DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1733394
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602522
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Zhongliang Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على إمكانيات الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء كبدائل مستدامة للأسمدة الكيميائية والمبيدات الحشرية ضمن إطار الاقتصاد الحيوي الدائري. تسهم هذه الكائنات في إعادة تدوير المغذيات واستعادة البيئة من خلال تثبيت النيتروجين الجوي، وتحليل الفوسفور، وتوفير العناصر الدقيقة الأساسية من خلال آليات متنوعة، بما في ذلك إطلاق البوليمرات الخارجية، والأحماض العضوية، والسايدروفور. تعزز مستخلصاتهم، مثل الهرمونات النباتية ومضادات الأكسدة، إنبات البذور، ونمو الجذور، وتحمل الإجهاد غير الحيوي، بينما تساعد المواد الكيميائية المتداخلة والمركبات المضادة للميكروبات في قمع مسببات الأمراض النباتية، مما يقلل من الاعتماد على المبيدات الاصطناعية.
على الرغم من فوائدها الزراعية الواعدة، بما في ذلك تحسين صحة التربة وإنتاجية المحاصيل، فإن التطبيق على نطاق واسع للطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء يعيقه تحديات مثل ارتفاع تكاليف إنتاج الكتلة الحيوية، والأداء المتغير في الحقول، وعدم اليقين التنظيمي. تدعو المراجعة إلى مزيد من البحث يركز على تطوير تقنيات زراعة وحصاد فعالة من حيث التكلفة، والتحقق من الفعالية في ظروف الحقل، وإقامة تركيبات منتجات موحدة. إن معالجة هذه القضايا أمر بالغ الأهمية لتعظيم دور الأسمدة الحيوية المستندة إلى الطحالب والمحفزات الحيوية في تعزيز الممارسات الزراعية المستدامة وزيادة القدرة على التحمل تجاه الضغوط البيئية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات الملحة التي تفرضها الزيادة السكانية السريعة، لا سيما فيما يتعلق بنقص الغذاء ونقص المياه. أدى تراجع خصوبة التربة الطبيعية، الذي تفاقم بسبب التحضر والصناعة، إلى زيادة الاعتماد على ممارسات الزراعة المكثفة، بما في ذلك الزراعة الأحادية والأسمدة الكيميائية. بينما تعزز هذه الأسمدة، مثل النيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم، غلة المحاصيل وتساهم في الأمن الغذائي، فإن الإفراط في استخدامها يؤدي إلى عواقب بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث المغذيات وانبعاثات غازات الدفيئة. وهذا يبرز الحاجة الملحة إلى ممارسات زراعية مستدامة.
يتم تقديم الانتقال إلى الزراعة المستدامة، بما في ذلك استخدام الأسمدة الحيوية والمحفزات الحيوية، كبديل قابل للتطبيق للأسمدة الاصطناعية. يمكن أن تحسن هذه البدائل من صحة التربة وإنتاجية المحاصيل مع تقليل الأثر البيئي. ومع ذلك، فإن التحديات مثل الظروف البيئية المتغيرة والمنافسة مع الميكروبات المحلية تعيق اعتمادها. تؤكد المراجعة على أهمية تعزيز تركيبة وفعالية الأسمدة الحيوية، لا سيما من خلال استخدام سلالات ميكروبية محددة ومصادر كتلة حيوية متنوعة. ومن الجدير بالذكر أن الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء تبرز لدورها المزدوج كسماد حيوي ومُحفز حيوي، حيث تقدم مغذيات أساسية ومركبات نشطة حيوياً تعزز نمو النبات وقدرته على التحمل. تهدف المراجعة إلى تحديد استراتيجيات للتغلب على الحواجز أمام الاعتماد الواسع النطاق للحلول المستندة إلى الطحالب الدقيقة في الزراعة، وبالتالي المساهمة في أنظمة إنتاج غذائي مستدامة.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على إمكانيات الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء كسماد حيوي مستدام، مع التأكيد على تركيبها الغني بالمغذيات وتأثيراتها المفيدة على صحة التربة ونمو النبات. تزود هذه الكائنات الدقيقة المغذيات الأساسية الكبرى والصغرى، مثل النيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم، بينما تعزز أيضًا بنية التربة واحتباس المياه. إن قدرتها على إنتاج مركبات مضادة للميكروبات تقلل أيضًا من الاعتماد على المبيدات الكيميائية، مما يعزز الممارسات الزراعية الصديقة للبيئة. أظهرت الدراسات تحسينات كبيرة في غلة المحاصيل، مع أمثلة محددة تُظهر أن مستخلصات من *Chlorella sp.* و*Anabaena sp.* يمكن أن تزيد من أطوال سيقان شتلات الخيار بنسبة 81.7% و58.3%، على التوالي.
تشمل الآليات التي تعزز بها الطحالب الدقيقة والبكتيريا الزرقاء الإنتاجية الزراعية تثبيت النيتروجين، وتحليل الفوسفور، ودورة المغذيات الدقيقة. تستخدم البكتيريا الزرقاء، مثل *Anabaena*، هياكل متخصصة تُسمى الهيتروسيتس لتثبيت النيتروجين بكفاءة، بينما تسهم الطحالب الدقيقة في توفر الفوسفور من خلال إنتاج الأحماض العضوية والعلاقات التبادلية مع الكائنات الدقيقة المحللة للفوسفور. بالإضافة إلى ذلك، فإن إفراز البوليمرات الخارجية والمركبات العضوية من قبل هذه الكائنات الدقيقة يحسن من تجميع التربة، والنشاط الميكروبي، ودورة المغذيات، مما يعزز خصوبة التربة بشكل عام. إن دمج الطحالب الدقيقة في الأنظمة الزراعية لا يدعم الزراعة المستدامة فحسب، بل يقدم أيضًا بديلاً واعدًا للأسمدة الاصطناعية، متماشياً مع إطار الاقتصاد الحيوي الدائري.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1733394
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41602522
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Zhongliang Sun et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The review highlights the potential of microalgae and cyanobacteria as sustainable alternatives to chemical fertilizers and pesticides within a circular bioeconomy framework. These organisms contribute to nutrient recycling and environmental restoration by fixing atmospheric nitrogen, solubilizing phosphorus, and supplying essential micronutrients through various mechanisms, including the release of exopolysaccharides, organic acids, and siderophores. Their metabolites, such as phytohormones and antioxidants, enhance seed germination, root growth, and abiotic stress tolerance, while allelochemicals and antimicrobial compounds help suppress plant pathogens, thereby reducing reliance on synthetic pesticides.
Despite their promising agronomic benefits, including improved soil health and crop productivity, the large-scale application of microalgae and cyanobacteria is hindered by challenges such as high biomass production costs, variable field performance, and regulatory uncertainties. The review calls for further research focused on developing cost-effective cultivation and harvesting technologies, validating efficacy in field conditions, and establishing standardized product formulations. Addressing these issues is crucial for maximizing the role of microalgae-based biofertilizers and biostimulants in promoting sustainable agricultural practices and enhancing resilience to environmental stressors.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenges posed by the exponential growth of the human population, particularly in relation to food scarcity and water shortages. The decline in natural soil fertility, exacerbated by urbanization and industrialization, has intensified reliance on intensive farming practices, including monoculture and chemical fertilizers. While these fertilizers, such as nitrogen, phosphorus, and potassium, enhance crop yields and contribute to food security, their overuse leads to significant ecological consequences, including nutrient pollution and greenhouse gas emissions. This underscores the urgent need for sustainable agricultural practices.
The transition to sustainable farming, including the use of biofertilizers and biostimulants, is presented as a viable alternative to synthetic fertilizers. These alternatives can improve soil health and crop productivity while minimizing environmental impact. However, challenges such as variable environmental conditions and competition with native microbes hinder their adoption. The review emphasizes the importance of enhancing the formulation and effectiveness of biofertilizers, particularly through the use of specific microbial strains and diverse biomass sources. Notably, microalgae and cyanobacteria are highlighted for their dual role as biofertilizers and biostimulants, offering essential nutrients and bioactive compounds that promote plant growth and resilience. The review aims to identify strategies to overcome the barriers to the widespread adoption of microalgae-based solutions in agriculture, thereby contributing to sustainable food production systems.
Discussion
The discussion highlights the potential of microalgae and cyanobacteria as sustainable biofertilizers, emphasizing their rich nutrient composition and beneficial effects on soil health and plant growth. These microorganisms supply essential macro- and micronutrients, such as nitrogen, phosphorus, and potassium, while also enhancing soil structure and water retention. Their ability to produce antimicrobial compounds further reduces the reliance on chemical pesticides, promoting eco-friendly agricultural practices. Studies have demonstrated significant improvements in crop yields, with specific examples showing that extracts from *Chlorella sp.* and *Anabaena sp.* can increase cucumber seedling stem lengths by 81.7% and 58.3%, respectively.
The mechanisms through which microalgae and cyanobacteria enhance agricultural productivity include nitrogen fixation, phosphorus solubilization, and micronutrient cycling. Cyanobacteria, such as *Anabaena*, utilize specialized structures called heterocysts for efficient nitrogen fixation, while microalgae contribute to phosphorus availability through organic acid production and symbiotic relationships with phosphate-solubilizing microorganisms. Additionally, the secretion of exopolymers and organic compounds by these microorganisms improves soil aggregation, microbial activity, and nutrient cycling, thereby enhancing overall soil fertility. The integration of microalgae into agricultural systems not only supports sustainable farming but also offers a promising alternative to synthetic fertilizers, aligning with a circular bioeconomy framework.