用于微针生物肥料贴片“做针灸”可减少肥料用量且加速作物生长

新加坡国立大学科研团队近日开发出一种用于植物的“微针生物肥料贴片”系统，有望在减少肥料用量的同时显著提升作物生长表现，并降低传统施肥带来的环境浪费。 研究已发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

课题负责人、新加坡国大健康创新与技术研究所（iHealthtech）助理教授Andy Tay表示，这一思路源于对人体微生物迁移和注射给药方式的借鉴。 团队假设，如果像对人体给药一样，将有益微生物直接送入植物叶片或茎秆内部，它们就能在植物体内迁移至根部发挥作用，同时减少在土壤环境中被酸度或竞争微生物削弱的风险。

为实现这一“定点投喂”，研究人员制备了可溶解的微针贴片，将有益微生物组成的“活体生物肥料”封装在针尖之中。 在实验中，团队采用了由放线菌属（Streptomyces）以及Agromyces–Bacillus菌群构成的植物促生根际细菌（PGPR）混合物，用于促进养分代谢并刺激植物生长激素。 结果显示，在温室条件下，经微针贴片处理的羽衣甘蓝和菜心在株高、叶面积和地上部生物量等指标上均明显优于传统处理。

更为关键的是，这种方法在用肥量上实现了节约：与常规向土壤接种生物肥料相比，微针贴片方案减少了约15%的生物肥料用量。 研究团队指出，这一收益来自更精确的肥料输送，大幅降低了因偏离靶标而导致的肥料浪费及相关环境负担。

按研究团队的定义，“活体生物肥料”是由有益细菌和真菌组成的群体，可视作作物的“植物护士”，帮助作物缓解环境胁迫、提高养分吸收能力。 传统做法是将其施入土壤，但土壤酸度以及本就存在的竞争微生物往往会削弱其效果，使得只有部分微生物最终能进入根区。 相比之下，新加坡团队的新方法通过直接向叶片或茎秆注入有益微生物，绕开了土壤障碍，使其快速到达作用部位。

在材料与工艺上，研究人员选用聚乙烯醇（PVA）作为载体，这是一种价格低廉且可生物降解的聚合物。 实验用贴片面积约为1平方厘米，内部包含一列针长约140微米、适用于叶片的微针，或针长约430微米、适用于茎秆的微针，这些微针布置在由140微米高金字塔构成的40×40阵列之中。 团队先将微生物混入PVA溶液，再利用微模具成型，将微生物“锁”在针尖。

在使用时，操作方式类似反向顶针：种植者只需用拇指按压贴片，或借助简易手持施用器均匀施压，即可让微针无损刺入植物组织。 约60秒后，微针在植物体内溶解，将包载的微生物释放出来，而针体本身则留在植物组织内并最终降解。

团队强调，这套微针贴片技术支持3D打印生产，便于快速制备，且在覆盖大面积叶片时也能实现较为均匀的插入效果。 由于设计上考虑了存储稳定性，贴片中的微生物在常规储存条件下可保持活性长达四周，便于农场提前备货。 相较于土壤施用生物肥料，这种方法几乎不存在“打偏”的情况，使包括高价值作物在内的植物更有把握获得足量“用药”。

值得一提的是，微针技术本身并非首次用于植物领域，类似微针贴片此前已被用于向植物输送农药。 然而，Andy Tay指出，这是首次证明与植物根系相关的生物肥料可以通过叶片或茎秆直接递送，以提升植株生长。 他表示，这一“微针生物肥料”新概念为解决土壤接种方式面临的诸多挑战提供了重要思路。

展望未来，研究团队希望这一技术能够服务于垂直农场、都市农业和药用植物种植等领域。 Tay称，下一步的重点之一是提升可扩展性，团队计划探索将微针技术与农业机器人及自动化系统整合，使其能够在大规模农场场景中落地应用。 此外，研究还将扩展到草莓等更多作物，并进一步追踪微生物如何在植物体内从叶片有效迁移至根部。

编译自/ScitechDaily