合成生物学初创推出零食品牌，微生物固氮产业发展面临哪些机遇和挑战？

新冠疫情爆发以来，人们对于可持续发展的看法进一步改变。相信大家都知道碳足迹，那么你有没有关注过 “氮足迹”？

很多国家会在消费品上加注 “碳标签”，即标明生产过程中产生的碳排放，这样环境意识强的消费者就能更方便地识别和选择碳排放较低的消费品。类似地，围绕着 “氮足迹” 也衍生出另类的消费潮流。

近日，微生物固氮创新公司 Pivot Bio 推出了一个新的零食品牌 Connect™，产品线中的第一个小吃是 “黄蝴蝶爆米花”。该产品全生育期均使用微生物氮作为氮源，相较于化学合成氮，这种清洁氮对空气和水环境更加友好。

这一产品特性吸引了大批消费者，在他们看来，通过购买这类产品，可以间接为可持续发展出一份力。而通过微生物固氮代替化学合成氮，确实是切实可行的可持续发展路径。

以微生物固氮代替化学合成氮

氮素是植物需求量最大的矿质营养元素，植物体内各种蛋白质、核酸、磷脂都需要氮的参与才能合成。在世界各国，均通过施用氮、磷、钾三种肥确保农业高产稳产，而氮肥在这三种肥料里面应用最多、需求最大。

现阶段，农业生产中使用的氮肥主要是化学合成氮肥。由于部分种植者盲目追求高产以及氮肥的不合理施用，用于增产、稳产的氮肥日渐演变为保障粮食安全和生态安全的重要障碍。

在与整个可持续发展大环境相悖的情况下，氮肥发展将从何突围呢？一个可行的办法是，让氮肥的使用方式可持续，生物固氮无疑成为最佳选择。

生物固氮是指微生物自生或与植物共生，通过体内固氮酶的作用，将大气中的氮还原成氨的过程。自生固氮的细菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏杆菌、光合细菌等；与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线菌。蓝绿藻如念珠藻、项圈藻等能自身固氮，也能与其他植物如满地红共生固氮。此外茜草科、紫金牛科和薯蓣科中某些植物叶片上有固氮微生物共生的叶瘤。

Pivot Bio 公司于 2019 年推出业界内首款市售固氮微生物，该产品利用合成生物学技术，通过生物学研究、机器学习和计算建模的方法，让微生物可以从空气中转化氮元素满足作物日常氮需求。

他们首先确定哪部分微生物含有固氮基因，并且能与特定作物产生很强的共生关系，然后通过技术唤醒微生物的天然能力，让它们在与作物共生的过程中积极参与固定氮的过程。

图 | 微生物固氮（来源：Pivot Bio 官网）

以他们的第一代微生物固氮产品为例，播种时将 Pivot Bio PROVEN™与玉米种子同时施入土壤，当种子发芽，微生物就会附着在玉米根的表皮上，从玉米的分泌液中吸收营养，同时反过来在整个生长周期中每天为玉米输送氮素，通过这种共生关系，最终形成一个连续的供氮循环。

该产品仅在 2021 年就应用于 100 多万英亩农田上，取代了传统氮肥，且助力 Pivot Bio 在 2021 年的收入增长了两倍。今年 7 月，Pivot Bio 获得了 4.3 亿美元 D 轮融资，当时该公司宣称将用这笔资金加速发布颠覆性产品，瞄准了玉米、小麦和大米 3 个方向。

如今，Connect 发布了第一款产品美味的黄蝴蝶爆米花（未爆玉米粒），这款零食 100% 全谷物且属于非转基因，产地为内布拉斯加州的一个家庭农场。Connect Snacks 可在亚马逊等网站上购买，Pivot Bio 预计明年将推出微波爆米花生产线。

微生物固氮产业机遇与挑战并存

近年来，随着有机农业的发展、政府部门与法规机构对生物肥料生产的支持与推广，全球微生物肥料市场规模保持稳定增长的态势。2020 年全球生物肥料市场规模达 11.7 亿美元，同比增长 13.6%。预计 2026 年市场规模将达 24 亿美元。

（来源：生辉根据 Grandview Research 数据整理）

根据 Grandview Research 数据，2019 年，北美地区是全球生物肥料使用最多的地区，占全球生物肥料市场规模的 32.6%。从需求来看，欧洲许多国家微生物肥料的使用比例已达到 45-60%，美国的使用比例高达 60-70%。

近年来，与生物固氮产业相关的巨头公司面对机遇也在不断进行调整。美国固氮菌生产厂家 Becker Underwood 被顶级跨国公司巴斯夫收购，加拿大固氮菌生产厂家 Philom Bios 公司被拜耳公司收购。英国农业技术公司 Azotic Technologies 采用生物工程和种衣剂技术，研发固氮技术产品 Envita 并面向全球市场销售。国际固氮微生物产业出现新一轮的技术升级与产业革命。

国内也非常重视生物固氮的相关研究，并取得一系列国际先进水平的科研成果。

中国农业科学院是国内生物固氮领域的优势单位，近年来在生物固氮资源利用、基因组演化、代谢网络解析、微生物与宿主互作、人工固氮体系构建以及固氮结构生物学等方面取得重要研究进展。

2020 年，中国农业科学院创新工程联合攻关重大科研任务 “高效固氮生物学基础与农业应用” 正式启动。该重大科研任务围绕国家农业生产的重大需求，针对天然生物固氮体系的能力缺陷和我国固氮微生物产业发展的瓶颈问题，系统开展生物固氮系统的前沿理论、生物固氮模块的适配性、人工固氮线路的系统优化以及高效固氮体系的田间应用等研发工作。

不过，生物固氮存在天然固氮体系宿主范围窄和固氮活性受环境影响大等问题，还有固氮生产菌株竞争力弱和田间应用效果不稳定等问题，这些仍然是全世界需要继续攻克的技术难题。未来，合成生物技术将为增强根际联合固氮效率，扩大根瘤菌共生固氮的宿主范围，构建自主固氮的非豆科作物进一步提供解决方案。

参考资料：

• https://szb.farmer.com.cn/2021/20210528/20210528_005/20210528_005_4.htm

• https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/211019-62680351.html
• https://blog.pivotbio.com/press-releases/connect-popcorn

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