氮是作物需求量最大的营养元素，而氮肥却是利用效率极低的作物营养产品。氮肥中的氮转化成气体（N2O和NH3）流失掉的占比高达25-30%，此外还有淋失和固定在土壤中的氮无法被植物利用，造成了资源浪费和对环境的污染。氮肥生产也造成了大量温室气体的排放。为满足作物对氮的需求，多年来过量施用氮肥使土壤病虫害增多，并造成土壤酸化，土壤结构破坏，肥力下降，出现板结等问题。我国作为全球最大的化学氮肥使用国，平均氮肥利用率仅约30%。因此，减少化学氮肥的生产和使用对环境和农业可持续生产至关重要。有助于减少对化学氮肥依赖的技术备受科研界和种植界的关注，


本文精选出近两年农化巨头涉足微生物相关氮肥减施技术的动态，并以两家国内初创公司为例，介绍其在该领域的研究新发现及其独创的微生物技术。这其中，农化巨头主要通过向作物供应固氮菌来减少对化学氮肥的依赖，以及借助合成生物学等技术来增强固氮菌的活力与功效，这些跨国公司聚焦的科研成果均为固氮菌领域极具代表性的热门技术。而国内的初创公司则代表了业内氮肥减施突破性技术的新兴力量。以下对这些企业在该领域的业务发展和技术亮点做一介绍。


固氮菌：氮肥减施最热门领域，农化巨头大力部署相关业务


科迪华固氮菌剂将进入中国市场


UTRISHA N是一种固态生物制剂，叶面施用，可让植株通过新型作用方式在整个生命周期内获得氮素。UTRISHA N 含独有甲基杆菌Methylobacterium symbioticum菌株，这一内生细菌可通过叶片气孔进入植物，并在施用后7天内完全定殖于植株。这种细菌借助固氮酶复合物，分解大气中的氮气，将氮与氢相结合，形成能够被植物利用的铵态氮，以天然的方式增强植物活力，帮助作物加快生长，发挥最大的生产潜力。另一个重要优势是，UTRISHA N 产生的氮不易受到传统施肥问题的影响，如淋溶（氮向下渗透）、挥发（因温度导致营养损失）和反硝化（细菌作用导致氮转化为气态）。据科迪华介绍，该产品让大豆产量每英亩增长2.5蒲式耳，玉米每英亩增长5蒲式耳。产品适用于多种作物。


UTRISHA N最初是兴播开发的产品，由科迪华在多国经销，在科迪华收购兴播后，该固氮菌剂成为了科迪华自家旗下的产品。该产品已在欧美多国推出，不久后将进入中国市场。


先正达经销固氮菌剂产品


先正达宣布在加拿大经销固氮菌剂Envita。这一液态产品由Azotic开发，含有醋杆菌Gluconacetobacter diazotrophicus菌株，经沟施或叶面喷洒后，细菌与植物形成共生关系，细菌从空气中固定氮，这一过程发生在植物的叶子和根部细胞内，并持续作物整个种植季。这为植物在最需要氮素的部位及时间提供了额外的氮源。产品Envita可用于多种作物，包括但不限于玉米、油菜、谷物、大豆和马铃薯。


除了Envita，先正达还在欧洲西北部推广种子处理剂Nuello iN。该产品含有假单胞菌Pseudomonas siliginis和短小杆菌Curtobacterium salicaceae。据先正达介绍，该产品是将Intrinsyx Bio生产的菌株与Unium的益生元相结合，在植物内将环境中的氮转化为植物可利用的形式。Nuello iN可作为传统肥料的补充。此外，产品还可促进早期生根，在3个冬小麦和冬大麦试验中增加了20%，增强根系发育有利于作物从土壤中吸收更多营养。产品于2023年向英国市场供应，2024年，先正达还会在爱尔兰、丹麦、瑞典、芬兰、挪威、比利时、卢森堡和荷兰销售Nuello iN。这一经销合作是先正达迈向用于种子的生物肥料领域的第一步。


拜耳涉足合成生物学，增强微生物固氮能力


拜耳旗下投资部门Leaps by Bayer 与合成生物企业Ginkgo Bioworks，在2017年共同成立了合资企业 Joyn Bio，以借助合成生物学技术替代或减少氮肥使用。Joyn Bio利用Ginkgo代工厂的高通量分析技术，对拜耳独有的大规模微生物菌株库做全面的分析，并开展固氮工程菌株的原型设计，利用合成生物学改造微生物，使得工程菌具备将空气中的氮转化成能够被谷类作物（玉米、小麦和水稻）利用的形式。开发出的菌剂通过处理种子的方式施用给作物，因为这种方式对农民应用产品而言最为便捷。


2022年，Ginkgo Bioworks收购了Joyn Bio，但拜耳仍拥有在未来几年将Joyn Bio固氮产品商业化的权利。


拜耳再增投资，模仿植物激活土壤固氮菌


除了直接向作物施用固氮菌，另有新技术是通过模仿植物激活固氮菌的方式，提高此类微生物的功效，以达到氮肥减施的目的。


由Leaps by Bayer领头投资的Sound Agriculture就具备这样的技术。该公司两大研发平台之一是营养效率平台，计划取代全球30%的氮肥，拥有的专利技术可以使作物从土壤微生物中获取更多的氮（还有磷等重要营养物质）。该公司推出的第一款产品 SOURCE 是玉米和大豆合成肥料的替代品，通过模仿激活固氮菌（以及解磷菌）的植物信号，增强固氮菌的活力，促进土壤中氮气转化成能被植物利用的氮形式，以此降低氮肥的使用，并减少其对环境的负面影响。


首创联合固氮技术与脲酶抑制菌，初创企业引领创新


丽豪生物独创固氮菌与土壤氢氧化细菌协同技术，促进作物生长


研究发现，土壤根际中的氢氧化细菌能够与固氮菌联手，为促进植物生长发挥协同增效的作用。固氮菌通过固氮酶的催化作用，在吸收空气中的氮气时会释放氢气，氢氧化细菌则可以吸收氢气，以此作为能源并转化成营养；而氢氧化细菌能够将长链和难利用的物质转化为糖、短肽等小分子物质，作为养料提供给固氮微生物，改善了固氮菌群的功能稳定性。此外，氢氧化细菌还会将作物根际内的有机酸转化为氨基酸，供植物所用。以此，两类微生物实现了联合固氮，持续促进作物的生长，增强作物对生物和非生物胁迫的抵抗力，并兼顾了长效性和稳定性。


业界少有对固氮菌+氢氧化细菌联合应用的深入研究，主要原因是氢氧化细菌不易分离，培养、鉴定等工作不足。但国内已有企业在该领域取得了突破性的进步。


丽豪生物研究出的基于氢氧化细菌和固氮细菌联合固氮的理论及技术，获得了国家知识产权局的专利授权。据丽豪生物介绍，在发明授权之前，全球学术界尚未有氢氧化细菌与其它菌种混合培养的理论及实验研究报告，相关技术为公司首创。其基于氢氧化细菌类和固氮细菌类的高丰度比混合菌群，由公司原创发酵技术和装置培养，包含关键非专利核心技术，其多元复合菌组更适用于复杂的环境和气候。其RICHHOLD® PGPR微生物菌剂可减少氮肥使用量达30%-50%。目前，公司已建设中试车间，可批量生产，已完成全部主要粮油作物和经济作物第五年试验种植，并与各地政府农业部门合作建立大规模示范基地。


丝状普里斯蒂亚菌抑制脲酶——氮能生物高效应对氮肥流失


不同于上述借助微生物向植物供氮的模式，一款新的菌剂是通过减少氮肥的流失，达到节约利用氮肥的目的。


丝状普里斯蒂亚菌是由湖北氮能农业生物科技有限公司与华中农业大学联合筛选的全新菌种，拥有全球独家专利。该菌种及其代谢物能够抑制脲酶，并促进硝化酶的功能，可抑制尿素向铵态氮转化，减少铵态氮的挥发与流失。同时，该菌种能加速亚硝酸盐向硝酸盐的转化，减少N2O排放，实现节氮减排。此外和许多有益菌一样，其代谢产物也能提高植物活力和抗逆能力。


湖北氮能农业生物科技有限公司创始人汪文波表示，公司持续在全国各地与农科院、农技推广中心、土肥站等专业机构进行大量的田间验证和数据搜集，取得了″减少氮肥30%，作物不减产″的成果。目前丝状普里斯蒂亚菌现已获得中国农村农业部颁发的微生物肥料登记证，正式开启其生物节氮增效技术成果转化、产业化、市场化发展之路。


未来前景


全球生物肥料市值在2023年估计达到了31亿美元，预计到2028年提升至52亿美元，年复合增长率高达10.9%（来源：MARKETSANDMARKETS）。生物肥料市场中比重最大的是固氮菌剂，所占份额约为75%（来源：Grand View Research）。农化巨头在面对生物固氮产业的机遇时，不断调整业务发展，通过收购、经销与投资等方式为氮肥减施布局新业务。


在我国，固氮菌剂的开发已取得了较大发展，不仅筛选出一些功能性高的菌株，还在菌株培养及不同菌株联用协同技术的开发上取得了重大突破，有力助推我国固氮菌肥应用的迭代升级。


固氮菌剂以外的新技术为化学氮肥减施提供了更多选择，进一步促进了氮元素的高效利用，减少氮肥污染，促进作物种植的可持续发展。


不过，目前全球的作物生产对化学肥料的依赖性仍非常大，化学氮肥目前还是农民为满足作物对氮素营养需求所用的主要产品，固氮菌等微生物技术仍不能完全取代化学肥料。


随着基因组学、生物解决方案的进步，尤其是革新性技术的出现，节约氮肥使用的技术将会占据越来越多的作物营养市场。在这一领域，我国已有企业凭借自身独有技术渗透作物营养市场。未来他们能否掀起新一轮农业革命？我们拭目以待！


AgroPages世界农化网 独家稿件，转载请注明版权!