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(shì)特點(diǎn)，如廣譜、高效、無(wú)污染、安全等，伴隨高科技的介入使微生物的開(kāi)發(fā)，成為一個(gè)新興的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，微觀世界的開(kāi)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(xué)技術(shù)已經(jīng)悄然在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的“戰(zhàn)場(chǎng)”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(hù)等有關(guān)的應(yīng)用微生物的總稱(chēng)。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(shí)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(hù)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(shí)現(xiàn)廢棄物的無(wú)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(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的工廠(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)碳達(dá)峰和碳中和的中堅(jiān)力量。
農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源種類(lèi)豐富，涵蓋了細(xì)菌、真菌、病毒等重要類(lèi)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(lái)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(guò)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(lái)，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(jì)，促進(jìn)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(xué)科基礎(chǔ)是“微生物學(xué)”，技術(shù)基礎(chǔ)是“生物工程”。其中發(fā)酵工程與細(xì)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(lái)，高通量測(cè)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(xué)的研究提供了新思路，為進(jìn)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(dòng)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?dòng)物、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(hù)劑等產(chǎn)業(yè)的興起和產(chǎn)品與技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)實(shí)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(gè)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(yùn)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(lèi)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(wèn)題帶來(lái)新思路。”中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授褚海燕在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“然而，微生物組學(xué)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(cè)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(duì)于微生物的認(rèn)識(shí)十分有限。本世紀(jì)初，微生物組學(xué)技術(shù)的興起，對(duì)環(huán)境整體微生物群落進(jìn)行分析成為可能，開(kāi)創(chuàng)了微生物分子生態(tài)學(xué)研究的新時(shí)代。而高通量測(cè)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(xué)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(shí)期。”褚海燕解釋說(shuō)，“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(guò)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(xué)技術(shù)仍存在一定局限性，建立在宏觀生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上的理論和模型是否適用于微生物領(lǐng)域、針對(duì)個(gè)體層面的微生物研究是否適用微生物組等問(wèn)題目前還沒(méi)有明確的結(jié)論，仍需要更多的微生物組學(xué)數(shù)據(jù)支撐。
“微生物跟動(dòng)植物等大型生物不同，單個(gè)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(wàn)種微生物，組學(xué)技術(shù)可將其作為一個(gè)整體研究，同時(shí)測(cè)定成千上萬(wàn)微生物的群落組成、功能和相互關(guān)系。”褚海燕說(shuō)，“因此，微生物組學(xué)研究要和大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，深入理解微生物的組成、多樣性與時(shí)空分布，深入挖掘微生物的功能與調(diào)控機(jī)制。現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的進(jìn)步，讓微生物組學(xué)研究進(jìn)入了‘最好時(shí)代’。”
農(nóng)業(yè)微生物中的機(jī)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(lái)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(chǎng)預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率5.5%。我國(guó)微生物農(nóng)藥市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2019年的1.6307億美元增長(zhǎng)到2026年的3.0465億美元，預(yù)測(cè)復(fù)合年增長(zhǎng)率為15.13%。我國(guó)2020年微生物肥料市場(chǎng)價(jià)值為40.265億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到86.1143億美元，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率為9.80%。
為促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)，微生物肥藥產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)，使得全球誕生出一些集微生物研究與應(yīng)用的企業(yè)，勢(shì)在促進(jìn)微生物農(nóng)藥、肥料、種子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)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(guò)程中帶來(lái)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(dòng)物食品替代品，如植物奶酪、人造肉等。
我國(guó)農(nóng)業(yè)微生物發(fā)展趨勢(shì)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(jī)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(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)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(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)品，成為帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和發(fā)展的重中之重。
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