《Algal Research》：Microalgae- and cyanobacteria-based biostimulants: Formulation strategies and patent landscape for sustainable agriculture
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微藻与蓝细菌生物刺激剂（MCB）在提升作物抗逆性和可持续农业中的应用潜力，通过专利分析和实验研究揭示其配方优化、菌株筛选及商业化挑战，提出纳米封装和基因编辑等技术创新方向。
Hiba Elmimouni|Amer Chabili|Hafsa Foua|Mountasser Douma|Abdelilah Meddich|Mohammed Loudiki
卡迪阿亚德大学（UCA），科学学院Semlalia分校，生物系，水科学实验室，微生物生物技术及自然资源可持续性研究组，Prince Moulay Abdellah大街40000号，摩洛哥马拉喀什
摘要
随着对有机农业和可持续农业需求的增加，人们开始更多地使用环保产品来减少对农业化学肥料的依赖。基于微藻和蓝细菌的生物刺激剂（MCB）配方作为一种有前景的解决方案，能够提高生物刺激剂产品的稳定性和持久性，同时解决传统生物刺激剂所面临的问题，如快速降解、保质期短、污染风险以及细胞存活率不稳定等问题。多项实验表明，这些基于微藻和蓝细菌的配方在温室和露天条件下能够促进植物生长，并减轻非生物胁迫的不利影响。然而，仍需进一步研究以充分挖掘其潜力并推动其在市场中的应用。本文旨在全面概述MCB配方的开发过程，包括适宜菌株的选择、生物量生产与优化、配方策略以及应用方法。通过对专利文献的统计分析，探讨了相关专利的现状，并分析了在配方组成、菌株选择及农业用途（作为生物刺激剂或生物肥料）方面的发展趋势。
引言
全球粮食安全是社会面临的一个严峻挑战[1]。预计到2030年，将有超过8.4亿人（占世界人口的10%）遭受饥饿[2]。因此，必须提高农业生产以满足不断增长的粮食需求[3]。气候变化和农业用地退化严重限制了产量提升[4]。非生物胁迫已导致作物产量大幅下降（最高可达50-80%），具体取决于作物种类和地理区域[5]。为弥补这些损失，人们过度使用合成肥料，但忽视了其对环境的影响，如空气污染、土壤退化和水体富营养化[6],[7]。
植物生物刺激剂作为一种环保且创新的方法，旨在减少化学投入并在不利环境和土壤条件下提高作物生产力[8]。这类产品能够提升养分利用效率、增强抗非生物胁迫能力以及作物品质[9],[10]。与标准肥料相比，生物刺激剂在低剂量下就能显著提高作物产量，因此引起了研究人员和农业界的广泛关注[11]。生物刺激剂来源于多种途径，包括藻类和植物提取物、蛋白质水解物、腐殖质（腐殖酸、富里酸和胡敏素）、微生物（细菌、酵母、微藻和丛枝菌根真菌（AMF）以及合成物质[12],[13],[14]。
从经济角度来看，预计全球生物刺激剂市场规模将从2023年到2030年以每年7.4%的速度快速增长[15]。根据欧盟委员会的数据[16]，藻类提取物（包括大型藻类和微藻）占生物刺激剂市场的40%以上。然而，目前市场上大多数产品基于大型藻类（尤其是海藻提取物），仅有少数基于微藻和蓝细菌的生物刺激剂产品可供销售[17],[18]。微藻提取物的生物刺激活性源于其中丰富的生物活性物质，如多酚、多胺、碳水化合物、多糖、氨基酸和植物激素，这些物质可通过叶面或根部施用被植物吸收[11],[18],[19]。微藻基产品可以以多种形式应用，包括新鲜或干燥的生物量，单独使用或与其他物质（有机或传统肥料、堆肥、生物炭等）及微生物（AMF、促生长根瘤菌（PGPR）结合使用。
尽管生物刺激剂为可持续农业提供了有前景的商业解决方案，但也存在一些缺点，如效果不稳定、快速降解以及通过土壤流失等问题，这导致需要频繁施用，从而降低了盈利能力并影响了其在农业实践中的普及[9],[20],[21]。为应对这些挑战，最近开发出了创新的MCB配方策略，如使用纳米材料、微胶囊化或聚合物基载体，以进一步提高产品的保质期，同时确保生物利用度、控制释放速率并符合环保标准[4],[22],[23],[24]。不过，这些方法仍处于探索阶段，缺乏大规模应用验证，成本效益也尚未得到充分验证。未来研究将进一步挖掘其潜力，为农业发展开辟新途径。
本文概述了MCB配方开发的主要步骤，包括适宜菌株的选择、生物量生产与优化、配方方法及应用策略。同时分析了基于微藻和蓝细菌的生物刺激剂的专利文献，指出了未来研究的方向和优化建议。本文总结了不同类型MCB配方的优缺点，介绍了创新技术和先进配方策略，并讨论了其在可持续农业中广泛应用的关键限制因素。
高潜力菌株的选择标准
选择用于生物刺激剂配方的有效微藻和蓝细菌菌株需满足多个标准（图1）。所选菌株应具有快速生长能力、高生物量产生能力，并能适应多种环境因素（如光照、温度和湿度变化），这些对于大规模栽培系统至关重要[17],[25]。此外，它们还应在经济高效的培养基和废料流中生长，并能产生多种生物活性物质
基于微藻和蓝细菌的生物刺激剂配方优化
MCB配方已成为提高作物产量和缓解环境压力的可持续解决方案。配方设计需确保最大效果，以实现更安全、经济高效且环保的应用。因此，需要采取多种措施优化配方制备的各个环节（图7）。
MCB产品的配方设计（第5步）包括优化提取参数（例如，生物量与溶剂的比例、溶剂类型等）
专利数据库搜索与数据分析
专利搜索使用了欧洲专利局（EPO）的Espacenet搜索引擎，收集了与MCB和生物肥料相关的专利文献。通过Espacenet的高级搜索功能，结合特定的合作专利分类（CPC）代码（“A01N”、“C05F”、“C05G”和“C05D”），对这些文献进行了筛选
基于微藻和蓝细菌的生物刺激剂使用中的关键问题
尽管人们对MCB配方充满兴趣，但市场上实际可用的产品仍很少，且其在农业实践中的应用也较为有限。其中一个主要限制因素是上游和下游过程（如培养、收获和提取）的高成本。光生物反应器和开放式池塘系统需要较高的基础设施投资和运营费用，包括照明和温度控制
未来发展方向
为克服上述限制，可以考虑以下解决方案和未来发展方向：
–利用CRISPR/CAS9等基因编辑工具进行基因工程改造，可提升菌株的生产力、抗逆性和代谢产物的生成，从而改善生物刺激剂的效果。
需要对微藻和蓝细菌进行代谢组学研究，以发现新的生物刺激活性物质并了解其代谢途径。连续培养系统也有助于提高生物刺激剂的效果结论
微藻和蓝细菌提取物或生物量作为植物生物刺激剂具有巨大潜力，部分配方已应用于部分企业的生产流程中。从实验室规模扩大到大规模生产时，需考虑多种因素以确保性能的一致性。开发新的优化策略对于维持这些配方的长期有效性和功能性至关重要。
作者贡献声明
Hiba Elmimouni：撰写初稿、方法论设计、研究实施及概念构思。Amer Chabili：撰写与编辑、方法论设计、概念构思。Hafsa Foua：撰写与编辑、数据可视化。Mountasser Douma：撰写与编辑、指导工作。Abdelilah Meddich：撰写与编辑、验证工作、项目监督、资金筹措及概念构思。Mohammed Loudiki：撰写与编辑、验证工作、项目监督、资金管理、研究实施及概念构思。资助情况
本研究得到了摩洛哥高等教育、科学研究与创新部以及OCP基金会的支持，资金来源于APRD研究计划。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的利益冲突。
致谢
我们感谢摩洛哥高等教育、科学研究与创新部、OCP基金会、UM6P以及CNRST通过APRD研究计划对本研究的支持。同时，作者也感谢CNRST在PHD-Associate奖学金-PASS项目中的财务支持（奖学金编号：36 UCA2024）。
