微藻源生物刺激劑的制備及在設施農業中的應用

張靖潔 劉珅坤 唐濤 葛保勝 李潤植 崔紅利

（1. 山西農業大學農學院分子農業與生物能源研究所，太谷 030801；2. 山東省煙臺市農業科學研究院，煙臺 265500；3. 中國科學院上海 高等研究院低碳轉化科學與工程重點實驗室，上海 201210；4. 中國石油大學（華東）生物工程中心，青島 266580）

我國是傳統農業大國，從20 世紀80 年代開始，化肥的大量施用，帶動了作物產量的大幅度提升，為我國農業生產和糧食安全作出了突出貢獻。但隨著化肥施用量的逐年加大，我國迅速成為世界化肥消費大國，在占世界7%的耕地上消耗了全球近1/3的化肥量。2013 年我國農用化肥施用量5.912×107t，農作物畝均化肥用量21.9 kg，遠高于世界平均水平（每畝8 kg），是美國的2.6 倍，歐盟的2.5 倍［1］。過量施肥和農藥使用導致土壤質量下降、農作物病蟲害增加、化肥利用率下降、農產品質量下降，農業面源污染已成為我國環境污染的重要組成部分［2］。設施農業（Facility agriculture）基于工程技術手段，能夠實現培養條件相對可控，是一種促進動植物高效生產的現代農業模式。但在設施農業產業迅速發展的同時，亦衍生出一系列肥料和農藥過度使用等綠色安全生產難題，同時也關系到農民的經濟收入和產品質量安全。如化肥過量使用導致土壤結構破壞與群落微生物變化、作物病蟲害發生頻繁且幅度增強、作物產品營養品質下降等問題。過量施肥和農藥使用導致的農業面源污染已經成為設施蔬菜產業發展的瓶頸［3］。國家近幾年連續發布《大氣污染防治行動計劃》、《水污染防治行動計劃》、《土壤污染防治行動計劃》及推進農業供給側結構性改革中，都對減少化肥和農藥使用、保護生態環境提出了迫切需求。尋找新型的傳統化肥替代品、提高化肥吸收效率及保護生態環境是現代農業亟待解決的重大問題。

生物刺激劑（Biological stimulants，BS）是具有調控植物生長作用的成分和（或）微生物的統稱，用于農業生產，能改善土壤理化性質與群落微生物、促進作物的代謝與生長、增強對營養物質的吸收和利用、提升作物抗逆能力及提高作物產量與產品品質。目前生物刺激劑包括有機質（氨基酸、腐植酸、海藻提取物、有機碳、乙酸、糖醇酸、甲殼素、殼聚糖）和生物質（微生物菌劑、激素類）兩大類［4］。常見的生物刺激劑產品包括：新型免疫增強劑（甲殼寡聚糖）、多肽（植物源多肽和動物源多肽）、生防菌（木霉菌和枯草芽孢桿菌）等。盡管目前已有規模化生產和銷售的生物刺激劑，但同時也需要挖掘功能獨特、來源穩定、易于規模化制備強效生物刺激劑的天然活性物質。

微藻是一類重要的光合微生物，具有品質可塑、固碳能力強、生長速率快、培養方式多樣化（光合自養、混養及異養）、生長周期短，可工業化養殖等特點。藻細胞能合成積累多種結構和功能特異的高附加值生物活性成分，包括功能性糖類（螺旋藻多糖、紫球藻多糖等）、健康型脂類（高不飽和脂肪酸、EPA、DHA 等）、優質功能蛋白（藻藍蛋白、藻紅蛋白、別藻藍蛋白等）、天然活性色素（番茄紅素、胡蘿卜素、玉米黃質、葉黃素、巖藻黃質、蝦青素等）、有效抗菌成分（特殊脂類、酚類、萜類）等［5-8］。微藻已經成為新型強效生物刺激劑制備的理想來源。除此之外，微藻生物技術已經廣泛應用于環境治理領域，在煤基煙道氣、畜禽養殖廢水、市政生活廢水、食品加工廢水治理及資源化利用等方面展現出強大的優勢［9-11］。更重要的是，微藻在用于環境治理的同時，獲得的微藻生物質可用來制備生物刺激劑，進而達到治理環境、降低成本、提質增效的多重效益［12］。

本文重點綜述了微藻源生物刺激劑的定義及功能、適合開發生物刺激劑的藻源活性成分及藻種，微藻源生物刺激劑的制備及施用方法，微藻源生物刺激劑在設施農業生產中的應用效果及作用機理，并對微藻強效生物刺激劑的規模化制備及綜合應用進行展望，以期為微藻源強效生物刺激劑的規模化制備及農業生產應用奠定理論基礎和提供現實指導。

1 微藻源生物刺激劑的定義及功能

微藻源生物刺激劑（Microalgae source biological stimulants，MSBS）是來源于微藻的具有調控植物生長作用的成分和（或）富含微藻活細胞的一類新型生物刺激劑。微藻源生物刺激劑兼具微藻功能性肥料與微藻生物農藥的雙重屬性［13］。與傳統功能性肥料或生物農藥相比，微藻源生物刺激劑不但具有肥料與農藥功效，更重要的是能促進作物代謝與生長，更有效吸收營養物質和提高抗逆能力［14］。同時還能改善土壤理化性質與群落微生物，提高作物產量與產品品質。因此，在使用過程要注意區分微藻功能性肥料、微藻生物農藥及微藻源生物刺激劑。

2 適合開發微藻源生物刺激劑的活性成分及藻種

微藻源生物刺激劑包括全藻細胞和微藻源天然活性物質。盡管微藻種類繁多、形態各異，但從全藻細胞的角度出發，并不是所有微藻種都適合開發生物刺激劑。可開發生物刺激劑的藻種是一類能在土壤中存活繁殖，并且可合成單一或多種功效成分的種類。生活在土壤里的微藻種類主要包括：藍藻門、綠藻門、紅藻門、硅藻門和隱藻門等，其中藍藻門和綠藻門占了絕大多數［15］。土壤藍藻門主要包括色球藻屬、平裂藻屬、微囊藻屬、螺旋藻屬、顫藻屬、席藻屬、魚腥藻屬、擬魚腥藻屬和念珠藻屬等。土壤綠藻門主要包括杜氏藻屬、衣藻屬、小球藻屬、盤星藻屬、柵藻屬、團藻屬、四孢藻屬、膠球藻屬、綠球藻屬、集球藻屬、四角藻屬、纖維藻屬、卵囊藻屬、網球藻屬、剛毛藻屬、盤藻屬、羽枝藻屬、鞘藻屬、轉板藻屬、新月藻屬、鼓藻屬和水綿屬等。能在特定的土地中生存繁殖是選擇微藻源生物刺激劑藻種的優先條件。沙漠地［16］、鹽堿地［17］、沼澤 地［18］、貧瘠地等農業種植艱難的地方均有微藻生存的痕跡。篩選、培育當地優勢藻種，制備微藻源生物刺激劑，是解決當地農業種植、改善土質的途徑之一。

基于全藻細胞制備生物刺激劑的優勢在于微藻可存活且具有活性。有研究報道，微藻可合成與高等植物激素類似的物質以及分泌對周圍環境作出應答的物質［19］，如多酚化合物和抗生素類，可刺激植物體內非特異性活性因子的產生、調節內源激素的平衡；一些次生代謝產物也具有同種功效［20-21］。對于微藻源生物刺激劑的功效，藻株性能發揮了至關重要的作用。基于微藻的屬地化特性，中科院上海高等研究院在江浙地區、西北及東北地區分離100余株微藻，并從中篩選了20 株高效固氮固碳藻株，最大固碳速率為1.30 g/L/d，固氮酶活性最高可達到107.4 nmol/h/mg。Mazhar 等［22］研究也發現從農田土壤分離到的4 種固氮藍藻，有較高的固氮效果。1939 年印度首次報道固氮藍藻（Cyanobacterium）作為生物肥應用于水稻增產研究［23］，現如今已有諸多學者對固氮藍藻在農業中的研究進行了挖掘［24-26］，姜繼輝等［27］實驗發現施用藍藻沼肥的土壤全氮含量、有效磷含量、有機質含量分別增加了49.1%、52.3%、33.3%。固氮藍藻在作物生長調節劑和生物農藥開發、農業環境污染防治和農業生態環境保護等方面發揮作用［28-29］，是較好的微藻源生物刺激劑藻種。

基于微藻活性物質制備生物刺激劑的前提是挖掘功能獨特的功效成分。微藻中含有結構獨特、功能新穎、豐富多樣的生物活性物質［30-31］，包括藻多糖及其衍生物（寡糖）、特殊脂肪酸、氨基酸、小分子肽、天然色素、礦物質、植物激素、微量元素、抗生素、酚類、萜類等。例如紅藻門中的紫球藻（Porphyridium cruentum）具有胞外分泌多糖的特性［32-33］，是比較理想的生物刺激劑的制備藻種。歐洲細葉藻（Euglena gracilis）是一種單細胞藻類，屬于裸藻屬（Euglena.），具有完整的葉綠體結構和伸展性很強的細胞膜，可通過光合作用和吞噬兩種方式來滿足自身生長需要。從進化角度分析，細葉藻比其他藻種更接近高等植物，可以合成更為復雜的碳水化合物。研究報道，在沼澤地里細葉藻（Euglena gracilis）和萵苣（Lactuca sativa L.）可以共培養［18］。Jochum 等［34］研究表明水稻和微藻的共培養可以提高水稻的產量與品質。目前，已經通過試驗證明微藻源生物刺激劑（生物肥）的效果顯著［35-38］。

3 微藻源生物刺激劑的制備及施用方法

微藻源生物刺激劑應用于設施農業主要以新鮮活體、提取物及單一活性物質3 種形式，前者基于全藻細胞，而后兩者基于微藻活性物質。

基于新鮮活體制備微藻源生物刺激劑的一般流程：培養至營養脅迫期的新鮮藻液，用殼聚糖改粘性土壤絮凝微藻，制成濃縮藻液。這種微藻源生物刺激劑可以采用單一藻種也可多藻種混合使用，用于培土期，播種前，播種后，苗期，以及植物各生長時期的灌溉，以活的生命體形式注入到土壤中，可通過其生命周期和自身代謝活動促進植物生長。采用與水一起灌溉的方式，在作物根系部位形成藻-作物互作體系。這種方式具有制備成本低、方便易行的優點，但同時對藻種活力有較高要求，保存及運輸成本較高。另外大規模的制備微藻濃縮液需要花費大量人力財力，但與環境治理系統耦合，例如基于微藻培養的廢水［39］、廢氣、廢渣處理耦合獲得大量的微藻生物質，用于制備生物刺激劑，可降低生產成本。劉淑芳等［40］用3 種微藻液作為功能性肥料，促進了黃瓜的生長，同時增加了土壤養分，提高了土壤酶活性。目前，已在實驗室或大田中對葡萄、桃樹、韭菜、山藥、萵苣、黃瓜和苜蓿［41］等作物進行了新鮮活體微藻源生物刺激劑的效果 驗證。

基于微藻提取物制備生物刺激劑主要有水提物與醇提物兩大類。水提物中的功效成分主要是一些水溶性的物質，一般的制備流程：將培養獲得的藻液濃縮成濕藻泥，干燥后獲得干藻粉；在藻粉中加入10 倍體積的水，沸水浴3 h；室溫下離心3 000 r/min，4 min，取上清；水相0.22 μm 濾膜過濾；過濾液濃縮至粉末，4℃保存，此時藻中的大多數水溶活性成分被保留。醇提物主要含有一些脂溶性功效成分，一般制備流程包括：在藻粉中加入10 倍體積的無水乙醇，超聲波破碎15 min，離心取上清；在沉淀中再次加入10 倍體積無水乙醇，超聲波破碎15 min，離心取上清，混合兩次上清液；有機相0.22 μm 濾膜過濾；過濾液濃縮至粉末，4℃保存，此時藻中的大多數醇溶活性成分被保留。這種提取方法是經過高度濃縮的，具有制備成本較高，獲得量小的特點。因此在使用方式上與上述不同，主要采用稀釋與噴施結合策略，作用于植物生長發育各個時期，因提取物中含有促進植物生長調節劑，可誘使植物生長，也可在自然災害來臨之前預先噴施此種生物刺激劑，誘導植物的抵抗力，使植物在災害來臨時可安全度過，達到預防的目的。例如，小球藻熱水提物（CE）具有促進作物生長的功效［42］。

單一活性物質生物刺激劑是在水提物和醇提物的基礎上進一步提純獲得的。這種制備方法得到的生物刺激劑成本更高，但功效更強。有研究報道微藻源寡糖（由2-10 個氨基葡萄糖以β-1，4-糖苷鍵連接而成）作為誘導因子可以有效提高植物的防御應答反應［43］。寡糖還可以促進種子萌發，促進根系生長，促進莖葉、果實生長，加快植物生長發育、改善品質、增產增收等功效［44-45］。1，3-葡聚糖是一種從小球藻中分離的活性成分免疫刺激劑［46］，可清除動植物體內的自由基。另外還有藍藻中的藻膽蛋白和固氮酶可以固定氮元素［47］。多數情況下單一活性物質是以復合添加劑的形式添加在其他肥料和生物農藥中。

微藻源生物刺激劑制備目前存在的問題是：微藻種類繁多，體內的活性物質也是多種多樣，針對不同提取物的提取工藝差距較大，沒有統一標準。另外我國農資產品登記中沒有專門的微藻生物刺激劑品類，對此將藻類提取型生物刺激劑劃歸到有機水溶肥料或微生物菌劑的品類中，因此急需行業統一標準，精準應用微藻源生物刺激劑獨特的促生提質功效。

4 微藻源生物刺激劑在設施農業生產中的應用實例

微藻源生物刺激劑的應用主要體現在設施農業生產中，可分為大田肥料增強劑、溫室大棚肥料增強劑及園藝生產肥料增強劑3 大類。

大田作物，即在作物生長周期內不覆蓋或階段性覆蓋地膜、頂棚等設施的，全天接受自然光照、溫度、養分調節的農業生態系統。由于大田環境相對不穩定，無論是光照、雨水、肥力流失和風力等非生物因素，還是土害、病蟲患等生物因素，均對微藻源生物刺激劑的制備及使用提出了很高的要求。一般的微藻源生物刺激劑篩選自當地或同一作物長期種植的土壤中，因此微藻源生物刺激劑具有廣適性、耐受性、生物固氮固碳強的特點。在大田中，微藻源生物刺激劑的量比較少，無法大規模使用，一般少量添加于其他肥料中。微藻源生物刺激劑主要是依靠活性細胞進行自身生長繁殖、釋放一些激素等小分子物質進而調節作物的代謝。

瓜果蔬菜規模化生產往往依賴溫室大棚，目前針對一些常見瓜果蔬菜進行了研究。對于設施生菜種植來講，同化肥減半組相比，藻源生物刺激劑施加能增產33.6%。同化肥組相比，在減少化肥一半用量時，藻源生物刺激劑增產23.4%。藻源生物刺激劑的施加，提高了生菜總可溶性蛋白含量。水稻大田實驗發現，在減少氮肥25%時，微藻源生物刺激劑能提高稻米10%-20%的產量，主要表現為增加穗數和千粒重［26］。本課題組對小油菜試驗研究表明，施加微藻源生物刺激劑的植株自身葉綠素合成顯著增加，其中葉綠素b 的生成量是對照組的2 倍。植物中葉綠素a 與葉綠素b 的比值一般為3∶1，施加微藻源生物刺激劑會降低葉綠素a/b 的值，促進植物生物質的累積。另外，微藻源生物刺激劑—全藻細胞在種子萌發階段也有顯著效果，我們課題組對綠豆種子在光照條件和避光條件下施加微藻源生物刺激劑，表明微藻源生物刺激劑在避光條件下可提高綠豆種子的發芽勢（圖1-A）。以全藻細胞施肥于盆栽黃瓜生長全周期，黃瓜生長狀況與對照組相比具有明顯優勢（圖1-B）。以水為對照，藻肥為實驗組，復合肥為陽性對照分別施于盆栽小油菜生長全周期，結果表明藻肥與復合肥生長狀況相差不大均比對照組好，但藻肥的營養成分和生物質累積相比復合肥有明顯優勢（圖1-C）。微藻源生物刺激劑—藻源提取物對谷子生長具有促進效果，我們課題組用小球藻、螺旋藻、萊茵衣藻、雨生紅球藻四種藻的水提取物在正常光照和黑暗下對谷子種子進行處理，發現在光照和黑暗條件下4 種水提物對谷子種子萌發至幼苗階段的生長均有促進效果，在黑暗條件下促進效果明顯（圖1-D）。

在園藝生產方面，微藻源生物刺激劑在家庭園藝中具有廣泛的應用前景。家庭園藝由于生態系統很小，內部可能有植物、部分藻類、甚至魚蝦等高等脊椎動物，因此養分的持續緩釋供應和維持生態系統的穩定性功能顯得尤為重要。而微藻源生物刺激劑中的微藻就是來源于自然水體和土壤中，因此能極好地適應該環境，且內部生態系統的生物排泄物等也有助于藻類生長及其活性物質的釋放。無論是養植物還是動物，微藻生物飼料或肥料添加量無需很多，可如同營養液一般兌水使用即可，如有高級的自動進料系統，可定時定量補充飼料，能夠在較長一段時間內無需添加額外飼料或肥料，減少換水和移植頻率，穩定園藝微生態系統。

已有文獻報道［48-49］及我們團隊的實驗都證實了微藻源生物刺激劑能夠促進土壤改良及農作物綠色增產。

圖1 微藻源生物刺激劑應用于作物效果

5 微藻源生物刺激劑作用效果與作用原理

微藻源生物刺激劑的作用機制（圖2）包括改善土壤理化性質、調節群落微生物、增強土壤肥力、促進作物的代謝與生長、增強作物對營養物質的吸收和利用、提升作物抗逆能力及提高作物產量與產品品質。

5.1 改善土壤理化性質

土壤理化性質包括土壤結構和土壤酸堿度等。土壤結構實際上是土壤顆粒按照不同的排列方式堆積、復合而形成的土壤團聚體。不同的排列方式往往形成不同的土壤結構，化學肥料的長期過度使用，使得土壤微生物減少，土壤板結現象嚴重。土壤板結現象造成土壤性質變化，土壤孔隙狀況欠佳，進而影響土壤肥力和耕力。土壤酸化是指土壤中氫離子增加，pH 值下降，土壤呈強酸性或極強酸性的現象。導致土壤酸化的物質包括大氣污染造成的酸雨，土壤中有機質的分解產生的有機酸，土壤中微生物及植物根系的代謝作用產生的碳酸等。一般情況下自然酸化過程較為緩慢，人為因素造成的土壤酸化速度非常快。

使用微藻源生物刺激劑可對土壤的團粒結構進行改善，增強土壤的物理性能和減少土壤顆粒的損失，在一定的條件下，還能參與腐殖質形成。一方面，微藻光合作用消耗大量的二氧化碳等碳源，經過微生物分解后的有機酸如碳酸、醋酸、琥珀酸和檸檬酸等可以作為微藻的碳源，合成有機物。一般微藻培養過程中可調整pH 達到接近中性狀態，正好對抗土壤變酸的過程。活性微藻生物刺激劑復配的小蘇打和光合細菌可以改良酸性土壤，小蘇打是常用的改良酸性土壤產品，光合細菌能夠分解土壤大分子有機物，形成的小分子有機物可以被藻類利用作為碳源，同時光合細菌在土壤中的培養時間增長使pH 逐漸提高，亦可對抗土壤酸化。另一方面經顯微鏡觀察，微藻源生物刺激劑改善了土壤團粒結構，增加土壤表層葉綠素a 含量。土壤的團粒結構決定了植株生根定植、汲取水分及養分，是土壤呼吸速率、持水性能等的主要載體和體現。微藻產生糖類物質，占土壤有機質的0.1%，與植物粘液，礦物胚體和有機膠體結合在一起，可以改善土壤團粒結構，增強土壤的物理性能和減少土壤顆粒的損失，在一定的條件下，還能參與腐殖質形成。

土壤團粒結構的優劣有時直接關系到植株的生長及土壤的健康可持續發展。團粒結構過于緊密的土壤容易造成土壤尤其是下層結構缺氧而形成異養環境，使得土壤性質和pH 等發生變化，生態系統朝向厭氧環境發展而非好氧和厭氧共存的方向發展，導致植物根系活力下降甚至壞死。由于微藻源生物刺激劑中的微藻生物基本都屬于單細胞或單細胞不緊密結合細胞團，可滲入土壤內部，調節土壤微生物的活力，加速分解土壤塊，有效緩解土壤團粒結構過于緊密的現象。在光照極弱的地下土壤部分，微藻即使因無足夠的光照而無法進行光合自養逐漸死亡，也會為其他有異養代謝的微生物提供能量，繼續為植株根系的共生體系做出貢獻。在部分荒漠化、水分含量較少、周期性的農田地區，土壤表面和土壤下層結構還容易形成藻-菌-原生動物共同構成的生物結皮結構，這一物理結構對土壤結構和作物的穩定生長均有極大的好處。

5.2 調節土壤微生物群落

土壤微生物是生活在土壤中的肉眼看不見的微小生物統稱，包括細菌、真菌、病毒和顯微藻類等生物。不同土層分布著不同種類和數量的微生物，它們通過一些氧化、硝化、固氮等作用，促進土壤有機質的分解和養分的轉化（圖3）。土壤中的微生物種類異常豐富，主要包括細菌、古菌、真菌、病毒、原生動物等。它們對土壤的形成發育、物質循環和肥力演變等均有重大影響。

化學肥料的過量施用破壞了土壤微生物群落的豐度，如尿素里面的氨，高濃度的氨對于大多數微生物來說都是毒害性的。土壤微生物破壞后，土壤板結，肥力降低，繼而形成肥料使用量和肥力效果逆反的惡性循環局面。

采用活性微藻源生物刺激劑生物肥料可以改善土壤的微生物生態系統，提高肥力，降低化學肥料的使用，促進作物對營養物質的吸收和利用。某些微藻種類在生長過程中，胞內胞外多糖含量明顯增加，可將更多的C 固定于土壤內，因而土壤溶解性有機碳（Dissolved organic carbon，DOC）及總碳 （Total carbon，TC）含量明顯增加［50］。同時，無論微藻源生物刺激劑單獨使用還是與傳統化肥和生物肥混合使用，都能夠促進土壤固氮酶活性的提高。土壤固氮酶活性的提高，促進了土壤銨態氮（Ammonium nitrogen，AN）含量的提高［14］。

5.3 提高土壤肥力質量

根據生物化學基本理論，從太陽光到生物質理論上最大的能量轉化率大約為10%，現代田間農作物的產量大概為理論值的1/10-1/3，因此提升整個生物質轉化過程的關鍵是提高光合作用的效率，微藻的能量轉化率普遍高于田間作物，液體微藻源生物刺激劑中的活體微藻在土壤表面形成一層保護膜，可大面積吸收利用轉化能量，為土壤增加有效肥力。微藻中的固氮株——固氮藍藻通過其細胞中固氮酶的作用，將大氣中游離態的分子氮還原成可供植物利用的氮素化合物，同時在其生長繁殖過程中不斷分泌出氨基酸、多肽等含氮化合物和活性物質，加之固氮藍藻死亡后釋放出大量的氨態氮，因而大大增加土壤肥力。固氮藍藻單獨使用或與有機肥/生物炭/基質等混合使用可形成微藻生物肥料，減少或替代部分化肥的使用。

圖2 微藻源生物刺激劑作用于設施農業效果圖

圖3 土壤微生物作用于土壤結構示意圖

微量元素作為土壤指標之一，在評價土壤肥力質量中也是至關重要的。微藻源生物刺激劑生物肥中含有多種微量元素，活體微藻亦可吸收土壤中的微量元素，轉化為植物可吸收的復合物。功能農業中也強調在農產品和食品中注重微量元素含量。微藻源生物刺激劑生物肥的使用可提高土壤中的微量元素進而增加農產品的營養價值。

傳統化肥釋放氮磷鉀等元素時間很短，短時間在局部就能達到作物需求營養元素相應的濃度，但由于施肥方式、作物特性、土壤類型等多種因素，化肥的利用率一般都不高。而微藻生物肥具有的生物活性恰恰可以解決這一問題。微藻生長過程也需要氮磷等營養物質進行代謝，并不斷同化成為細胞內含物、細胞器、細胞膜及其它組分，也會通過其種群的不斷擴大而逐步、緩慢地釋放土壤中的氮碳磷庫內的元素儲備，而后通過微藻群落的繁殖—死亡循環使得土壤氮碳磷元素處于不斷的“匯”和“源”的交替過程中，這樣的代謝通路比化肥的釋放通路要延長不少，使得土壤和其上的植株在收納肥料和土壤原本肥力的過程中有一個緩沖的能力和屏障，既能保證植株在一些特定時期不發生肥力過猛、植株細胞內脫水的“燒苗”現象導致減產甚至絕收，也能夠在一段時期內固定來自土壤本身或人工施加的肥料營養成分，達到緩慢釋放營養的效果，保證植株生長的營養需求。

從微藻的培養過程來講，將富含氮磷鉀的廢水中培養出來的微藻用于微藻源生物刺激劑生物肥的開發，既達到了廢水去氮去磷的效果，又能將氮磷緩慢釋放到土壤中，有效增加土壤肥力，保證植物生長所需要的營養。就以農家肥和微藻肥做對比（表1），微藻肥的各類營養物質均高于常用的農家肥。但是，微藻生物質累積量不足，因此在生物肥料方面，還是以活體液體肥為主，通過其他方式作用于土壤和植物，而不是直接作為生物質來增加土壤肥力。

5.4 增強植株對營養物質的吸收和利用

微藻源生物刺激劑包含活體的復合細胞團，其來源大多數是采集、分離、純化自屬地的生態結構。因此其施加到當地生態系統中后能夠快速地對當地生態系統中的非生物和生物因子做出適當的響應。而作為植株來說，其營養吸收的主要手段便是通過其根系從土壤周隙中汲取水分及水溶性的無機和有機物質，作為其光合同化和呼吸的底物。因此其根系周邊的微環境就顯得尤為重要，其根系表面的氧化還原反應類型、速率、反應條件的變化程度等將直接影響植株吸收和生長的速率。微藻源生物刺激劑施加入土壤中后，其活體成分能夠在土壤表面快速形成一層微藻、細菌等優勢生物的群體性生物結皮結構，在根系組織表面，微藻能夠和細菌等形成較為穩定的、呈現周期性規律的共生體，持續不斷地為植株提供必要的代謝產物，而植株也會給予其相應的有機碳及其它植株不能利用而共生體結構能夠利用的氮源或碳源，形成互惠共利的關系。

表1 農家肥和微藻肥的營養元素比較

5.5 促進作物生長、提升抗逆能力及提高產量與品質

在藍藻無害化處理和資源化利用的基礎上，將藍藻制備成微藻源生物刺激劑，并應用于水稻種植［52］，能顯著促進水稻生長，提高產量和稻米品質，其蛋白質含量比化肥種植的水稻高出55.8%，直鏈淀粉和膠稠度分別高出 9.3% 和7.9%。基于高效固氮功能的原核生物——藍藻與高能營養和光合功能的真核生物——綠藻混合制備的微藻源生物刺激劑能顯著促進桃樹平均單果重，增加可溶性固形物含量，大幅提升產品品質。基于固氮魚腥藻制備的微藻源生物刺激劑能顯著促進小麥和西紅柿的 產量［53］。

6 微藻源生物刺激劑應用展望

微藻源生物刺激劑具有獨特的優勢，但目前還存在一系列問題，包括微藻細胞或活性物質的制備，微藻源生物刺激制備行業標準、微藻源生物刺激劑的使用方法等。

降低微藻養殖成本是實現微藻源生物刺激劑規模化制備的關鍵。設計新型微藻規模化養殖設備是有效途徑之一［54-55］。例如，近年來廣泛采用的垂直管道、水平管道、跑道池、交錯流平板反應器及仿生樹形反應器等有效提高了微藻光合活性及生物量，具有高的混合效率及停留時間，30L反應器最大生物量在7 g/L 左右。以35%更新率，可半連續培養20 d，比批次培養可多獲得20%左右的微藻生物量。除此之外，微藻已經廣泛應用于環境治理，在環境治理的同時制備微藻生物質也是降低成本的有效途徑。通過與廢液（生活廢水、畜禽養殖廢水、市政廢水等）和廢氣（電廠、煤焦煙道氣等）處理系統耦合，利用微藻吸收煙道氣中的CO2及NOX提供碳源與氮源，利用工廠的余熱及其他能量，提供微藻生長所需溫度及微藻干燥，結合高效光生物反應器，實現微藻的規模化廉價生產。利用某些微藻的異養和混養特性，吸收廢液中的氮、磷等營養成分，轉化為微藻自身生物質，達到低碳減排、微藻源生物刺激劑的制備及設施農業提質增效的目的。

當然，微藻源生物刺激劑的產業發展還有很長的路要走，還需要更多的科研工作者投入精力和資金，研究每種植物和土質適合的微藻源生物刺激劑，除了要考慮藻種配方和加工方式及施用方式外，還要考慮微藻源生物刺激劑的釋放速率和保質期，以及當地種植的慣有操作，當地氣候與土壤本底值等因素。這些因素也將成為微藻源生物刺激劑開發的重點和難點。