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

很多國家會在消費品上加注 “碳標(biāo)簽”，即標(biāo)明生產(chǎn)過程中產(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。類似地，圍繞著 “氮足跡” 也衍生出另類的消費潮流。

近日，微生物固氮創(chuàng)新公司 Pivot Bio 推出了一個新的零食品牌 Connect?，產(chǎn)品線中的第一個小吃是 “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，通過購買這類產(chǎn)品，可以間接為可持續(xù)發(fā)展出一份力。而通過微生物固氮代替化學(xué)合成氮，確實是切實可行的可持續(xù)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)營養(yǎng)元素，植物體內(nèi)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，均通過施用氮、磷、鉀三種肥確保農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而氮肥在這三種肥料里面應(yīng)用最多、需求最大。

現(xiàn)階段，農(nóng)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(wěn)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。

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

生物固氮是指微生物自生或與植物共生，通過體內(nèi)固氮酶的作用，將大氣中的氮還原成氨的過程。自生固氮的細(xì)菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏桿菌、光合細(xì)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菌。藍(lán)綠藻如念珠藻、項圈藻等能自身固氮，也能與其他植物如滿地紅共生固氮。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(nèi)首款市售固氮微生物，該產(chǎn)品利用合成生物學(xué)技術(shù)，通過生物學(xué)研究、機器學(xué)習(xí)和計算建模的方法，讓微生物可以從空氣中轉(zhuǎn)化氮元素滿足作物日常氮需求。

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，然后通過技術(shù)喚醒微生物的天然能力，讓它們在與作物共生的過程中積極參與固定氮的過程。

以他們的第一代微生物固氮產(chǎn)品為例，播種時將 Pivot Bio PROVEN?與玉米種子同時施入土壤，當(dāng)種子發(fā)芽，微生物就會附著在玉米根的表皮上，從玉米的分泌液中吸收營養(yǎng)，同時反過來在整個生長周期中每天為玉米輸送氮素，通過這種共生關(guān)系，最終形成一個連續(xù)的供氮循環(huán)。

該產(chǎn)品僅在 2021 年就應(yīng)用于 100 多萬英畝農(nóng)田上，取代了傳統(tǒng)氮肥，且助力 Pivot Bio 在 2021 年的收入增長了兩倍。今年 7 月，Pivot Bio 獲得了 4.3 億美元 D 輪融資，當(dāng)時該公司宣稱將用這筆資金加速發(fā)布顛覆性產(chǎn)品，瞄準(zhǔn)了玉米、小麥和大米 3 個方向。

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(zhuǎn)基因，產(chǎn)地為內(nèi)布拉斯加州的一個家庭農(nóng)場。Connect Snacks 可在亞馬遜等網(wǎng)站上購買，Pivot Bio 預(yù)計明年將推出微波爆米花生產(chǎn)線。

微生物固氮產(chǎn)業(yè)機遇與挑戰(zhàn)并存

近年來，隨著有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展、政府部門與法規(guī)機構(gòu)對生物肥料生產(chǎn)的支持與推廣，全球微生物肥料市場規(guī)模保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢。2020 年全球生物肥料市場規(guī)模達(dá) 11.7 億美元，同比增長 13.6%。預(yù)計 2026 年市場規(guī)模將達(dá) 24 億美元。

根據(jù) Grandview Research 數(shù)據(jù)，2019 年，北美地區(qū)是全球生物肥料使用最多的地區(qū)，占全球生物肥料市場規(guī)模的 32.6%。從需求來看，歐洲許多國家微生物肥料的使用比例已達(dá)到 45-60%，美國的使用比例高達(dá) 60-70%。

近年來，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(diào)整。美國固氮菌生產(chǎn)廠家 Becker Underwood 被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產(chǎn)廠家 Philom Bios 公司被拜耳公司收購。英國農(nóng)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 并面向全球市場銷售。國際固氮微生物產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)新一輪的技術(shù)升級與產(chǎn)業(yè)革命。

國內(nèi)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(nóng)業(yè)科學(xué)院是國內(nèi)生物固氮領(lǐng)域的優(yōu)勢單位，近年來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(gòu)建以及固氮結(jié)構(gòu)生物學(xué)等方面取得重要研究進(jìn)展。

2020 年，中國農(nóng)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(chǔ)與農(nóng)業(yè)應(yīng)用” 正式啟動。該重大科研任務(wù)圍繞國家農(nóng)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)展的瓶頸問題，系統(tǒng)開展生物固氮系統(tǒng)的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統(tǒng)優(yōu)化以及高效固氮體系的田間應(yīng)用等研發(fā)工作。

不過，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)境影響大等問題，還有固氮生產(chǎn)菌株競爭力弱和田間應(yīng)用效果不穩(wěn)定等問題，這些仍然是全世界需要繼續(xù)攻克的技術(shù)難題。未來，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(gòu)建自主固氮的非豆科作物進(jìn)一步提供解決方案。