日本研究應用嗜熱菌的無化學肥料和無化學農法 - 以永續農業為導向的「堆肥-土壤-植物互動系統」
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2024-02-23
關於此項研究，研發團隊應用結構方程式模型，模擬應用「嗜熱菌」製成的堆肥對於土壤和植物的影響及運作機制，並在模擬試驗過程從眾多土壤共生菌選出「類芽孢桿菌屬」，從土壤分離，進行基因分析、生物活性評估。結果顯示，土壤細菌的共生系統能夠在不使用化學肥料的情況下，有效利用空氣中的氮氣、並且有效抑制甲烷（N2O）。
研究背景
由於糧食危機已經是全球迫切的課題，營養不良更是造成某些地區主要死因之一，農業亟需創新技術提高作物產量和營養價值，以因應上述類似情況發生。然而，在新型農業技術導入的同時，仍需考慮其對環境的影響。化學肥料雖然對於農業生產不可或缺，但化肥中的氮和磷卻會增加生態系統的負擔。地球限度理論更是指出生物圈完整性的變化、生物地球化學循環（磷和氮循環）變化等人類社會活動的持續衝擊，將會使自然環境喪失自我調節功能。【延伸閱讀】-【增匯】新的水產養殖技術可以通過大量海藻幫助緩解全球糧食危機
因此，無使用化學肥料的有機農業的重要性，在上述觀點就顯現出其重要性。透過生態系中生物排放的有機物作為有機肥料（堆肥），不僅能夠更有效利用氮和磷，更可以實現永續農業的願景。然有，由於堆肥是在不確定的環境條件下，由不同類型的原料發酵製成，品質通常不是非常穩定，對於作物品質的影響仍然存在爭議。
另一方面，研究團隊則是經由應用芽孢桿菌科（Bacillaceae）的嗜熱菌及閉鎖型的生物反應器的實驗當中發現了能夠對植物肥料、動物飼料的穩定生產都十分有效的發酵物。結果顯示，堆肥中的嗜熱性芽孢桿菌能夠穩定地改變動物腸道、以及環境中的共生細菌構造及其功能。
近年來，透過將嗜熱菌製成發酵物，並應用到部分的魚類養殖飼料後發現，不僅生產效益提高，更促進了養殖場周邊海域藻類的繁茂生長。此外，實驗也發現昆蟲生態環境及腸道細菌叢的變化，特別是堆肥中的嗜熱菌有夠有效減少家畜腸道中甲烷菌的生長速度。在研究計畫當中，團隊應用了嗜熱菌製成的堆肥，持續探尋不使用化學肥料農藥的前提下永續農業的可能性。
未來展望
本項研究成果有望對實現永續發展目標（SDGs）[中的「15.保育陸域生態」以及地球限度理論中的「生物地球化學循環」和「新型化學物質」等項目做出貢獻，同時在推動永續農業方面發揮作用。研究結果顯示，嗜熱菌製成的發酵物在與土壤共生細菌相互作用下的生理反應，對於作物生產力、品質提升和減少環境負擔都有顯著效果。而長期施用嗜熱菌發酵物的田地，產量提高的同時還降低了對病原真菌（霉菌）和線蟲等的損害。本次研究計畫中，結構方程式的最佳值也顯示出作為關鍵因子群的氮化合物裏頭，檢測到了菸鹼醯胺（維他命B3）和胺基酸的S-甲基半胱氨酸。
近年來的研究顯示，上述化合物都與疾病抵抗性有高度相關性。意即嗜熱菌發酵物不僅能夠提高農田的土地抗病能力，同時也有提高有機肥料品質的可能性。正如前述所言，由於嗜熱菌發酵物對於藻類繁殖有顯著效果，經由高溫發酵堆肥將能促進陸生植物和水生植物的生長，發揮著跨物種的全面作用。此研究計畫視角，將可望在各個領域產生連鎖效應。
具體而言，從作物的影像分析數據（非侵入性資訊），可以產生相關預估指標，用於推測無法直接觀察到的環境、營養、代謝物、微生物等數據資訊。在研究過程中，將胡蘿蔔的色調數據透過RGB色彩指數進行分類之後進行觀測，辨識出生產效益和品質差異。然而，胡蘿蔔營養成分當中的類胡蘿蔔素、類黃酮素、甚至是微量的礦物質都會因反應條件不同，而對顏色變化產生影響。未來也會依此視角切入，持續提升分析儀器的精密度，提供更進步的非侵入性農作物資訊收集方式。
因此，如果能夠多方整合農業環境資訊，並且廣泛得到應用，農業經濟・環境保護型的農業技術發展，甚至是融合技術視角促進健康社會的願景，在未來皆有可能實現。 此外，理化學研究所的產學合作團隊作為內閣府「登月計畫」的一環，正持續推進數位農業的研究和開發，各種研究成果將指日可待。
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