤其是土壤）造成负面影响，凸显了采用更可持续农业实践的必要性。以生物投入品为基础的新一轮农业革命是一种前景广阔的替代方案。微生物因其对土壤健康和植物发育的有益机制而备受瞩目，其在粮食、纤维和
粮食安全是人类面临的重大挑战之一。日益增长的粮食生产需求已对自然资源（尤其是土壤）造成负面影响，凸显了采用更可持续农业实践的必要性。以生物投入品为基础的新一轮农业革命是一种前景广阔的替代方案。微生物因其对土壤健康和植物发育的有益机制而备受瞩目，其在粮食、纤维和生物能源生产系统中的应用已在全球范围内获得广泛关注。生物投入品（Bioinputs）在经济上可行且环境可持续，可带来提高生产力和保护环境等多重效益，代表了传统化学制品的替代方案——化学制品的成本日益上升，而有效性却随时间推移逐渐下降。在农业中应用的微生物中，植物促生根际细菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria，PGPR）通过生物固氮（Biological Nitrogen Fixation，BNF）、磷酸盐溶解、植物激素产生、病原体防护以及改善水分和养分吸收等机制，在促进植物生长方面发挥着重要作用。多个国家已观察到生物投入品使用量的持续增长。尽管立法和激励计划鼓励了其推广应用，但在监管和实施政策方面仍存在挑战，各国标准不一，涵盖从最低质量控制标准到卫生或环境关切等不同层面。本文综述了巴西、阿根廷、印度、美国和欧盟等生物投入品实践已较为成熟的国家和地区在监管框架与推广应用方面的进展，概述了这些新兴技术的历史背景、现行立法及相关举措，以期为全球农业生产的质量和可持续性作出贡献。
2. 土壤微生物的功能与重要性
在健康土壤中，植物促生根际细菌（PGPR）等生物群落通过在根际（rhizosphere）——即受根系分泌物直接影响的根周区域——执行多种有益功能，促进植物生长。该区域的微生物活动对植物至关重要，因其可增强养分吸收并提供病原体防护。PGPR一词由Kloepper和Schroth于1981年提出，定义为通过多种促生物质促进植物生长和生产力的一类细菌群。Kloepper描述了这类细菌的三个固有特征：（1）高效定殖根表面；（2）至少在表达其促生和防护活性所需的时间内，具备存活、繁殖并与本地微生物群竞争的能力；（3）具备促进植物生长的能力。它们还通过不同机制维持土壤健康和提高作物生产力，包括生物固氮（BNF）、磷酸盐溶解、铁载体（siderophore）产生、微量元素螯合、植物激素（如吲哚-3-乙酸、赤霉素和细胞分裂素）产生、土壤有机质矿化与合成、养分吸收、作物残体分解，以及通过具有抗生素作用的次生代谢物抑制植物病原菌。
3. 植物促生根际细菌的作用机制
3.1. 生物固氮（BNF）
在植物促生机制中，生物固氮（BNF）是主要机制之一，该过程由特定的原核生物（称为固氮菌，diazotrophs）专一执行，将大气中的N2转化为植物可利用的含氮化合物。固氮菌的生活方式多样，可自由生活、与宿主内共生或附生，或建立共生关系（如与豆科植物形成根瘤）。BNF过程涉及编码固氮酶（nitrogenase）的基因表达，该酶负责将大气N2还原为氨。nif基因簇编码固氮酶复合体，其中nifH基因在共生固氮菌的系统发育研究中应用最为广泛。Rhizobium和Bradyrhizobium属在此方面研究最为深入，尤其在豆科植物中，而禾本科植物常与Azospirillum属关联，后者可使谷物产量提高达30%。
3.2. 磷酸盐 mobilization
土壤磷酸盐 mobilization 的微生物机制主要包括有机酸（如乙酸、琥珀酸、柠檬酸和葡萄糖酸）的释放、通过质子（H+）释放降低pH，以及胞外多糖的产生，同时涉及磷酸酶和植酸酶等酶的活性以 mobilization 有机磷酸盐形态。执行这些功能的微生物中，较为著名的有Bacillus、Burkholderia、Bradyrhizobium、Enterobacter、Mesorhizobium、Paenibacillus、Pantoea、Pseudomonas、Rhizobium和Serratia等细菌属，以及Penicillium和Aspergillus等真菌种。
3.3. 铁载体产生
在农业中，产生铁载体（siderophore）的微生物在促进植物生长方面发挥着关键作用，尤其是在可溶性铁（Fe II）有效性低的土壤中。它们促进根际铁的吸收，缓解养分缺乏引起的胁迫。通过螯合作用 mobilization 三价铁（Fe III）并将其还原为二价铁（Fe II），铁载体增加了植物对铁的吸收利用，缓解土壤微量元素缺乏，从而促进植物发育。此外，通过复杂的信号通路，铁载体使植物预先启动更有效的防御反应，以应对未来病原体感染，增强其对生物胁迫的抗性。已知产生铁载体的细菌属包括Pseudomonas、Bacillus、Nocardia、Pantoea和Rhodococcus等，被广泛用于不同目的的生物投入品生产。但需注意，并非这些属中的所有种均具备该特性，该性状具有菌株特异性。
3.4. 微量元素去除
土壤微量元素污染构成严重威胁，可能发生在采矿、农业、城市和工业区域，导致土壤和水资源退化。微生物修复成为恢复此类污染区域的重要途径，使其重新适于农业生产和城市占用，从而改善人类健康并促进生态系统恢复。微生物可通过多种机制去除土壤中的这些物质，包括生物吸附（biosorption）、生物积累（bioaccumulation）、生物挥发（biovolatilization）、氧化还原、生物浸出（bioleaching）和生物表面活性剂产生。涉及微量元素去除的细菌实例包括耐汞（Hg）菌株Pseudomonas aeruginosa PA1、从废水中吸收铅（Pb）的Bacillus sp. PZ-1和Pseudomonas sp. I3，以及可吸收铬（Cr）并将有毒的Cr(VI)转化为无毒的Cr(III)的Arthrobacter viscosus。真菌属也被报道为微量元素生物修复剂，如Saccharomyces cerevisiae 2139可去除污染水源中的铜（Cu），Penicillium citrinum P2-01、Trichoderma viride P1-01和Penicillium sp. P3-01则表现出吸收和固定Cr(VI)的显著潜力。
3.5. 植物激素产生与系统抗性
多种PGPR菌株可通过合成和释放植物激素（phytohormones）来改变根系结构并刺激植物生长，这些激素包括吲哚-3-乙酸（IAA）、赤霉素（GAs）、细胞分裂素及某些挥发性化合物。IAA是植物生长发育的关键激素，由许多根际细菌从植物根分泌物中存在的色氨酸合成，在细胞分裂、根起始和分化、韧皮部和木质部维管组织形成、开花诱导及果实发育等生理过程中发挥重要作用。能合成IAA的属包括Pseudomonas、Azospirillum、Bacillus、Burkholderia和Micrococcus。赤霉素类植物激素包含130多种已描述的分子，其中赤霉酸（GA3）最为著名，主要与顶端分生组织的细胞分裂和伸长相关，同时促进种子萌发、花粉管发育和植物开花。产生GA3的根际细菌包括Serratia marcescens AL2-16、Bacillus licheniformis DS3及Azospirillum属等。细胞分裂素主要由植物组织产生，但某些根际细菌也可合成，刺激细胞分裂、诱导根毛增殖并调节根分生组织分化。脱落酸（ABA）参与种子休眠、耐旱性和气孔动态调节等生理过程，某些PGPR种也被发现可产生ABA。乙烯是一种气态植物激素，在种子萌发、根系发育、开花、果实成熟及生物和非生物胁迫响应中发挥重要作用。ACC脱氨酶可降解乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC），帮助缓解乙烯的负面效应，由部分PGPR产生。茉莉酸（JA）是响应生物胁迫（如食草动物或病原体攻击）而合成的植物激素，多种PGPR种可触发植物的JA信号。真菌在植物促生机制中也具有公认作用，其中Trichoderma spp.通过增加植物细胞质膜H+-ATPase活性促进植物生长，并刺激γ-氨基丁酸、赤霉素和oxylipins等物质的合成。丛枝菌根真菌（AMF）与包括农作物在内的多种陆生植物建立共生关系，增强植物养分吸收能力，尤其是磷。
3.6. 生物防治
在植物促生机制中，病原体控制是广泛探索的特性。生物防治可定义为利用对植物病原体具有拮抗活性的微生物。这些微生物通过减少宿主植物组织内病原体活性、降低繁殖体产量来发挥作用。真菌和细菌通过产生抗生素和铁载体触发植物系统抗性，抑制病原体发展。微生物激发子作为植物防御系统的刺激物，触发可导致系统获得性抗性（SAR）和诱导系统抗性（ISR）的机制。在抗生素机制中，由初级和次生代谢产生的抗菌化合物或低分子量肽——如抗生素、细菌素、铁载体和分泌型水解酶——值得关注。Bacillus spp.合成的多粘菌素、环状杆菌素和粘菌素等抗生素对革兰氏阳性和阴性细菌以及植物病原真菌均有效。PGPR分泌的水解酶——如几丁质酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、葡聚糖酶和DNase——可抑制病原体生长和活性。Trichoderma spp.也被报道为微生物生物防治剂，通过空间和养分竞争、寄生、抗生素、铁载体产生及诱导宿主抗性等机制发挥作用。Beauveria spp.对多种植物病原真菌表现出积极防治效果，主要机制包括空间和养分竞争、真菌寄生（mycoparasitism）、抗生素和诱导植物抗性。Cladosporium spp.也是重要的生物防治剂，其产生的铁载体和水解酶可降解植物病原真菌的细胞壁成分。在细菌生物防治剂中，多种Bacillus spp.被广泛用于防治真菌、细菌、线虫和植物病原病毒。Bacillus spp.对病原体的拮抗活性归因于快速生长、空间和养分竞争、挥发性有机化合物、抗生素、水解酶和铁载体的产生，以及诱导植物和果实的系统抗性。Pseudomonas spp.在病原体控制中也发挥关键作用，通过刺激ISR和产生细胞壁降解酶及抗生素来抑制植物病害。
4. 生物投入品使用的演变
植物促生微生物在人类意识到微观生命存在之前就已得到直观应用。公元前372-287年的哲学家Theophrastus建议混合不同类型的土壤以“弥补缺陷并为土壤增添灵魂”。十八世纪末，法国科学家Jean-Baptiste Boussingault证明了植物生长与可利用氮量成正比。1888年，Hellriegel和Wilfarth报道了植物根中细菌将大气氮转化为植物可吸收形态的能力；同年，Martinus Beijerinck率先分离了这些微生物。1890年，Nobbe和Hiltner对细菌与豆科植物相互作用的研究促成了首个基于固氮菌的接种剂开发。1896年，他们描述了使用纯培养Rhizobium spp.的方法并提交了首项人工接种专利申请；同年，Nitragin成为美国首个获得专利的微生物接种剂。1897年，基于Bacillus subtilis内生孢子的Alinit产品在德国埃尔伯费尔德作为“谷物接种细菌肥料”商业化。1904年，Lorenz Hiltner创造了“根际”（rhizosphere）一词。1978年，Kloepper和Schroth提出“根际细菌”一词，随后创造了“植物促生根际细菌”（PGPR）及其缩写。二十世纪五十年代，前苏联使用含有Bacillus（=Priestia）megaterium var. phosphaticum孢子的高岭土磷细菌肥（phosphobacterin），使小麦、玉米、苜蓿和三叶草产量提高50%至70%。生物防治研究也可追溯至十九世纪：1835年Agostino Bassi发现真菌是家蚕白僵病的病原体；1878年élie Metchnikoff和Klassilstchik推荐应用昆虫病原真菌Metarhizium anisopliae作为害虫防治微生物剂。1931年，Sanford和Broadfoot首次使用“生物防治”一词。从2000年代起，大量研究报道了有益微生物在土壤和作物上的应用活性。私营部门在定义和推广生物投入品使用方面发挥关键作用，企业建立了行业协会并支持组织国际研讨会。
5. 全球背景下的生物投入品
为减少农业对农化产品的依赖，农业在经济中发挥主要作用的国家已制定鼓励使用生物投入品的公共政策。欧洲和拉丁美洲国家一直是微生物基投入品的主要消费方，部分原因是合成化学品的严格法律限制。全球生物投入品市场持续扩张以满足可持续粮食生产日益增长的需求。据Markets and Markets?报告，全球生物肥料市场2026年估值为40.8亿美元，预计2031年达69.4亿美元。Grand View Research?报告称，2025年BNF细分市场占全球市场收入的73.3%，预计2033年前保持主导地位。主要市场参与者包括丹麦的Novozymes和Chr. Hansen Holding A/S、瑞士的Syngenta和Vegalab SA、阿根廷的Rizobacter Argentina SA、印度的T. Stanes and Company Limited、UPL和IPL Biological Limited、加拿大的Lallemand Inc以及中国的Kiwa Bio-tech Product Group Cooperation等公司。
5.1. 巴西
巴西是世界主要食品供应国之一，也是南美洲在减少农药使用和制定鼓励生物投入品采用的公共政策方面的先驱。在养分供应方面，主要举措是BNF，主要针对大豆。大豆接种剂生产始于1950年，最初由南里奥格兰德州农业秘书处生产并分发给大豆生产者。1954年采用泥炭作为大豆接种剂载体，1956年第一家私营公司Leivas Leite成立。到1980年，接种剂生产公司数量增至六家，产量达六百万剂，1989年达一千六百万剂。巴西生物防治微生物研究早于固氮菌研究。1920年代起使用Metarhizium anisopliae防治甘蔗沫蝉。1987年，巴西农业研究公司（Embrapa）推出了首个商业化真菌防治产品，基于Trichoderma viride菌株用于防治苹果褐腐病。1980年代，Embrapa还启动了全球最大的生物害虫防治项目——使用Baculovirus anticarsia防治大豆毛虫。1985年，首届BNF研究和接种剂产业代表会议在库里蒂巴召开；1998年，该会议正式化为RELARE网络。1990年，全国接种剂生产商和进口商协会（ANPII）成立，2024年更名为ANPII Bio。2008年，MAPA注册了首个商业生物杀菌剂Trichodermil?。2020年5月26日，第10375号法令创建了国家生物投入品计划。巴西第一部涉及农业产品的法律是1980年12月16日第6894号肥料法。2023年12月27日，第14785/2023号法律对农药法进行了重大更新，简化了包括生物产品在内的植保产品注册流程。2024年，第15070/2024号生物投入品法获批，将接种剂和生物农药纳入同一法律框架。巴西是全球最大的接种剂用户之一，MAPA注册的商业产品超过750种，约75%用于大豆、16%用于玉米。2009/2010种植季起，Azospirillum brasilense Ab-V5和Ab-V6菌株被推荐用于玉米、小麦和水稻接种。2013/2014种植季起，Embrapa推荐大豆联合接种Bradyrhizobium和Azospirillum。2018年，基于内生固氮菌Nitrospirillum amazonense的商业产品进入甘蔗市场。2021年，基于Bacillus aryabhattai CMAA 1363的生物产品上市，可减轻中度干旱影响。
5.2. 阿根廷
与巴西不同，阿根廷采用生物投入品的历史始于1957年，当时使用从其他国家（尤其是美国）进口的接种剂用于豆科作物种植，特别是大豆。1990年代至2000年代间，大豆接种剂发展显著，国家技术的扩展减少了对进口的依赖。2011年第264/11号决议发布，规范了肥料和添加剂。2013年第7/2013号决议创建了农业用生物投入品咨询委员会（CABUA）。2015年第256/2015号决议实施了促进农业生物投入品使用计划（PROFOBIO）。SENASA是负责监管食品安全的国家机构。2017年，阿根廷生物投入品商会（CABIO）成立。2019年，COBIOMAT创建了“阿根廷生物产品印章”。基于微生物的生物产品，特别是大豆固氮接种剂，在阿根廷生物投入品市场中占主导地位。2014年，该国首个生物杀菌剂上市，基于Trichoderma harzianum，由INTA与国家私营公司合作开发。2020年，一种基于Trichoderma harzianum的生物杀菌剂在SENASA注册；2021年，基于Pseudomonas fluorescens的植物促生接种剂注册；2024年，基于Bacillus subtilis的类似接种剂注册。截至2023年1月，阿根廷注册接种剂超过800种；截至2025年3月，注册生物农药68种。Bacillus thuringiensis和Trichoderma sp.是生物防治中最常用的微生物。
5.3. 印度
印度生物投入品研究始于1920年，N.V. Joshi首次从不同豆科植物中分离Rhizobium。1939年，Pran Kumar Dey描述了水稻田中蓝藻的BNF。1956年，该国首次商业化生产生物肥料。1983年，农业部实施了国家生物肥料开发与使用项目。2004年，国家有机农业中心（NCOF）及九个区域中心成立。1992年至2022年间，固体载体生物投入品生产长期增长，从1992-1993年的约2000吨增至2013-2014年的超65000吨。2014-2015年间引入液体剂型，2021-2022年间固体基质和液体基质产品平均产量分别达42000吨和44000吨。印度生物投入品中常用的微生物属包括固氮菌Bradyrhizobium、Acetobacter、Azotobacter、Azospirillum、Rhizobium及蓝藻Anabaena azollae；磷酸盐溶解涉及Bacillus和Pseudomonas菌株及Penicillium和Aspergillus真菌；菌根真菌作为磷酸盐 mobilization 剂；Pseudomonas spp.作为植物促生剂；Frateuria aurantia作为钾溶解菌；Thiobacillus thiooxidans作为硅酸盐溶解菌。尽管做出了努力，印度生物投入品推广仍面临若干制约，包括产品质量差、合适固体载体材料缺乏、运输储存困难以及包装标签和定价缺乏标准化等问题。
5.4. 美国
与大多数国家一样，美国微生物在农业中应用的首批报道并不新鲜。十九世纪末，“土壤转移”成为豆科接种的推荐方法。1901年，美国FDA首任专员Harvey Wiley强调了微生物在农业中的益处。1930年代起，人工接种在美国得到密集使用。2023年，《植物生物刺激素法案》提交美国参议院，旨在统一植物生物刺激素商业使用的审批流程。现行立法将植物生物刺激素定义为：“一种物质、微生物或其混合物，施用于种子、植物、根际、土壤或其他生长介质时，独立于生物刺激素的养分含量，支持植物自然过程，从而改善养分有效性、吸收或利用效率、非生物胁迫耐受性，以及随之而来的生长、发育、质量或产量”。美国生物肥料行业估计复合年增长率（CAGR）高于全球水平，2023至2028年间为12.84%，而全球为10.9%。2024年，美国生物投入品市场估值约35.5亿美元，预计2026年可达44.7亿美元。谷物、水果和蔬菜是美国生物投入品的主要消费对象。商业产品中最常见的微生物包括Bacillus、Rhizobium、Azospirillum、解磷菌和菌根真菌，其中Bacillus是最突出的属。美国微生物防治剂（MCAs）的评估由环保署（EPA）专门部门负责。2023年，美国在该领域记录了2264项专利申请，私营公司为主要申请人，这与政府机构或学术研究机构为主要申请人的其他国家形成对比。
5.5. 欧盟
在欧盟，微生物在农业中应用的首批记录可追溯至1880年代乌克兰，生物学家élie Metchnikoff从小麦甲虫幼虫中分离出真菌Metarhizium anisopliae。到1920年代，首个用于害虫防治的微生物产品已商业化。多种生物防治微生物和生物刺激素曾在旧法规(EC) No. 889/2008下被授权用于有机农业。2018年5月30日起，该法规被新法规(EC) No. 2018/848取代。用于害虫防治的微生物也受欧盟PPP共同法规(EC) No. 1107/2009管辖。2018年，欧盟委员会公布了潜在低风险活性物质清单。与拉丁美洲和印度相比，欧盟对生物肥料/生物刺激素的立法相当严格，仅允许四组微生物（Azotobacter、Rhizobium、Azospirillum和菌根真菌）。在当前的欧盟微生物生物防治剂注册流程中，微生物被视为潜在危险物，这种强调引发了对环境和其组成部分的担忧，而非突出微生物可为农业部门带来的益处。法规(EU) No. 2019/1009引入了七个产品功能类别（PFCs），其中PFC 6为植物生物刺激素，并区分PFC 6(A)微生物生物刺激素和PFC 6(B)非微生物生物刺激素。2016年，欧洲议会和理事会认识到需要针对生物肥料和生物刺激素建立专门立法框架。2022年，随着肥料产品协调法规的实施，生物刺激素政策发生变化，基于作用机制，生物刺激素开始被归类为类似肥料产品而非PPP。
6. 最终考量
关于土壤微生物对植物影响的经验知识自农业诞生之初就已存在。然而，直到二十世纪，关于这些生物的研究和生物基投入品生产的重要性才获得认可。作为化学投入品的替代方案——化学投入品近几十年来引发了对人类健康、环境退化和生物多样性丧失的日益关注——生物投入品为农业提供了可持续的前进道路。能够促进植物生长和发育或直接或通过代谢产物控制病虫害的微生物，如同农业投入品的真正工厂。发达国家和发展中国家都在投资微生物研究，这可能引发农业生产系统的新一轮革命。巴西拥有地球15-20%的生物多样性，在应对全球农业挑战的生物产品竞争中占据突出地位。公共研究机构和私营企业携手推动创新并扩大其市场影响力。
