植物害虫や病気による世界的な作物損失は年間31〜42％に達する可能性があります。利害関係者や消費者が合成農薬の健康・環境リスクや土壌劣化への懸念を強めるにつれ、バイオ農業製品の利用へとますます移行しています。これは害虫や病原体を制御し、植物の成長を促進するためです。
これらの微生物は環境にとってより安全で優れているだけでなく、経済的にも賢い選択となり得ます。化学的防除の利益／コスト比は2:1ですが、生物的防除では20:1に達します。
市場シェアは劇的に増加しています。
危険な化学農薬の潜在的な代替手段として、農業に重要な微生物は世界中で注目を集めています。
世界のバイオコントロール市場は2019年に44億ドルに達しました。2027年までに106.3億ドルに拡大すると予測されています。
化学肥料で集中的に処理された土壌の構造悪化が収量を抑制し続けているため、生物肥料は世界的に利用が拡大しています。世界のバイオ肥料市場は2019年に14.9億ドルであり、2027年までに32.8億ドルに達すると予測されています。
生物刺激剤産業は2016年に14.9億ドル規模であり、2017年から2025年まで年平均10.2％の成長が見込まれています。
農家や農業企業は、さまざまな種類の微生物接種剤を選択できます。
胞子を形成するバチルス属のような微生物は、細菌や真菌をしばしば抑制し、長期間生存可能であり、熱・乾燥・化学消毒剤・凍結といった厳しい条件にも耐えられるため、圃場で利用する理想的な対象です。
生物刺激剤
植物の成長を促進するために、多様な微生物や物質が利用されています。このカテゴリーには、真菌、細菌、植物抽出物、腐植酸やフルボ酸などの土壌成分が含まれます。
通常、植物の根や、その周囲に形成される豊かな環境「根圏（リゾスフィア）」に生息しています。それらは通常、植物の根の上や、根の周辺にあるリゾスフィアと呼ばれる豊かな地域に生息しています。これらの細菌は、さまざまな方法で植物の成長を促進します。
- ホルモンを生成する
- 病原体を直接抑制する
- 植物の病原体抵抗性を刺激する
- 共生生物の定着を助ける
代表的なPGPRには シュードモナス・フルオレッセンス や アゾスピリルム が含まれます。これらの細菌は栄養素を迅速に利用し、潜在的な病原体より優位に立ちます。さらに、植物の成長を誘導し、病原体に対する自然な防御を強化する複数の作用を持っています。
バイオ肥料
菌類と細菌の両方が生物肥料として機能します。
共生細菌がマメ科植物で窒素固定を行う能力により、何世紀にもわたり接種剤として利用されてきました。これらの微生物はニトロゲナーゼを生成し、大気中の窒素（N）をアンモニウムに変換します。これは地球上の生命にとって極めて重要な反応であり、自然界で固定される窒素の60〜80％は共生的な窒素固定によるものです。
多くの共生細菌は リゾビウム属 に属しています。特に重要な生物肥料の一つは ブラディリゾビウム・ジャポニカム であり、大豆と共生して窒素を固定します。大豆は1トンの穀粒を生産するために、最大80gの同化可能な窒素を必要とすると推定されています。
菌根菌（マイコリザ）は、ほとんどの植物の根に共生する真菌です。菌根菌は植物にリンと水を供給し、植物がリンと水を吸収する能力を10倍に高めます。根に定着することで、植物を病原体から保護します。
生物的防除
バイオコントロールの多くは微生物であり、植物の病気や害虫を制御できる真菌・細菌・線虫を含みます。これらの生物は「生物農薬（バイオペスティサイド）」とも見なされています。
最も一般的に利用されるバイオコントロール資材は バチルス・チューリンゲンシス菌（Bt菌） です。商業上利用可能なバイオコントロールの90％以上を含んでいます。
Bt菌は有機認証されているだけでなく、農業や家庭の害虫である問題昆虫の防除に広く利用されています。Btのさまざまな株によって、イモムシ、甲虫、ハエを防除することができます。Btは有機資材であるため、家庭内でも安全に害虫防除に使用できます。
Btの大きな利点の一つは、標的昆虫に特異的であり、人間や非標的生物には無毒であることです。
Btはマラリアの予防的処置としても重要です。WHOによれば、2019年には2億2900万人がマラリアに感染しました。それを制御するために使用される殺虫剤には、環境に悪いDDT（ディクロロジフェニルトリクロエタン）と、子供の脳損傷を引き起こすクロルピリフォスが含まれています。
これらの細菌は、特にカリフォルニアで禁止されているクロルピリフォスと比較して、人間にとって安全であると考えられています。
殺虫薬と比べて蚊を制御するためにBtを使用するもう一つの利点は、蚊がこの微生物に対する抵抗性を発展させるリスクが非常に低いことです。
昆虫防除に利用される追加のバイオコントロールには次のものがあります。
- 昆虫病原性真菌の コルジセプス属 および ボーベリア・バシアーナ
- 有益な線虫（しばしば土壌に施用される）
これらの微生物は、人間や他の哺乳類に対して無毒であるという優れた実績を持っていますが、食用作物に使用する際に本当に安全であることを徹底的に確認する必要があるという懸念は常に存在します。
生物刺激剤の使用に関する法的課題
これらの有益な微生物の規制については、まだ合意が得られていません。食品に含まれる可能性があるため安全性への懸念があり、欧州連合にはバイオ肥料に関する特定の規制が存在しません。
各国が独自に規制しています。
ポーランドでは「成長刺激剤」が肥料および施肥に関する法律の対象となり、バイオ肥料にも適用されます。
スペインにはバイオ肥料に関する法律がありません。ただし、地方自治体には規制する権限があります。
イタリアでは菌根菌を「土壌に作用する製品」や「特定作用製品」というカテゴリーに含めています。GMOは製品の製造に使用できません。
米国では環境保護庁（EPA）と食品医薬品局（FDA）がこれらの微生物を規制します。
製造業者は、生物刺激剤をその用途に応じて肥料または生物殺虫剤としてEPAに分類しなければなりません。
これらはFIFRA（連邦殺虫剤・殺菌剤・殺鼠剤法）による従来の農薬規制から免除されています。
バチルス・アミロリケファシエンス菌はFDAによって「GRAS（一般的に安全と認められる）」に指定されており、食品利用が安全とされています。
バチルス・チューリンゲンシス菌（Bt菌）は安全性を示すために集中的な研究が行われています。
植物保護のための微生物利用と生産における課題
多くの実験室研究で有望な微生物候補が特定されていますが、圃場では期待通りの効果を発揮しない場合があります。その主な理由は、大規模に安定して生産することや、発酵終了時あるいは下流工程の段階で高い生存性を持つ細胞を得ることが困難である点にあります。
発酵条件は、大量の微生物を成功裏に生産するために極めて重要です。
不適切な発酵では、生存可能な製品は得られません。
成功する発酵の第一の目標は、高いバイオマスを生産することです。第二に、発酵は高い生存細胞数を生み出す必要があります。微生物は圃場で植物と相互作用するために活動的でなければならないからです。第三の要因は、細胞がフィールドに接種されるまで生き残る必要があります。
B. ミロリケファシエンス菌、B.ューリンゲンシス菌、B.サブチリス菌 のような胞子形成グラム陽性菌は、それぞれ発酵に固有の課題を抱えています。
高バイオマスはしばしば唯一の目標ではありません。大量の胞子を生産することが最も重要な目標です。胞子は発酵、製剤化、保存の過程で遭遇する条件に対してより耐性があり、安定しています。胞子形成率を改善することは、圃場に接種された最終製品の性能を高める方法です。
細菌に胞子形成を誘導することは課題であり、そのためには胞子形成を誘導する適切な化学組成を特定する必要があります。
生成された胞子の定量でさえ、プレートカウントを用いると非常に手間がかかります。蛍光測定法は便利で時間の節約になります。
抗菌化合物を産生する栄養細胞を得ることも重要な目標です。多くの企業は発酵に適した特定の菌株を利用し、最適な製品を設計した後に商標登録しています。例：
- バチルス・サブチリス QST 713
- バチルス・アミロリケファシエンス D747
Bt菌は発酵において、もう一つの難題となる微生物であることが示されています。細胞は特定の結晶性殺虫毒素を大量に生産する必要があります。この微生物は多様な毒素を生成し、それぞれ特定の昆虫に対して特異性を持っています。異なる毒素の形成は、窒素源によって差別的に制御される場合があります。
さらに複雑なのは、同じ菌株であっても培地条件によって昆虫への毒性効果が異なることです。
適切な炭素源と窒素源を利用することで、発酵プロセスの成功率を大幅に高めることができます。
伝統的には、適切な炭素源（C）と窒素源（N）の選択は試行錯誤のプロセスでした。ブラディリゾビウム・ジャポニカム の成長改善に関する研究では、この微生物を効果的に発酵させるために酵母抽出物を新鮮に調製する必要があることが分かりました。新鮮な酵母抽出物を加えることで、細胞の生産性がほぼ2倍になりました。
多様な炭素源・窒素源や微量元素を調べる多因子実験は、実施が困難です。統計分析はプロセスを簡単にします。
プラケット＝バーマン法は、発酵を最適化するために広く用いられる解析手法です。この方法により、科学者は多数の要因を調べ、重要な要因を特定できます。例えば、胞子形成・成長・発芽に影響を与える変数を迅速にスクリーニングすることが可能です。メズガニ氏iらはこの技術を B.アミロリケファシエンス菌 に適用し、抗真菌化合物の生産を56.25％改善しました。
Bt菌における特有の課題は胞子形成のための栄養定義であり、栄養細胞の成長が完了すると培地が化学的に定義できなくなる点です。
発酵培地を最適化することで得られる予想外の利点の一つは、微量金属などの化合物が必ずしも必要ではなくなる場合があることです。これは、B. アミロリケファシエンス菌による抗真菌化合物の生産に対する最適化培地の効果を調べた実験で確認されました。したがって、修正培地を発酵に用いる方がコストを抑えられる可能性があります。
発酵用栄養素の生産で実績を持つベンダーを選ぶことが最も賢明です。Procelys は世界最大の酵母由来栄養素の生産企業です。当社は数十年にわたり顧客の発酵培地最適化を支援してきた経験があり、技術専門家が協力してバイオ農業製品の高収量を確保します。
Bt菌／ジャポニカム根粒菌／アミロリケファシエンス菌の窒素要求性にさらに深く知る。
