综述：微生物生物肥料：作用机制、农业应用、创新与未来展望

《Applied Microbiology》：Microbial Biofertilizers: Mechanisms, Agricultural Applications, Innovations, and Future Perspectives

　　

摘要 不可持续的农业实践以及对化学肥料的过度依赖已导致严重的环境问题，如土壤和水体污染、生物多样性丧失以及对人类和动物健康的风险。此外，植物病害持续降低作物生产力并威胁全球粮食安全。因此，迫切需要关注可持续农业实践。微生物生物肥料作为化学肥料的环境友好型替代品应运而生，其有助于养分增溶与可利用性提升、土壤肥力改善和植物生长促进，同时减少化学肥料的应用。微生物接种剂通过发挥互补作用来提高农业产量，例如通过生物固氮（biological nitrogen fixation）和磷酸盐增溶（phosphate solubilization）促进养分吸收，通过植物激素合成促进植物生长，以及通过激活植物防御反应减轻病害。2025年一项基于中国107项田间研究的荟萃分析报告显示，小麦平均增产22.3%，水稻增产13.6%，玉米增产12.8%，谷子增产65.4%；而一项在盐渍土中进行的田间研究报告称，大麦在不降低籽粒产量的情况下，氮磷钾（NPK）化肥用量减少了25%。本综述概述了微生物生物肥料的主要类型、作用方式及其在重要种植制度中的应用。特别强调了能够增强养分循环、植物生产力以及对非生物胁迫因子耐受性的微生物联合体（microbial consortia）。纳米技术、基因工程微生物以及微生物接种剂与有机废弃物组合的应用，是可用于下一代生物肥料开发的一些策略。本综述还讨论了微生物生物肥料在制剂、田间表现和商业化方面的主要障碍。未来展望围绕优化微生物制剂、应用先进生物技术工具以及制定支持性政策，以促进微生物生物肥料在可持续农业中的快速应用。

1. 引言

氮（N）、磷（P）和钾（K）是植物生长发育所必需的养分。然而，这些养分的化学形态及其与土壤矿物和有机质的相互作用常常限制其有效性。微生物通过转化或增溶这些难利用形态来促进养分活化。解磷细菌（PSB）和丛枝菌根真菌（AMF）是两类可提高磷酸盐有效性的有益微生物。PSB产生的有机酸可将不溶性矿物磷酸盐转化为可溶形态，而AMF可增强植物对磷（P）的吸收和转运。土壤氮（N）主要以有机形态存在，矿质氮仅占一小部分。为满足粮食需求，大量化学肥料持续被使用，但其生产和施用可能导致土壤、空气和水体污染。微生物生物肥料通过固氮、养分活化、产生植物激素、合成铁载体、产生抗生素及分泌降解酶等多种互补机制，促进养分有效性并刺激植物生长，是化学肥料有前景的生态友好型替代品。尽管已有大量研究，但在微生物功能及其可靠应用方面仍存在显著空白。本综述基于Scopus、Web of Science、PubMed和Google Scholar等数据库的同行评审文献，检索时间为2024年4月至2026年8月，对微生物和蓝细菌生物肥料进行了批判性和最新的综合评述，将其机制和农业应用与当前局限性及新兴研究重点联系起来。

2. 生物肥料的分类

2.1. 微生物生物肥料的定义

微生物生物肥料是基于有益微生物（主要是细菌、真菌和蓝细菌）的产品或接种剂，通过改善必需养分的有效性、吸收或生物转化来促进植物营养和土壤肥力。其主要施肥功能包括生物固氮、磷的增溶或活化等。本综述主要从营养功能角度考虑微生物生物肥料，而生物刺激和生物防治效应被视为某些微生物可能表现出的补充活性。生物刺激效应包括产生植物激素、铁载体、1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶及其他能刺激植物生长或提高非生物胁迫耐受性的代谢物。生物防治活动则涉及通过竞争、抗生作用、重寄生和诱导植物防御机制等途径抑制病原体。

2.2. 主要微生物类群及其作用机制

用作生物肥料的微生物类群包括菌根真菌（如Glomus属）、共生细菌（如Rhizobium属）、植物促生根际细菌（PGPR），如Azotobacter属、Azospirillum属和Bacillus属，以及蓝细菌，如Nostoc、Anabaena和Arthrospira platensis。这些生物肥料定殖于根际或植物内部组织，增强养分有效性和吸收。蓝细菌因其转化大气氮和产生抗氧化剂等生物活性物质的能力而备受重视。一些商业产品，如含有Arthrospira sp.微藻的叶面施用生物肥料Spirufert?，已在鹰嘴豆和茄子等作物上显示出良好效果。

2.2.1. 生物固氮

氮是植物必需的大量营养元素。大气中的氮气（N₂）需通过固氮微生物（diazotrophs）转化为铵（NH₄），这些微生物分为三类：共生固氮菌（如Rhizobium属）、自生固氮菌（如Azotobacter）和联合固氮菌（如Azospirillum）。共生固氮对豆科植物尤为重要，而自生或根际联合固氮菌的效果则高度依赖根际条件和资源可用性。例如，Azotobacter接种可使棉花氮肥需求减少高达50%，但幅度因作物、菌株和环境条件而异。Azospirillum通过固氮和产生植物激素（IAA和赤霉酸）协同促进谷物生长。生物固氮的效果在很大程度上取决于微生物、植物和环境之间的相互作用，实验室或温室条件下的表现往往无法在田间条件下复现。

2.2.2. 磷增溶

磷是核酸合成和能量生成所必需的养分。解磷微生物（PSMs）通过分泌有机酸、螯合金属阳离子和产生胞外多糖，将不溶性磷酸盐转化为植物可利用的离子，主要是H₂PO₄^?和HPO₄^2?。解磷真菌（如Trichoderma）兼具磷增溶、有机物分解和补充性生物防治活性。细菌类PSMs（如Bacillus和Pseudomonas）主要通过有机酸分泌和磷酸酶产生发挥作用。然而，PSMs在田间条件下减少化学磷肥依赖的效果并不稳定，其有效性不能在所有农艺条件下得到保证。

2.3. 生物肥料中微生物提供的生物防治补充功能

生物防治策略利用活体生物减少病原体影响。许多此类生物（如Trichoderma和Aspergillus）同时也分解磷酸盐并促进植物营养。生物防治因子通过互补机制发挥作用：竞争养分和空间、重寄生（如Trichoderma spp.对抗病原真菌）、通过激素信号诱导系统抗性，以及产生抗微生物化合物（HCN、铁载体、抗生素和水解酶）。关键例子包括Trichoderma sp.、Pseudomonas fluorescens、Bacillus subtilis以及蓝细菌（Nostoc和Oscillatoria）。然而，生物防治和促生功能的同时表达并不能保证在所有农业条件下的一致有效性。

3. 生物肥料的农业应用与优势

生物肥料的应用方法包括种子接种、土壤掺入和叶面喷施，可使用液体或干制剂。

3.1. 在谷类和豆类中的应用

谷类作物是微生物生物肥料应用的主要目标。在盐渍土中，向大麦施用Rhizobacterin、Phosphorin和Microbein可在不降低籽粒产量的情况下减少25%的矿质NPK肥料投入。一项基于中国107项田间研究的荟萃分析显示，小麦增产22.30%，水稻增产13.58%，玉米增产12.77%，而谷子增产高达65.42%。在豆类中，同一荟萃分析显示大豆增产8.45%，蚕豆增产38.72%，菜豆增产54.03%。在埃塞俄比亚，Rhizobium与解磷细菌（PSB）联合施用使蚕豆籽粒产量达到2369 kg ha^?1。在巴西，Bradyrhizobium spp.与Azospirillum brasilense共接种使大豆增产8%（273 kg ha^?1）。

3.2. 退化与盐渍化土壤的修复

生物肥料通过改善土壤物理、化学和生物性质来提升土壤质量。基于藻类和蓝细菌的生物肥料因其高养分含量和生物活性代谢物的产生而备受关注，可通过CO₂固定、胞外多糖产生和生物炭形成等机制改善土壤结构、保水能力，减少侵蚀。生物肥料也被视为修复盐渍化和退化土壤的有效工具。Arthrospira sp.提取物因其富含微量元素、植物激素、维生素和氨基酸等生物活性化合物，在缓解盐胁迫方面效果显著。然而，生物肥料修复退化或盐渍化土壤的能力并非在所有情况下都一致，短期植物生长改善与土壤性质的真实长期恢复是两个不应混淆的不同结果。

3.3. 经济效益与成本降低

多项田间研究证明了微生物生物肥料的经济效益。在立陶宛，细菌富集肥料实现了大麦最低生产成本（146.62欧元/吨）和最高利润（593.56欧元/公顷）。在巴西，大豆共接种试验带来了111.5美元/公顷的额外利润。这些结果表明微生物生物肥料可通过减少矿质肥料需求、维持或提高作物生产力来提供经济效益，但这些效益并非在所有生产系统中均匀体现。

4. 微生物联合体与协同互作

4.1. 协同互作的证据

虽然单一微生物能提供益处，但当它们整合到微生物联合体中时，这些效应会显著增强。一克土壤可能含有约9×10⁷个细菌、4×10⁶个放线菌、2×10⁵个真菌等。基于ITS和16S rRNA测序的新进展已鉴定出多达182种真菌物种和964个细菌属。然而，分类多样性并不保证功能协同性。

4.2. 生物肥料中的微生物联合体

田间试验测试了固氮菌（Gluconacetobacter G1和Azospirillum ACD-15）、解磷菌（Pseudomonas striata）和解钾菌（Bacillus mucilaginosus）的不同组合。结果显示单一菌株影响甚微，而氮磷钾（NPK）联合体通过组合互补的微生物作用，同时确保N、P、K供应，从而促进玉米生长。Trichoderma与其他真菌、细菌或植物提取物的联合比单一生物产生更强的协同效应。产生ACC脱氨酶的联合体成员可降低胁迫下植物体内的乙烯水平，使共接种的固氮或解磷菌株更有效地发挥其营养效益。

4.3. 联合体的胁迫耐受性与生物防治

根际细菌联合体已被证明可提高玉米产量、养分利用和肥料效率。微生物联合体还能增强作物对盐度和环境胁迫的耐受性。在干旱胁迫下，细菌联合体改善了蒙古黄芪的生长和次生代谢物积累。在番茄中，Bacillus和Trichoderma菌株的联合体在田间条件下抑制了青枯病并改善了植株表现。蓝细菌-细菌联合体因其互补功能代表了另一种有前景的方法，已报道其对番茄生长、产量和果实品质的有益影响。

4.4. 当前挑战与设计标准

微生物联合体在田间表现可能受到环境变化、与本地微生物种群竞争以及施用后存活率降低的负面影响。有效的联合体设计需遵循以下标准：功能互补性优先选择功能互补且不重叠的菌株；拮抗与相容性测试必须在制剂前验证；生态位相容性需评估共接种菌株在植物相关环境中的建群能力；作物和土壤特异性要求针对特定作物-土壤系统进行验证；与本地群落的互作及温室阶段证据需评估接种菌株的存活和持久性；制剂相容性需考虑微生物在载体和储存条件下的活力；田间阶段证据需证明联合体在真实条件下的农艺效益；田间前验证群落稳定性应在多种连续或复合胁迫条件下评估；证据局限性表明有效设计应从实验室相容性测试依次推进至温室验证和田间确认。

5. 生物肥料的新进展

5.1. 纳米赋能生物肥料与先进制剂

制剂方法包括液体、固体、载体型、聚合物型或包囊型。纳米技术已成为农业中包括养分输送和先进生物肥料制剂在内的有前景工具。例如，已研究了纳米颗粒包被的植物促生细菌作为下一代生物肥料。然而，一项对70项原始研究的系统综述显示，仅五项研究评估了市售纳米生物肥料产品，表明该技术仍主要处于实验和开发阶段。

5.2. 下一代联合体与合成微生物群落

研究正从单一菌株接种剂转向有目的地构建的联合体和合成微生物群落（SynComs），这些群落基于生态相容性和互补功能特征进行选择。SynComs也被提议作为气候智能型生物肥料。然而，群落稳定性、菌株相容性、持久性和田间可重复性限制了SynComs作为新兴技术的应用。

5.3. 基因组引导的生物肥料设计与多组学

宏基因组学、宏转录组学、代谢组学和全基因组测序等多组学方法通过阐明微生物多样性和功能特性来辅助菌株选择。一种“基因组优先”的选择技术整合了代谢建模、功能基因挖掘和全基因组测序来合理设计稳定的SynComs。然而，这些方法应被视为使能技术而非独立产品，计算预测尚不能完全捕捉土壤微生物互作的情境依赖性。

5.4. 基因工程微生物菌株

基因工程和合成生物学旨在利用重组DNA技术等改良固氮和病原体抑制等特性。研究人员已在实验室规模成功改造了Rhizobium、Bacillus和有益真菌。然而，在释放基因工程生物前需要严格的监管控制。欧盟根据法规(EU) 2019/1009和指令2001/18/EC进行管理，中国在农业农村部（MARA）指导下建立了类似框架。自2019年以来，一些基因改造微生物产品已进入美国市场，有时受到的监管限制较少。

5.5. 与有机改良剂的组合

粪肥、堆肥、植物残体和生物炭等有机改良剂可改善土壤性质并影响微生物群落。将这些改良剂与微生物接种剂组合可进一步改善养分有效性、土壤肥力和植物表现。然而，这种组合应被视为成熟的农艺策略而非真正的新兴技术。

6. 生物肥料的局限性

6.1. 田间表现不一致

微生物生物肥料的主要局限性之一是其在田间条件下的效果不一致。一项关于玉米细菌生物肥料的荟萃分析报告田间平均增产15.3%，但响应差异显著，且温室实验无法充分预测田间条件下气候、土壤和分类变量的影响。

6.2. 生物制剂、储存与质量控制（技术局限性）

在整个产品保质期内维持微生物活力仍是一项重大技术挑战。温度、湿度、氧气可用性、紫外线辐射、污染和储存时间等因素可影响微生物的存活和活性。冻干细胞粉制剂比液膜法干燥的制剂保留约11%更多的微生物细胞，但冻干粉制成的片剂或颗粒硬度较高增加了崩解时间。质量控制程序应包括验证微生物身份、纯度、活力和功能特性。

6.3. 经济、商业与农民采用限制（经济局限性）

微生物培养、制剂、质量控制、储存、运输和田间验证的费用可能增加最终产品成本。在非洲，生物肥料采用的障碍包括农民认知有限、资金缺乏、分销薄弱和标准缺失。扩大生产规模具有挑战性，需要改进造粒、提取和浓缩工艺。

6.4. 监管与标准化挑战（监管局限性）

不同国家的监管要求差异很大，缺乏标准化定义、质量标准、注册流程和功效标准使产品开发和市场准入复杂化。监管碎片化问题不仅涉及发展中国家，也涉及科学先进国家。

7. 未来展望

未来研究应侧重于在真实农业条件下全面验证生物肥料性能，需要多地点、多季节的田间试验。微生物联合体的创建和维护是第二个优先事项，应基于功能互补性、微生物相容性和生态位适应性进行合理设计。制剂和产品稳定性仍是首要研究关注点，需要改进载体材料、包囊和稳定化技术。建立标准化的质量控制流程和功效评价方法至关重要。商业化与经济问题需要更多关注，应评估矿质肥料需求变化、生产成本和盈利能力。最后，生物安全评价和监管协调对于下一代微生物生物肥料的负责任开发至关重要。

8. 结论

微生物生物肥料是可持续农业的可行组成部分，能够增加养分有效性、促进植物发育、提高养分利用效率并增强作物在生物和非生物挑战下的韧性。主要挑战在于创建能在各种田间条件下持续且可重复地提供优势的生物肥料解决方案。微生物联合体、合成微生物群落、多组学和基因组引导技术可增强下一代生物肥料的预测性和功能表现，但其有效性需通过全面田间测试来证明。研究人员、制造商、监管机构和农民的协同努力对于确保微生物生物肥料安全、有效、经济可行并适应实际农业环境至关重要。