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生物刺激素之——酶与农业
2024-10-28 11:01:28
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如上一篇文章“酶是什么”中,我们大家对酶有了初步了解。酶作为一种生物催化剂,其是一种蛋白质,由各种氨基酸脱水缩合成多肽链,再按照一定规则折叠组合而形成。生物的每一种反应过程都和酶的催化有关。已发现的酶有 5000 种左右,其中已经利用的有 150 种,工业生产的酶仅60 多种,形成1000 多种商业酶制剂。酶虽然在各行业都发挥了重要作用,但是当我们百度搜索关键词“酶、农业”等字眼,很少有相关产品介绍,更多的还是微生物衍生而成的微生态制剂产品(微生物菌剂)。它的作用主要还是集中在食品,畜牧、生物研究等方面(见下表)。



一、与农业有关的酶


1、植物生长过程中涉及到的酶

植物营养生长是植物积累养分和增加体积的生长阶段。植物通过光合作用和吸收水分、养分等过程,合成有机物质并储存在不同的植物部位中,包括根、茎、叶等。


光合作用中就涉及多种酶如叶绿体磷酸核酮糖激酶(PRK)、甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)、果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)和景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBPase)等。还有光合色素酶、光合酶和电子传递酶将光能转化为化学能等,这些酶都受到光/暗和氧化还原信号的调控。


而在生殖生长阶段,涉及植物花芽形成、开花结果、转色等过程,也是全程有酶参与,如过氧化物酶、酯酶、丝氨酸羧肽酶样酰基转移酶、钙依赖型蛋白激酶、叶绿素酶(Chlorophyllase)和脱镁叶绿素酶(Pheophytinase)、胡萝卜素合成酶等很多种酶。


2、土壤中涉及到的酶


土壤中的酶既来源于活的微生物或土壤动物,也来源于活的细胞的排泄物甚至是死细胞 ,它们与有机矿物胶体复合起来。根据土壤酶在土壤中发挥功能的差异,将其分为四大类,即水解酶、氧化还原酶、裂合酶和转移酶:


①水解酶,酶促各种化合物中分子键的水解和裂解反应,主要有磷酸酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等。主要参与有机质的矿化过程,负责将土壤中不容易被植物和微生物利用的多糖和蛋白质等大分子物质水解成容易被吸收利用的小分子物质。


②氧化还原酶,酶促氧化还原反应,主要包括脱氢酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶等,催化氢的转移和电子传递的氧化还原反应,与土壤中有机质的转化和腐殖质的形成密切相关,对维持生态系统和养分的循环过程起重要作用。


③转移酶,酶促化学集团的分子间或分子内的转移,同时产生化学键的能量传递反应,主要包括转氨酶、果聚糖蔗糖酶和转糖苷酶。其催化某些化合物中基团的转移,即一种分子上的某基团转移到另一分子上去的反应,不仅参与蛋白质、核酸和脂肪的代谢,还参与激素和抗菌素的合成和转化。


④目前对土壤中的裂合酶的研究较少,其中主要有天门冬氨酸脱发酶和谷氨酸脱羧酶。


这些阶段任何一个步骤都是需要酶来参与的。但为什么我们没有直接使用酶制剂来提高植物生长及生殖能力,大家可以思考一下?


二、农业中应用的商品酶制剂


跟农业相关相对成熟能用到的酶是纤维素酶、蛋白酶以及植酸酶。

(每种农用酶商品介绍请自行下载:链接:https://pan.baidu.com/s/1UdqMvP5kIdqOFTaXfNczbg?pwd=rl8y,提取码:rl8y)。另外还有针对海藻生产海藻肥的复合酶产品。前面三种酶主要应用在有机肥腐熟上面,我们从腐熟剂相关标准,能看出来(如下):纤维素酶活达到30U/g,蛋白酶活达到15U/g。


如果大家了解酶的功能,从酶的名字即可大概知道功能,如纤维酶就是以分解纤维为主的酶类,蛋白酶就是参与蛋白分解成氨基酸等过程。植酸酶,是分解土壤中的植酸的专一性酶。植酸是土壤有机磷的重要组成部分,占有机磷总量的50%-80%,植酸酶对植酸的分解,释放有机磷给予植物吸收。但是实际上植酸酶主要还是在饲料上使用,在种植业的应用主要还是拿来腐熟秸秆类纤维有机物料。这类产品实际上也是属于粗糙的发酵酶制剂产物,纯的酶主要还是应用在生物研究领域(见下图)。



看上去种植业很少涉及酶,但实际上种植行业中我们对于利用酶进行营销的概念已经不陌生了,比如“台湾or日本酵素”以及日本“自然农法”,其实它们准确得应称为“微生物发酵后的混合营养物质”,在一定程度上能为植物或者土壤中的微生物提供有机养分。不仅是酶,就是具有功能性的微生物,其发酵对环境是有严格要求的。田间条件(用水、空气、温度、pH值、底物选择等)都是无法达到无菌或者尽力少杂菌状态,对于防病抗病,或者需要特定微生物代谢物的发酵,更没法达到。但是不是说,种植户不能自己发酵用肥,只是需要明白一个概念,这种发酵获得的是水溶性有机肥料,根据你的原料如豆粕、油枯或者花生麸等,在简易的发酵水池中,有氧(搅拌机供养)或者无氧发酵,里面可能包含氨基酸、多肽、有机酸等。


酶制剂相关企业主要有诺维信、蔚蓝等,我们在一份报告中看到了关于酶或者说生物制剂行业实力企业的各情况如下:蔚蓝生物涉及农业行业,主要有发酵相关、海藻肥制作相关酶制剂的具体产品(详见其官网);而诺维信作为全球重要的酶制剂企业,其具体产品还未体现,更多还是以微生物菌剂及其代谢物,为产品宣传方向,以及技术服务形式在进行会议宣讲。今年的上海会议,诺维信中国生物农业负责人孙浩和首席科学家里伟分别展示诺维信在生物农业领域的最新进展,包括多个细分市场的创新产品。诺维信的生物产品线涵盖从微生物菌剂到信号分子脂壳寡糖等多元化产品。溢多利、瑞普生物、中牧股份、普莱柯、宝来利来等均为涉足种植业,仅科拓生物有涉足土壤健康行业,但也不是以酶制剂为产品,而是以为微生物为主的微生态制剂。


结束语:我们在实际应用中常常有觉得微生物产品不稳定,有各种小问题,微生物重要功能之一就是代谢产生酶,但从我们两篇文章来看,酶制剂是一个对贮藏及使用环境要求高的制剂,特肥在生产及应用环境均达不到,而且酶制剂成本,也不值得在种植上去使用,因为有替代产品,也就是微生态制剂产品,微生物的生产保存以及其进入土壤、植物体后对环境的适应能力是要强于酶制剂的。而且微生物本身对土壤生态环境以及刺激植物生长,也是有作用的。综上,我们能看到种植业中,各大企业均很少出酶制剂产品(当然以此为营销概念的除外),均以微生物产品“微生态制剂”进行商品化和市场化。