Bacillus thuringiensis、Bradyrhizobium japonicum、バチルス・アミロリケファシエンス D747のための窒素源

これらの微生物の市場は急速に拡大しています。

ブラジルの大豆の80％はブラディリゾビウム・ジャポニクムによって処理されています。ブラジルは年間約1億3600万トンの大豆を生産しているため、この微生物の販売にとって非常に重要です（CONAB調査）。大豆の生産面積は拡大しています。

B.ジャポニカムで事前接種された種子の生産は過去10年間で30％増加し、このバイオ刺激剤の販売を拡大するための確立された市場を提供しています。B. ジャポニカムの世界売上高は2億950万ユーロです。

B. チューリンゲンシス の世界市場は2020年に2億2640万米ドルであり、2026年までに3億2760万米ドルに達すると予測されています（360 Research Reports）。複合年間成長率（CAGR）は2019年から2025年までの間に6.3％と予測されています（QYR Research）。

高度に最適化された発酵技術の存在は、B.チューリンゲンシスが殺虫性内毒素を大量に生産できる理由の一部です。

B.アミロリケファシエンスは最も広く利用されるPGPRのひとつであり、生物殺虫剤市場の重要な構成要素で、そのCAGRは10%〜20%とされています。

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発酵プロセスの目的

バイオスティミュラントやバイオコントロールの発酵におけるゴールドスタンダードは、野外で生存可能かつ安定した大量の活性バイオマスを得ることです。

しかし、CFU（コロニー形成単位）は常に最良の指標とは限らず、特に胞子や内毒素のような代謝物を生成する微生物にとっては不十分です。B.チューリンゲンシスの内毒素生成は、この微生物を成功裏に利用するために不可欠です。これらの毒素は、栄養枯渇と細胞蓄積の結果として、栄養細胞サイクルの指数的成長段階の後に形成されます。毒素を生成するためには、高い胞子形成率を持つ培養が必要です。

B. アミロリケファシエンスのような多くのバイオ農薬は、抗生物質やシデロフォアなど多様な代謝物を生成するため、植物病害の制御に非常に効果的です。シデロフォアは土壌中の鉄をキレートする化合物であり、B. アミロリケファシエンスはそれを利用できますが、病原性細菌や真菌など他の生物には利用できません。このような場合には、単に高いバイオマス量だけが重要なのではありません。抗真菌化合物を効率的に合成するためには、適切な栄養細胞を持つ培養が必要です。

窒素化合物は産業発酵プロセスに不可欠です。

細菌は繁殖・成長するために大量の窒素を必要とします。窒素はアミノ酸、タンパク質、RNA、DNA、そして多くの成長因子の生成に不可欠です。また、発酵過程において細胞にエネルギーを供給します。

発酵で使用される窒素の種類は、微生物が植物や土壌に接種された際の成功に決定的な役割を果たします。たとえば、高濃度の硝酸塩やアンモニウムは、ブラディリゾビウム・ジャポニクムによる窒素固定を阻害します。

窒素源には多くの種類があり、微生物によって適性が異なります。窒素化合物は、無機性と有機性に分類されます。無機窒素には、アンモニウム、硝酸塩、尿素などがあります。

有機窒素源は植物由来で、綿実、ピーナッツ、大豆粉、小麦グルテン、トウモロコシパルプやコーンスティープなどから得られます。また、魚粉、ペプトン、肉エキスなどの動物由来からも得られます。

酵母は有機窒素の追加供給源となり、酵母抽出物や酵母ペプトンの形で利用できます。酵母由来栄養素は、タンパク質、アミノ酸、ビタミンB群などのビタミンやミネラルを含む複数の化合物から構成される高品質な窒素源です。その豊富な窒素化合物群は、発酵中および圃場での利用において微生物が繁栄する可能性を高めます。

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最適な窒素源の利用は、発酵コストを低減することができます。

大規模な発酵は高コストになりがちであり、これは特に開発途上国における B.チューリンゲンシスの生産において問題となっています。そのため、コストを考慮した発酵最適化に関する研究が数多く行われています。

発酵を最適化し、生物肥料やバイオコントロールの成功率を高めるためには、最適な窒素源の選択が重要なステップです。コスト削減のため、一部の研究者はより安価な無機窒素源に注目しました。しかし、これらの無機窒素源は要求の厳しい微生物の栄養需要を満たせないことが多いのです。

多くの研究者は、有機窒素源を利用することで、B.チューリンゲンシス や B.アミロリケファシエンスのような微生物接種剤の発酵成功率が向上することを確認しました。

特に、Içgenらの研究は、B.チューリンゲンシスを有機窒素源で発酵させる利点を明らかにしました。この微生物は、培養が胞子形成を行っているときにのみ毒素を生成します。この研究では、ペプトン、グルタミン酸、大豆粉、カザミノ酸といった有機窒素源が、成長・胞子形成・毒素生成に与える影響を調査しました。無機窒素源には、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、硝酸カリウム、硝酸アンモニウム、尿素、そしてリン酸二水素アンモニウム（NH4H2PO4）が含まれます。

リン酸二水素アンモニウムを除き、無機窒素源で培養された細胞は胞子形成率が非常に低いものでした。対照的に、ペプトンで培養されたものは、リン酸二水素アンモニウムで培養されたものよりも胞子数が3倍多く生成されました。これらの培養は最適量の毒素を生成し、高い細胞密度を示しました。グルタミン酸と少量の酵母抽出物の組み合わせは、胞子形成率を60％増加させ、2番目に有効でした。

有機窒素の代わりに無機窒素を用いてコストを節約するのは一見良い考えのように見えますが、これはバイオ農薬やバイオスティミュラントの効率を低下させ、長期的にはコスト増につながる可能性があります。