论文标题：Hydroponics with Microalgae and Cyanobacteria: Emerging Trends and Opportunities in Modern Agriculture

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-6284/13/3/27

期刊名：BioTech

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/biotech

一、引言

全球人口预计到2050年将达到95亿，粮食需求亟需翻倍。然而，土壤退化、水资源短缺、极端气候事件频发，叠加快速城市化进程（预计到2050年全球75%的人口将居住在城市），正严重威胁传统农业的生产能力。面对耕地减少与环境压力，水培等无土栽培技术因其资源高效、空间节约、产量稳定等优势，成为现代都市农业的重要发展方向。然而，传统水培系统依赖化学营养液，存在富营养化等环境风险。微藻和蓝藻作为天然植物生物刺激素，能够合成多种植物激素、多糖、酚类等活性物质，展现出替代化学肥料、提升作物抗逆性与营养吸收能力的巨大潜力。本文系统综述了微藻及其代谢物在水培系统中的作用机制与应用前景，探讨其在循环生物经济框架下的可持续发展路径。

二、材料与方法

本文为系统性综述，研究团队广泛检索了关于微藻、蓝藻、水培系统及植物生物刺激素的科学文献，重点关注微藻代谢物对植物生长的影响机制。文章整合了实验室和温室条件下的研究成果，分析了不同微藻种类、施用方式（活细胞、干生物质、细胞提取物或水解液）对作物生长参数（如发芽率、株高、生物量、营养含量等）的影响，并探讨了其在高科技室内农业（包括水培、气培、鱼菜共生）中的实际应用。

三、分析与结果

研究表明，微藻和蓝藻在农业中的应用研究近年来显著增长，尤其集中在植物生物刺激素和水培系统的结合应用。常用藻种包括 Chlorella vulgaris、Scenedesmus sp.、Spirulina platensis 等，研究对象涵盖番茄、生菜、辣椒、小麦、水稻等多种经济作物。

图1 微藻产生的生物刺激素类型及其对植物生长的影响

如图1所示，微藻能合成多种植物激素，如生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯、茉莉酸和水杨酸。这些物质显著促进种子萌发、根系发育、叶片生长与抗逆性。例如，Scenedesmus sp.提取物可使矮牵牛的根干重提高49%，花干重提高20%。此外，微藻胞外多糖和酚类化合物能增强植物抗氧化能力、诱导防御酶活性、提高养分吸收效率。更重要的是，微藻提取物能显著缓解盐碱、干旱、重金属等非生物胁迫对作物的负面影响。

微藻通过多条代谢途径合成关键植物激素。以生长素、细胞分裂素和赤霉素为例，其生物合成途径与高等植物类似，分别涉及色氨酸依赖途径、IPT酶催化和萜类途径。这些激素共同调控植物的种子萌发、根系发育、叶片生长及抗逆反应。

图2 生长素的生物合成途径

图3 细胞分裂素的生物合成途径

图4 赤霉素的生物合成途径

在番茄、生菜、瑞士甜菜等作物的水培系统中，微藻与植物共培养可显著提高水中溶解氧水平（最高可从7.5 mg/L提升至12 mg/L），促进根系呼吸，提升氮磷去除效率（总氮去除率可达92%-98%），并显著增加作物产量与生物量。例如，微藻联合体使番茄产量提高437%，生菜产量提高33%。这种协同作用主要归因于微藻光合作用产生的氧气，以及植物根系呼吸释放的二氧化碳被微藻再利用，形成了良性的气体交换循环。

尽管微藻水培系统前景广阔，但仍面临高成本、规模化培养与收获技术不成熟、藻种稳定性不足、缺乏标准化应用方案等挑战。商业推广仍需更多田间验证与经济性分析。

四、讨论

基于文献分析，本文提出微藻作为生物刺激素可有效替代部分化学肥料，降低环境污染；微藻与植物共培养系统可实现资源闭环利用，推动循环生物经济发展。微藻代谢物的多种功能为多靶点调控植物生长提供了可能，而微藻水培系统在城市农业、太空农业等领域具有广泛应用潜力。未来需要加强藻种筛选、代谢调控、系统集成与智能监控技术的融合研究。

一个值得关注的趋势是，闭环水培系统若能实现微藻与植物的共培养，不仅可产出营养丰富的蔬菜，还能收获微藻生物质，后者可进一步用于生物燃料、饲料或高价值化学品生产，从而显著提升系统的经济可行性。这种“多产出”模式正是循环生物经济理念的典型实践。

图5 脱落酸的生物合成途径

脱落酸在帮助作物抵御干旱、盐碱等非生物胁迫中发挥关键作用，是微藻提升植物抗逆性的重要机制之一。

五、展望与结论

微藻与蓝藻在水培系统中的应用，不仅有望提升城市农业的可持续性，也为全球粮食安全提供了创新路径。未来研究应聚焦于开发高效、低成本的微藻培养与收获技术，深入解析微藻代谢物与植物互作的分子机制，构建智能化、自动化的微藻-水培协同系统，并推动政策支持与产业化应用，促进微藻生物刺激素的市场化。文章总结指出，微藻水培系统是实现资源节约、环境友好、产量高效的新型农业模式，具备推动现代农业绿色转型的广阔前景。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Massimo Negrini

期刊发表范围涵盖生物制药领域, 通过培育转基因植物、动物或水生生物来解决农业中食品的生产或质量问题，以及在医学领域中采用的新方法；在环境领域中的应用，旨在维护生物多样性并清除污染物；开发能够生产有用化学物质或销毁有害/污染化学物质的生物体或酶；生物信息学方法；以及与生物技术领域中的伦理、哲学和监管方面相关的论文。被ESCI、Scopus、PubMed、PMC等多个权威数据库收录。在JCR Biotechnology and Applied Microbiology 类别排名中位居Q2.

2024 Impact Factor：3.1

2025 CiteScore：5.6

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Acceptance to Publication：2.9 Days