一文了解什么是農(nóng)業(yè)微生物和農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)
微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，在物質(zhì)循環(huán)中具有非常重要的作用。微生物具有多種優(yōu)勢特點，如廣譜、高效、無污染、安全等，伴隨高科技的介入使微生物的開發(fā)，成為一個新興的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，微觀世界的開發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)使農(nóng)業(yè)生物化成為農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要分支。微生物組學技術(shù)已經(jīng)悄然在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的“戰(zhàn)場”上凸顯力量。
什么是農(nóng)業(yè)微生物和農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)呢？
農(nóng)業(yè)微生物主要是指與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè))、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護等有關(guān)的應(yīng)用微生物的總稱。不難想到農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)就是利用農(nóng)業(yè)微生物資源及其工程技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)型農(nóng)業(yè)。微生物飼料、微生物肥料、微生物農(nóng)藥、微生物能源、微生物食品、微生物環(huán)境保護劑等都是農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。農(nóng)業(yè)微生物布局農(nóng)業(yè)發(fā)展全產(chǎn)業(yè)鏈條，在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中可謂“大有可為”。
農(nóng)業(yè)微生物可有效緩解資源短缺、糧食需求、生態(tài)環(huán)境污染等壓力，主要表現(xiàn)在以下幾方面：其一，可以利用微生物技術(shù)處理，實現(xiàn)廢棄物的無害化和再利用；其二，微生物農(nóng)業(yè)是具有高科技生物工程內(nèi)涵的“發(fā)酵工程”和“酶工程”，可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的工廠化生產(chǎn)，緩解糧食緊缺的矛盾；其三，可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。隨著探索微生物技術(shù)的持續(xù)完善和發(fā)展，農(nóng)業(yè)微生物不斷催生新產(chǎn)業(yè)的誕生，成為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達峰和碳中和的中堅力量。
農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源種類豐富，涵蓋了細菌、真菌、病毒等重要類群，主要應(yīng)用于肥料、食藥用、飼料、植保、農(nóng)業(yè)環(huán)境等方面。微生物在探索高效、安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路上發(fā)揮著重要作用。特別是在綠色發(fā)展大背景下，農(nóng)業(yè)微生物的應(yīng)用極為迫切。比如，解決‘藏糧于地’就需要微生物的參與，固氮微生物等微生物肥料可以增加土壤中的氮素來源，解磷、解鉀微生物可以分解土壤中難溶的磷、鉀，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锬芪绽玫牧住⑩浕衔铩?
此外，以微生物技術(shù)為紐帶，通過農(nóng)業(yè)廢棄物的肥料化、沼氣化、食用菌化和飼料化，把種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和居民生活緊密連接起來，可以減少環(huán)境污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)化的核心是技術(shù)，其學科基礎(chǔ)是“微生物學”，技術(shù)基礎(chǔ)是“生物工程”。其中發(fā)酵工程與細胞和組織培養(yǎng)技術(shù)是較為成熟和廣泛應(yīng)用的技術(shù)，重組DNA技術(shù)和酶固定化技術(shù)是生物工程具有特色和潛力的技術(shù)。
近年來，高通量測序和質(zhì)譜等高科技技術(shù)的介入，為微生物組和合成生物學的研究提供了新思路，為進一步探索農(nóng)業(yè)微生物功能基因、篩選高轉(zhuǎn)化效率菌種提供了保障，將推動農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)是將“二維結(jié)構(gòu)”傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)閯游?、植物、微生物資源并重的“三維結(jié)構(gòu)”的新型農(nóng)業(yè)。微生物農(nóng)藥、微生物肥料、微生物飼料和微生物環(huán)境保護劑等產(chǎn)業(yè)的興起和產(chǎn)品與技術(shù)的推廣應(yīng)用，對實現(xiàn)綠色食品生產(chǎn)和生態(tài)安全具有重要作用。
微生物組是指一個特定環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)中，全部微生物及其遺傳信息的集合，其中蘊藏著極為豐富的微生物資源。“全面系統(tǒng)地解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能，將為解決人類面臨的能源、生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康等重大問題帶來新思路?！敝袊茖W院南京土壤研究所研究員、中國科學院大學教授褚海燕在接受《中國科學報》采訪時說，“然而，微生物組學研究在很大程度上取決于其技術(shù)與方法的發(fā)展?！?
在高通量測序技術(shù)出現(xiàn)以前，微生物研究主要基于分離培養(yǎng)和指紋圖譜等技術(shù)，但由于這些技術(shù)存在不足，人們對于微生物的認識十分有限。本世紀初，微生物組學技術(shù)的興起，對環(huán)境整體微生物群落進行分析成為可能，開創(chuàng)了微生物分子生態(tài)學研究的新時代。而高通量測序和質(zhì)譜等技術(shù)的突破，使人們可以從DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝物等不同水平解析微生物組，以獲得更為全面的微生物組信息。
“目前微生物組學研究正處于從數(shù)量到質(zhì)量、從結(jié)構(gòu)到功能的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變時期?！瘪液Ｑ嘟忉屨f，“微生物與其所處環(huán)境共同構(gòu)成了復(fù)雜的微生物組，在支撐生態(tài)系統(tǒng)過程和功能中，發(fā)揮著不可替代的作用。為充分發(fā)揮微生物組在各前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，迫切需要深入理解微生物組的結(jié)構(gòu)和功能。”
目前的組學技術(shù)仍存在一定局限性，建立在宏觀生態(tài)學基礎(chǔ)上的理論和模型是否適用于微生物領(lǐng)域、針對個體層面的微生物研究是否適用微生物組等問題目前還沒有明確的結(jié)論，仍需要更多的微生物組學數(shù)據(jù)支撐。
“微生物跟動植物等大型生物不同，單個微生物的作用微不足道。而且環(huán)境中的微生物數(shù)量巨大，每克土壤里，就可能有成千上萬種微生物，組學技術(shù)可將其作為一個整體研究，同時測定成千上萬微生物的群落組成、功能和相互關(guān)系?！瘪液Ｑ嗾f，“因此，微生物組學研究要和大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合起來，深入理解微生物的組成、多樣性與時空分布，深入挖掘微生物的功能與調(diào)控機制?，F(xiàn)在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的進步，讓微生物組學研究進入了‘最好時代’?！?
農(nóng)業(yè)微生物中的機遇與挑戰(zhàn)
農(nóng)業(yè)微生物作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要資源，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微生物功能的最大化已成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)Markets Research的數(shù)據(jù)顯示，2021-2026年，全球農(nóng)業(yè)微生物市場預(yù)計復(fù)合年增長率5.5%。我國微生物農(nóng)藥市場規(guī)模預(yù)計將從2019年的1.6307億美元增長到2026年的3.0465億美元，預(yù)測復(fù)合年增長率為15.13%。我國2020年微生物肥料市場價值為40.265億美元，預(yù)計到2027年將達到86.1143億美元，預(yù)計復(fù)合年增長率為9.80%。
為促進生態(tài)農(nóng)業(yè)，微生物肥藥產(chǎn)品的需求不斷增長，使得全球誕生出一些集微生物研究與應(yīng)用的企業(yè)，勢在促進微生物農(nóng)藥、肥料、種子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進而改良土壤生態(tài)環(huán)境，形成良好生態(tài)效應(yīng)。為緩解資源短缺及生產(chǎn)過程中帶來的資源損耗，在微生物食品賽道，不少初創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)將創(chuàng)新方向指向植物源的動物食品替代品，如植物奶酪、人造肉等。
我國農(nóng)業(yè)微生物發(fā)展趨勢勁頭十足，企業(yè)眾多，目前主要力量集中于微生物肥藥領(lǐng)域，但行業(yè)整體發(fā)展不夠完善，絕大多數(shù)缺乏核心微生物菌株、功能活性分子機制不清、應(yīng)用技術(shù)落后、高性能產(chǎn)品匱乏等，從而缺乏國際核心競爭力。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展進入了新的階段，生態(tài)農(nóng)業(yè)已成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要模式和方向。因此，提升核心微生物技術(shù)，開發(fā)農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品，成為帶動產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展的重中之重。
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