合成生物學(xué)初創(chuàng )推出零食品牌，微生物固氮產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨哪些機遇和挑戰？

新冠疫情爆發(fā)以來(lái)，人們對于可持續發(fā)展的看法進(jìn)一步改變。相信大家都知道碳足跡，那么你有沒(méi)有關(guān)注過(guò) “氮足跡”？

很多國家會(huì )在消費品上加注 “碳標簽”，即標明生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，這樣環(huán)境意識強的消費者就能更方便地識別和選擇碳排放較低的消費品。類(lèi)似地，圍繞著(zhù) “氮足跡” 也衍生出另類(lèi)的消費潮流。

近日，微生物固氮創(chuàng )新公司 Pivot Bio 推出了一個(gè)新的零食品牌 Connect?，產(chǎn)品線(xiàn)中的第一個(gè)小吃是 “黃蝴蝶爆米花”。該產(chǎn)品全生育期均使用微生物氮作為氮源，相較于化學(xué)合成氮，這種清潔氮對空氣和水環(huán)境更加友好。

這一產(chǎn)品特性吸引了大批消費者，在他們看來(lái)，通過(guò)購買(mǎi)這類(lèi)產(chǎn)品，可以間接為可持續發(fā)展出一份力。而通過(guò)微生物固氮代替化學(xué)合成氮，確實(shí)是切實(shí)可行的可持續發(fā)展路徑。

以微生物固氮代替化學(xué)合成氮

氮素是植物需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養元素，植物體內各種蛋白質(zhì)、核酸、磷脂都需要氮的參與才能合成。在世界各國，均通過(guò)施用氮、磷、鉀三種肥確保農業(yè)高產(chǎn)穩產(chǎn)，而氮肥在這三種肥料里面應用最多、需求最大。

現階段，農業(yè)生產(chǎn)中使用的氮肥主要是化學(xué)合成氮肥。由于部分種植者盲目追求高產(chǎn)以及氮肥的不合理施用，用于增產(chǎn)、穩產(chǎn)的氮肥日漸演變?yōu)楸Ｕ霞Z食安全和生態(tài)安全的重要障礙。

在與整個(gè)可持續發(fā)展大環(huán)境相悖的情況下，氮肥發(fā)展將從何突圍呢？一個(gè)可行的辦法是，讓氮肥的使用方式可持續，生物固氮無(wú)疑成為最佳選擇。

生物固氮是指微生物自生或與植物共生，通過(guò)體內固氮酶的作用，將大氣中的氮還原成氨的過(guò)程。自生固氮的細菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏桿菌、光合細菌等；與豆科植物共生固氮的有根瘤菌；非豆科植物共生固氮的有放線(xiàn)菌。藍綠藻如念珠藻、項圈藻等能自身固氮，也能與其他植物如滿(mǎn)地紅共生固氮。此外茜草科、紫金?？坪褪硎毧浦心承┲参锶~片上有固氮微生物共生的葉瘤。

Pivot Bio 公司于 2019 年推出業(yè)界內首款市售固氮微生物，該產(chǎn)品利用合成生物學(xué)技術(shù)，通過(guò)生物學(xué)研究、機器學(xué)習和計算建模的方法，讓微生物可以從空氣中轉化氮元素滿(mǎn)足作物日常氮需求。

他們首先確定哪部分微生物含有固氮基因，并且能與特定作物產(chǎn)生很強的共生關(guān)系，然后通過(guò)技術(shù)喚醒微生物的天然能力，讓它們在與作物共生的過(guò)程中積極參與固定氮的過(guò)程。

以他們的第一代微生物固氮產(chǎn)品為例，播種時(shí)將 Pivot Bio PROVEN?與玉米種子同時(shí)施入土壤，當種子發(fā)芽，微生物就會(huì )附著(zhù)在玉米根的表皮上，從玉米的分泌液中吸收營(yíng)養，同時(shí)反過(guò)來(lái)在整個(gè)生長(cháng)周期中每天為玉米輸送氮素，通過(guò)這種共生關(guān)系，最終形成一個(gè)連續的供氮循環(huán)。

該產(chǎn)品僅在 2021 年就應用于 100 多萬(wàn)英畝農田上，取代了傳統氮肥，且助力 Pivot Bio 在 2021 年的收入增長(cháng)了兩倍。今年 7 月，Pivot Bio 獲得了 4.3 億美元 D 輪融資，當時(shí)該公司宣稱(chēng)將用這筆資金加速發(fā)布顛覆性產(chǎn)品，瞄準了玉米、小麥和大米 3 個(gè)方向。

如今，Connect 發(fā)布了第一款產(chǎn)品美味的黃蝴蝶爆米花（未爆玉米粒），這款零食 100% 全谷物且屬于非轉基因，產(chǎn)地為內布拉斯加州的一個(gè)家庭農場(chǎng)。Connect Snacks 可在亞馬遜等網(wǎng)站上購買(mǎi)，Pivot Bio 預計明年將推出微波爆米花生產(chǎn)線(xiàn)。

微生物固氮產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰并存

近年來(lái)，隨著(zhù)有機農業(yè)的發(fā)展、政府部門(mén)與法規機構對生物肥料生產(chǎn)的支持與推廣，全球微生物肥料市場(chǎng)規模保持穩定增長(cháng)的態(tài)勢。2020 年全球生物肥料市場(chǎng)規模達 11.7 億美元，同比增長(cháng) 13.6%。預計 2026 年市場(chǎng)規模將達 24 億美元。

根據 Grandview Research 數據，2019 年，北美地區是全球生物肥料使用最多的地區，占全球生物肥料市場(chǎng)規模的 32.6%。從需求來(lái)看，歐洲許多國家微生物肥料的使用比例已達到 45-60%，美國的使用比例高達 60-70%。

近年來(lái)，與生物固氮產(chǎn)業(yè)相關(guān)的巨頭公司面對機遇也在不斷進(jìn)行調整。美國固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家 Becker Underwood 被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠(chǎng)家 Philom Bios 公司被拜耳公司收購。英國農業(yè)技術(shù)公司 Azotic Technologies 采用生物工程和種衣劑技術(shù)，研發(fā)固氮技術(shù)產(chǎn)品 Envita 并面向全球市場(chǎng)銷(xiāo)售。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。

國內也非常重視生物固氮的相關(guān)研究，并取得一系列國際先進(jìn)水平的科研成果。

中國農業(yè)科學(xué)院是國內生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，近年來(lái)在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網(wǎng)絡(luò )解析、微生物與宿主互作、人工固氮體系構建以及固氮結構生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展。

2020 年，中國農業(yè)科學(xué)院創(chuàng )新工程聯(lián)合攻關(guān)重大科研任務(wù) “高效固氮生物學(xué)基礎與農業(yè)應用” 正式啟動(dòng)。該重大科研任務(wù)圍繞國家農業(yè)生產(chǎn)的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，系統開(kāi)展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線(xiàn)路的系統優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應用等研發(fā)工作。

不過(guò)，生物固氮存在天然固氮體系宿主范圍窄和固氮活性受環(huán)境影響大等問(wèn)題，還有固氮生產(chǎn)菌株競爭力弱和田間應用效果不穩定等問(wèn)題，這些仍然是全世界需要繼續攻克的技術(shù)難題。未來(lái)，合成生物技術(shù)將為增強根際聯(lián)合固氮效率，擴大根瘤菌共生固氮的宿主范圍，構建自主固氮的非豆科作物進(jìn)一步提供解決方案。