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      大國農業,向微生物要資源

      時間:2023-04-13      來源:陳欣雨-轉自 | 光明母港      點擊:153次

      前言:3月28日,第一屆中國綠色生物制造峰會于廣州舉行,共議合成生物技術應用新模式、新技術和新思路。綠色生物制造是實現可持續發展的重要途徑,需要各界加強技術創新和產業合作,推動綠色生物制造技術的不斷升級和應用。其間,加強微生物研究,深入探討微生物在生態系統中的作用和機制,是綠色生物制造的重要議題,也是為保護生態環境和促進人類健康的抓手。
      2016年,中央一號文件將“樹立大食物觀”作為優化農業生產結構和區域布局的重要內容。
      時隔七年,不久前發布的2023年中央一號文件中,“樹立大食物觀”再次被提及。向森林要食物,向江河湖海要食物,向設施農業要食物,從傳統農作物和畜禽資源向更豐富的生物資源拓展,向植物動物微生物要熱量、要蛋白,建立多元化的食物供給體系,是托住“中國飯碗”的堅實后盾。

      隨著科學技術的發展,微生物在農業領域中的應用及作用效果越來越受到人們的重視。在推進傳統“二維結構”(利用植物、動物資源)向“三維結構”(利用植物、動物、微生物資源)轉變的過程中,微生物的力量不可小覷。

      初識農業微生物,揭開它的神秘面紗

      地球三大生物之一的微生物資源是至今尚未充分開發和利用的生物資源寶庫,開發微生物資源,創建微生物產業,已經成為時代發展的必然趨勢。緊跟時代發展的脈搏,我國也用眾多的政策鋪就了微生物在國內發展的“康莊大道”。

      圖:近年來我國發布的與微生物相關的政策

      數據來源:據公開資料收集

      根據Grandview Research的數據顯示,2022年,全球微生物學市場規模為111.2億美元,預計2023年至2030年的復合年增長率 (CAGR) 將達到6.9%,在微生物身上,人們看到了巨大的開拓價值和市場潛力。
      微生物所涉及的領域也相當廣闊,Grandview Research數據顯示,微生物當前市場應用度為——醫藥生物技術占32%;農業所占比例為28%;在食品和飲料領域中,這一數字為16%;化妝品和個人護理行業中,微生物市場應用度為12%;環境保護方面為10%;其他占2%。

      圖:微生物的行業分布

      數據來源:Grandview Research

      作為占據微生物市場應用度第二的行業,微生物在農業中的應用大有可為。 農業微生物是農業生產(含種植業和養殖業)、農產品加工、農業生物技術、農業生態環境保護等有關應用微生物的總稱,覆蓋種植業、養殖業、農業環境等領域,涉及與農業有關微生物的特性、生命活動規律、作用過程調控等研究,也是促進農業生產發展的新興方向。本文主要聚焦微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料、微生物食品、微生物能源、微生物生態環境保護劑6大版塊。
      微生物肥料
      我國微生物肥料產業已經成為生物產業、生物經濟產業的重要組成部分。在相關的標準建立方面,我國已基本形成較為健全、全方面的體系。在作物應用方面,以禾谷類農作物應用量最多,緊隨其后的是纖維類、油料類作物。
      圖:我國微生物肥料的相關情況

      數據來源:Markets and Markets、農業部、華經產業研究院
      微生物肥料產業的快速發展,得益于國家的大力支持。2013年,國務院發布的《生物產業發展規劃》將微生物肥料列為高新技術產業和戰略性新興產業,其重要性可見一斑。2022年5月,《“十四五”生物經濟發展規劃》明確了功能型微生物等生物技術在土壤修復中的應用,再一次在國家層面上對微生物肥料做出了肯定。

      圖:我國發布的與微生物肥料相關的政策

      數據來源:華經產業研究院


      微生物農藥
      微生物農藥是以真菌、細菌、病毒或基因修飾的微生物等活體作為有效成分的農藥。當前,在發展綠色農業、實現藥肥“雙減”的背景下,化學農藥的使用愈發受到限制,農用微生物制劑的需求穩步增長。井岡霉素、赤霉素、阿維菌素等已獲得廣泛應用。
      相關數據顯示,以有效成分的登記數量測算,全部農藥登記品種共727種,其中微生物農藥54種,占總的農藥登記品種總數的7%。以農藥制劑產品的登記數量測算,微生物農藥542個,占比1.3%。
      微生物飼料
      作為具有“綠色”屬性的食品,微生物飼料對于促進動物生長發育,提高免疫力等方面具有顯著效果。
      根據目前國內飼料年生產總量和豬、禽、反芻和水產動物的養殖總量來計算,國內微生物飼料添加劑的市場容量在180億元至200億元之間浮動。就當前情況來看,市場推廣普及率約為10%,市場空間具有極大的彈性,產業發展和行業前景十分廣闊。
      微生物食品
      微生物作為食品大致有以下兩種分類。其—,本身作為食品的微生物,可利用其繁殖速度快、營養價值高的特性,進行快速、大量的生產,食用菌就是代表產品。其二,將有益微生物轉化為加工食品,利用微生物新陳代謝進行生產,代表性產品有酸奶、食醋、葡萄酒等,以上產品能夠保障“盤中餐”的多元化提供助力。
      微生物食品的實力不可小覷,隨著全球范圍內發酵食品的興起,單單以發酵成分為原料的食品飲料年均增長率為29%,微生物食品全品類的市場規模似是“深不可測”。
      微生物能源
      微生物是發展生物質能源的“必需品”,其巨大潛在價值還尚未完全被人們挖掘,眾多重大發現都還只存在于實驗室進行小規模運用。但近來在能源微生物領域的新發現,使得微生物能源正在讓其變成能源替代品成為可能。
      微生物能源在凈化生活污水和有毒工業污水、監察環境污染度,和生態和環境保護方面是把好手。針對上述問題,微生物能源是一個極佳的突破口。當前,我國已形成較大微生物能源生產規模,微生物能源產能1500萬噸以上。
      微生物農業酶制劑產品
      上世紀70年代,酶制劑開始應用于配合飼料中。隨著現代生物技術,尤其是微生物的基因改造和發酵技術的迅速發展,生物酶制劑的生產成本越來越低,其推廣和市場化的步伐也開始加快。
      《2020—2026年中國酶制劑市場競爭策略及投資可行性研究報告》數據顯示,2020年農用酶制劑領域酶制劑產量為2.24×105 t(增長率為15%);其中飼料添加劑中的酶制劑產量為1.35×105 t(增長率為10.8%),混合型飼料添加劑中的酶制劑產量為 8.9×104 t(增長率為22.2%)。
      作為飼料添加劑的一個新品種,飼用酶制劑逐漸得到飼料工業和養殖業的認可。
      2019年發布的《國務院辦公廳關于加強農業種質資源保護與利用的意見》第一次將農業微生物種質資源提升為國家戰略,在新形勢下邁出了對戰略資源和農業科技原始創新的重要一步。同年,美國科學院、工程院和醫學院聯合發布研究報告,把微生物相關研究列為未來30年農業領域亟待突破的五大研究方向之一。
      未來,小小的微生物或將成為決定全球農業科技發展態勢的中堅力量

      微生物種質資源正成為農業微生物行業的“芯片”

      作為農業的“芯片”,種子的重要性人盡皆知,要真正把“藏糧于地”落實到位,在綠色發展的宏觀背景下,作為農業種質資源之一的微生物或將被委以重任。
      2020年2月,《國務院辦公廳關于加強農業種質資源保護與利用的意見》(以下簡稱:《意見》)的發布更是為微生物種質資源的保護提供了政策保障?!兑庖姟诽岢?,力爭到2035年,建成系統完整、科學高效的農業種質資源保護與利用體系,資源保存總量位居世界前列,珍稀、瀕危、特有資源得到有效收集和保護,資源深度鑒定評價和綜合開發利用水平顯著提升,資源創新利用達到國際先進水平。
      《意見》的發布同時傳遞出一個信號——性能優異的微生物菌種資源已成為農業微生物產業的核心關鍵,代表著農業科技原始創新的微生物種質資源利用正在成為行業新藍海。
      當前,一個菌種成為一個細分產業的“支柱”已成為微生物行業的普遍現象。
      以線蟲治理為例,作為地球上數量最豐富的多細胞動物,只要有水的就有線蟲“伴生”,其中,植物寄生線蟲占10%。有數據顯示,在全球范圍內,因線蟲每年造成經濟損失高達1570億美元,與昆蟲危害基本一致,且這一數字還在逐年增加。
      針對這一難題,科研工作者們交出的答卷是阿維菌素、氟吡菌酰胺、氟烯線砜和淡紫擬青霉等殺線蟲劑主流品種。其中,阿維菌素以其優異的性能成為了這一產業的核心關鍵。
      基于阿維鏈霉菌高產菌株的阿維菌素生物合成適配性體系,從業者們設計了高效生產高效阿維菌素的元件與模塊,在將其產量提高1000倍的同時,將其價格降至原來的1/50甚至更低。除此之外,阿維菌素的生產技術革新還推進了農用抗生素產業的變革和發展,也為其他天然產物生物制品的改良提供了“阿維菌素經驗”。
      微生物菌種事關生物技術創新的未來,但需要注意的是,自然界中分離獲得的野生菌種,通常不滿足規?;a要求,需要進行選育以獲得優質高產的菌種。
      隨著原位培養、細胞分選、單細胞測序等新型培養技術的成熟,一些“非定向”“定向”相結合的“未 / 難培養微生物”分離技術與方法正“小荷微露”,為新的農業微生物資源的發掘和優異菌種的選育夯實了基礎。
      此外,合成生物學、高通量自動化篩選等生物技術的發展,正在引領微生物菌種的篩選和改良的行業革命,利用上述手段,相較于傳統誘變方式,篩選效率能夠高出千倍以上。
      在上述方面有“代表作”的企業,Indigo Agriculture和慕恩生物算的上是“優等生”。
      Indigo Agriculture是由Flagship孵化的、專注于農業微生物的研究和應用的企業。企業致力于開發和利用天然植物內生菌,揭示植物和天然微生物間的共生關系對植物健康和產量提升的作用,以便開發出高質量的農業微生物產品。
      在技術方面,Indigo Agriculture利用計算生物學平臺從植物微生物群落中篩選、優化潛力菌株,經過室內和田間評估等流程后,企業能夠從中篩選出性能最佳的菌株。憑借上述技術,Indigo Agriculture能夠將識別有益微生物到產品上市的時間控制在3年內,相較于傳統產品開發耗時的10-15年時間具有極大優勢。
      2019年,按照創新技術對現有行業的顛覆程度以及潛在影響力進行排名,美國財經媒體CNBC發布了“顛覆者50強”(Disruptor 50)榜單,Indigo Agriculture從全球上千家初創企業中脫穎而出,高居CNBC Disruptor 50榜首。
      在微生物領域蓬勃向上發展的征途中,我國的慕恩生物成為了Indigo Agriculture一路同行的“陪伴者”。
      慕恩生物的實力在業界有目共睹,當前,企業已建成全球最大的微生物菌種庫,保藏菌株超過20萬株;企業還搭建起了業內稀缺的微生物發掘和應用的產業化技術平臺:Culture-To-Product;并且擁有行業領先的微生物規?;a、發酵以及制劑能力……以上種種,都為全球生物農業產業向上向好發展注入了創新動能。
      當前,慕恩生物已經獲得由紅杉資本、國投創業、越秀產業基金、碧桂園創投等一線機構的參投數億元融資。慕恩生物連續多年榮獲“中國最具投資價值企業50強”。
      新的農業科技革命已然到來,農業微生物正成為新一輪科技革命的戰略前沿。未來,其或將以微米體態產業撬動整個大農業。

      我國長三角地區的農業微生物實踐

      長三角地區是我國經濟最具活力、開放程度最高、創新能力最強的區域之一,支持長江三角洲區域一體化發展已上升為國家戰略。這一區域的重要性不言而喻,在這里,無數科技型企業落地生根并發展壯大,農業微生物產業或許也能在這里找到適合它發展的土壤。
      結合長三角地區與農業微生物相關的政策、科研院所的設置以及龍頭企業的布局,或能找到潛藏在這里的發展趨勢。
      一項好的政策是行業發展的一盞指路明燈,也是行業行穩致遠走下去長遠生存的基石,從長三角地區各地發布的政策中,也滋生出了農業微生物在細分領域扎根的土壤。


      圖:長三角地區近年來發布的與農業微生物相關的政策(按地區首字母排序)

      數據來源:據公開資料收集

      從上圖不難看出,各個地區對農業微生物的應用各有側重。上海市主要將農業微生物用于環境保護、水質凈化等綠色生態方面;江蘇省與安徽省則是“心有靈犀”,將重點聚焦在了微生物資源的保護與收集上;浙江省的想法是“全面開花”,把農業微生物應用在污染修復體系、生物資源轉化以及健康養殖等方面。 上述各地結合地緣優勢,因地制宜,或攜手同行,共同為農業微生物資源的收集“保駕護航”,或“術業有專攻”,在某一細分領域進行嘗試和研究。上述種種,都為農業微生物的扎根和壯大打造了“宜居之地”。 科研院所是促進產業發展的基地,更是點亮農業微生物自立自強發展的“燈塔”。從長三角各地的科研院所的設置上來說,就當前收集的數據來看,從數量上來看,浙江省最多,但各地所聚焦的方向和應用同樣各有倚重,下圖詳細說明了相關科研院所的主要方向。

      圖:我國部分微生物龍頭企業在長三角地區的布局(按企業首字母排序)

      數據來源:據公開資料收集

      在業務方面,多以企業間的合作為主,合作方向在細分領域的覆蓋方面,微生物肥料、微生物農藥、微生物飼料、微生物生態環境保護劑和微生物食品等被提及次數較多。 而在微生物能源方面,相關業務的開展寥寥無幾,再加上我國微生物能源領域起步較晚,受制于國內生物醫學和機電一體化應用落后于國際水平,國內微生物學診斷發展一直比較緩慢,微生物能源培養基種類不多,需求微生物能源基本要依賴進口滿足,潛藏在微生物下巨大潛在價值還尚未完全被人們挖掘,眾多成果還在實驗室中明珠蒙塵或進行小規模的應用。但值得注意的是,微生物能源的開發需要強大的科技和研發投入,對資金和人才都提出了較高的要求。

      做好微生物資源收集保護,從源頭踐行創新

      仍然需要注意的是,盡管我國一直走在農業微生物資源收集與保護的路上,但保藏量與質量脫節,大規模挖掘尚未開展,產業鏈源頭創新能力不足的問題需要給予較大的關注度。
      世界菌種保藏聯合會(以下簡稱:WFCC)數據顯示,2021年,我國微生物資源總保有量約為4.23×105株,專利菌種保藏數量約為3.72×105株,占世界總量比例分別為15%和28.8%,從數量和比例上來看,這一數據都不算低。但我國的專利菌株發放率數據則顯得“不那么好看”,3.3%這一數字,遠低于10%—500%的世界先進水平。因此,保有微生物資源質量不高,核心優良菌種已成為我國微生物資源開發與利用的瓶頸環節,各地需結合地緣優勢和特色,應對上述難題。
      農業微生物資源保護體系不完善也是我國的“老大難”問題。2022年8月,我國農業農村部種業管理司發布了《關于第一批擬確定國家級農作物、農業微生物種質資源庫的公示》,旨在打造微生物資源收集保藏工作體系。但值得注意的是,在空間尺度上存在部分考察空白的區域,同時也有資源庫分布不均的情況,如長三角地區僅有上海和江蘇兩地建有國家級農業微生物種質資源庫。

      圖:國家級農業微生物種質資源庫名單(第一批)

      數據圖:國家級農業微生物種質資源庫分布情況(第一批)數據來源:農業農村部種業管理司來源:農業農村部種業管理司


      圖:國家級農業微生物種質資源庫分布情況(第一批)

      數據來源:農業農村部種業管理司

      把“存量”變為“增量”,是日后需要針對農業微生物資源久久為功的長期課題,以現代生物技術為核心的微生物資源研究與利用已經成為全球生物資源競爭的戰略重點,我國農業微生物種質資源保護與利用工作任重而道遠。
      農業微生物是解決人類食物問題而同時兼顧自然環境和生態平衡的最主要途徑。日后,隨著從業者對其研究和應用的進一步拓展,這股“被忽視的力量”或許會為農業帶來十足的后勁。

      參考資料:

      1.《微生物在新型農業中的作用》——徐超虎,花成偉

      2.《我國農業微生物產業發展研究》——周楊,鄧名榮,杜娟,宋仲戩 ,吳清平,朱紅惠

      3.《微生物點亮農業“綠色未來”》 人民資訊

      4.《吳清平院士:我國農業微生物種質資源發掘、保護、共享利用面臨的挑戰》

      5.華經產業研究院《2022年中國微生物肥料累計登記數量、市場規模、產量及需求量分析 》


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