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Ines Ochrombel 博士

赢创Creavis农业解决方案创新业务负责人

Stefan Gilch 博士

赢创Creavis农业解决方案项目经理


日益增长的粮食需求、逐渐减少的耕地、不断变化的监管,都要求我们加强农业系统建设及改善环境管理。因此,开发制剂不仅要有效促进植物生长和减少疾病,而且要使产品具有更长的保质期,以及更加环保,这一点很重要。革兰氏阴性菌对农业制剂来说,是个特殊的挑战,我们需要创新的解决方案,以提高稳定性及田间功效。革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌和真菌不同,革兰氏阴性菌不能形成持久孢子,它只有一层薄薄的胞壁包层来稳定细胞膜,这会影响其在液体制剂中的生存。


数十年来,赢创产品一直用于农业制剂,并在常规农业应用中用作桶混助剂。如今,赢创开发出革兰氏阴性菌生物基制剂创新工艺。新的开发成果表明,赢创的生物相容添加剂具有很高的价值,可用于物理性质稳定的固体和液体制剂,适合于多种微生物。赢创新工艺使用封装技术,保护细菌免受环境压力的影响,并提供活性成分的控释,以此提高产品稳定性,增强功效,减少对额外碳源的需求。赢创新成分使用的是OMRI(有机物质检查委员会)认证助剂。


农业生产使用有益细菌,对提高作物生产力及可持续性具有很大潜力。开发有效、可持续制剂,是这项工艺的成功所在,这需要开展多学科协作,将微生物学、配方科学和可持续化学相结合,开发出有效、稳定、环保的产品。


赢创生产工艺助力革兰氏阴性菌制剂成功


赢创生产工艺分为两步。第一步,将革兰氏阴性菌液体培养物转化为生物粉末;第二步,生物粉末悬浮于液体载体溶液。制造生物粉末,需对细菌细胞培养物进行喷雾干燥,将其置于二氧化硅载体产品,即,赢创SIPERNAT® 50产品。在喷雾干燥过程中,将糖涂于细菌/二氧化硅颗粒周围(图1A)。在第二步中,生物粉末被分散到液体产品,即BREAK-THRU® SP 133 (图1B),该产品是一种特殊的生物基载体液体,它在储存过程中起着保护微生物的作用。BREAK-THRU® SP 133 可阻止制剂中的水与细胞发生相互作用。因此,它可使革兰氏阴性菌在储存过程中休眠,并防止污染微生物生长。在储存过程中,载体液体可以保持微生物活力。此外,BREAK-THRU® SP 133 在喷施中一直发挥效力。一旦种植者将液体成分与水混合,细菌和二氧化硅颗粒中的糖就会溶解,并将细菌释放到溶液中。溶液中的糖,即成为微生物生长的营养来源。SIPERNAT® 50 和 BREAK-THRU® SP 133 ,都会溶解到喷雾溶液中。BREAK-THRU® SP 133 是个有益助剂,它增强微生物到叶片表面的输送。这种助剂可降低表面张力,使喷雾液滴附着于植物表面,散发至植物表面,促进渗透,使药液进入植物体内(图1C)。

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图 1:微塑料游离载体颗粒 SIPERNAT® 50 及糖层,可保护革兰氏阴性菌免受环境影响 (A)。SIPERNAT® 50 和 BREAK-THRU® SP 133 载液并用(B),实现微生物储存高度稳定。 BREAK-THRU® SP 133 在叶面施用中的附着特性、抗飘移特性,使药剂在叶片上均匀铺展、渗透,从而实现革兰氏阴性菌的田间功效 (C)。

SIPERNAT® 50


赢创SIPERNAT® 50已通过OMRI认证(在美国允许用于有机农业),且不含微塑料。这是一种沉淀二氧化硅,可与植物中发现的无定形二氧化硅相媲美,并且是天然的。在各种应用中,它被用作性能添加剂,例如载体(微生物和添加剂吸收性基质)、自由流动剂以及粉末中的抗结块剂。赢创SIPERNAT® 50会进入自然地质循环,与植物衍生二氧化硅相同。在这项新工艺中,赢创开发出SIPERNAT® 50,作为干燥工艺基质,以产生自由流动、且易于处理的生物粉末(图2)。
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图 2:SIPERNAT® 50 是一种无定形二氧化硅,在干燥过程作为基质,与革兰氏阴性菌并用,以产生自由流动、且易于处理的生物粉末。SIPERNAT® 50的高吸收能力和多孔结构,使其适用于这类应用,因为它可以吸收水分,防止结块,改善粉末的处理和储存性能。


BREAK-THRU® SP 133


BREAK-THRU® SP 133 已获得 OMRI 认证(在美国允许用于有机农业)。它由植物衍生原料制成(图3),易于生物降解(OECD 301 F),毒理学良性。BREAKTHRU® SP 133 是一种基于疏水性聚甘油酯的助剂,可在水中乳化,也可溶于多种溶剂。BREAKTHRU® SP 133 适用于有机作物生产,作为桶混助剂,它可以提高生物制品(杀菌剂、杀虫剂、除草剂、干燥剂、生物刺激素)的功效。这种助剂是无水的,对少量的水具有调节、适应作用。至此,作为载液使用时,BREAK THRU® SP 133可阻止革兰氏阴性菌、污染微生物的生长,并使细菌保持休眠状态。一旦制剂水中稀释后,BREAKTHRU® SP 133 对水不再进行调节、适应,微生物即开始生长。BREAK-THRU® SP 133 水中稀释后起的作用是助剂的作用,可改善细菌悬浮液喷施效果。
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图 3:BREAK-THRU® SP 133 是一种疏水性聚甘油酯助剂。

赢创新型革兰氏阴性菌液体制剂测试


赢创已对其革兰氏阴性根瘤菌种新型液体制剂进行了测试。根瘤菌物种与豆类根际和其他植物物种成内共生固氮关系,农业生产中被用于增加植物氮,有助于减少肥料使用及提高生产力。我们已在糖层固体载体SIPERNAT® 50上制作了了这类革兰氏阴性菌成分,然后在载体液体BREAK-THRU® SP 133中进行颗粒悬浮处理。


赢创革兰氏阴性菌水分散乳剂配方指南如表1所示,该配方不仅包含活性成分、载体液体 BREAK-THRU® SP 133,还包含亲水分散剂 BREAK-THRU® DA 647,该分散剂可溶于水分散乳剂中,以后可溶于药罐中。另外,增加使用AEROSIL® R 202,一种聚二甲基硅氧烷后处理气相二氧化硅,可大大提高油、水触变效应。


表1:赢创革兰氏阴性菌水分散乳剂配方指南。
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此后,我们测试了环境温度中储存的微生物活力和物理稳定性。结果表明,细胞活力 540天保持较高水平(见图 4),并且成分的物理性质保持稳定。同时,赢创新型液体成分可用于其他革兰氏阴性菌液体制剂。


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图 4:纵轴显示的是革兰氏阴性菌、耐金属根瘤菌的菌落形成单位 (CFU) 测定;横轴显示的是以天为单位的时间。结果表明,使用 SIPERNAT® 50 和 BREAK-THRU® SP 133 时,微生物活力依然较高,这是测试期间室温储存条件下测得的状况。

结论:


赢创农业应用革兰氏阴性菌稳定创新工艺,是生物肥料和生物农药研究领域的重大进步。这项新的两步工艺,创制了二氧化硅与SIPERNAT® 50的封装技术,使用BREAK-THRU® SP 133助剂,解决了细菌离开其自然环境后的活力问题。

赢创合成工艺的关键组成部分和优势:


1. SIPERNAT® 50封装:基于二氧化硅的载体,有助于为革兰氏阴性菌创造一个保护环境,使既保持休眠,又维持活力,直到需要使用时;封装过程确保细菌物理性质稳定,免受环境压力影响,因为环境压力可能会降低其效力。
2. BREAK-THRU® SP 133:助剂对于维持低湿度环境至关重要,对储存中细菌的生命力至关重要;它不需要刻意加水,这会导致导致低水分活性;该助剂还具有输送增强剂的作用,在应用过程中改善植物表面覆盖率,以及细菌在植物表面的附着力。
3. 糖碳源:加糖有两个作用:1)糖玻璃层,在储存过程中保护微生物;2)在应用过程中,制剂加水后,糖即成为食物来源。
4. OMRI 认证:SIPERNAT® 50 和 BREAK-THRU® SP 133 均获得有机材料检查委员会 (OMRI) 认证,表明它们适用于有机农业。对于希望耕种有机作物的农民来说,该认证很重要。
5. 可持续性及生物降解性:该成分设计为环保成分。SIPERNAT® 50不含微塑料,可与天然二氧化硅相媲美,而BREAK-THRU® SP 133也不含微塑料,由生物基构建块制成,无毒理学标签,符合OECD 301F标准,易于生物降解。
6. 便利性和兼容性:液体制剂易于处理,在环境温度下稳定,便于农民储存和使用;它可以轻易与水混合,无需额外的乳化剂,可使用标准农业喷雾器进行喷施;产品质量可以得到保证,因为污染难以产生(即使打开包装后)。
7. 配方可定制:该工艺允许创建综合解决方案,将革兰氏阴性菌与其他化学品相结合,灵活应用,满足特殊农业生产需求。

总而言之,赢创新工艺代表了有益革兰氏阴性菌在农业应用中的重大进展。赢创产品增强物理稳定性、微生物活力及田间应用效果。对于革兰氏阴性菌微生物制剂来说,这是一大进步,它使种植者能够更有效地利用含有这种细菌的产品,促进植物健康,改善土壤质量,减少对化肥和农药的依赖。