新冠疫情爆發以來，人們對于可持續發展的看法進一步改變。相信大家都知道碳足跡，那么你有沒有關注過 “氮足跡”？

很多國家會在消費品上加注 “碳標簽”，即標明生產過程中產生的碳排放，這樣環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，微生物固氮創新公司 Pivot Bio 推出了一個新的零食品牌 Connect?，產品線中的第一個小吃是 “黃蝴蝶爆米花”。該產品全生育期均使用微生物氮作為氮源，相較于化學合成氮，這種清潔氮對空氣和水環境更加友好。

這一產品特性吸引了大批消費者，在他們看來，通過購買這類產品，可以間接為可持續發展出一份力。而通過微生物固氮代替化學合成氮，確實是切實可行的可持續發展路徑。

以微生物固氮代替化學合成氮

氮素是植物需求量最大的礦質營養元素，植物體內各種蛋白質、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、鉀三種肥確保農業高產穩產，而氮肥在這三種肥料里面應用最多、需求最大。

現階段，農業生產中使用的氮肥主要是化學合成氮肥。由于部分種植者盲目追求高產以及氮肥的不合理施用，用于增產、穩產的氮肥日漸演變為保障糧食安全和生態安全的重要障礙。

在與整個可持續發展大環境相悖的情況下，氮肥發展將從何突圍呢？一個可行的辦法是，讓氮肥的使用方式可持續，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地紅共生固氮。此外茜草科、紫金牛科和薯蕷科中某些植物葉片上有固氮微生物共生的葉瘤。

Pivot Bio 公司于 2019 年推出業界內首款市售固氮微生物，該產品利用合成生物學技術，通過生物學研究、機器學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生很強的共生關系，然后通過技術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品為例，播種時將 Pivot Bio PROVEN?與玉米種子同時施入土壤，當種子發芽，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，同時反過來在整個生長周期中每天為玉米輸送氮素，通過這種共生關系，最終形成一個連續的供氮循環。

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

如今，Connect 發布了第一款產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，產地為內布拉斯加州的一個家庭農場。Connect Snacks 可在亞馬遜等網站上購買，Pivot Bio 預計明年將推出微波爆米花生產線。

微生物固氮產業機遇與挑戰并存

近年來，隨著有機農業的發展、政府部門與法規機構對生物肥料生產的支持與推廣，全球微生物肥料市場規模保持穩定增長的態勢。2020 年全球生物肥料市場規模達 11.7 億美元，同比增長 13.6%。預計 2026 年市場規模將達 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規模的 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到 45-60%，美國的使用比例高達 60-70%。

近年來，與生物固氮產業相關的巨頭公司面對機遇也在不斷進行調整。美國固氮菌生產廠家 Becker Underwood 被頂級跨國公司巴斯夫收購，加拿大固氮菌生產廠家 Philom Bios 公司被拜耳公司收購。英國農業技術公司 Azotic Technologies 采用生物工程和種衣劑技術，研發固氮技術產品 Envita 并面向全球市場銷售。國際固氮微生物產業出現新一輪的技術升級與產業革命。

國內也非常重視生物固氮的相關研究，并取得一系列國際先進水平的科研成果。

中國農業科學院是國內生物固氮領域的優勢單位，近年來在生物固氮資源利用、基因組演化、代謝網絡解析、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等方面取得重要研究進展。

2020 年，中國農業科學院創新工程聯合攻關重大科研任務 “高效固氮生物學基礎與農業應用” 正式啟動。該重大科研任務圍繞國家農業生產的重大需求，針對天然生物固氮體系的能力缺陷和我國固氮微生物產業發展的瓶頸問題，系統開展生物固氮系統的前沿理論、生物固氮模塊的適配性、人工固氮線路的系統優化以及高效固氮體系的田間應用等研發工作。

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境影響大等問題，還有固氮生產菌株競爭力弱和田間應用效果不穩定等問題，這些仍然是全世界需要繼續攻克的技術難題。未來，合成生物技術將為增強根際聯合固氮效率，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一步提供解決方案。