土壤是一個復雜有活性的生態系統。而土壤微生物組是土壤中所有微生物及其棲息環境的總稱。土壤蘊含極為豐富的微生物多樣性, 它們在物質分解、元素生物地球化學循環、植物生產力和生物健康中扮演著關鍵角色。土壤微生物組研究的核心內容是特定土壤中微生物群落的協同演化規律及其環境功能。土壤微生物組的功能與人類生產生活中的基本需求(如糧食生產、環境保護和醫藥衛生等)密切相關。

土壤微生物健康領域,主要聚焦于兩個方面-檢測與治理,多種技術被運用到土壤健康微生物這個領域中。目前,國際領先的土壤微生物檢測技術包括微生物組測序、微生物地圖、人工智能等技術。微生物組測序與微生物地圖能夠幫助理解土壤微生物的生物地理分布格局、形成機制與群落構建規則, 有助于預測在全球變化背景下土壤微生物組的功能演變及其對陸地生態系統的調控影響；人工智能、大數據平臺能夠幫助我們檢測、監控、管理土壤中微生物組的動態變化過程,以便采取后續治理措施。此外,微生物制劑、碳捕獲等土壤健康治理措施,也被逐漸運用到這個領域中來。例如用生物農藥代替化學農藥,大大減少了化學農藥殘留對土壤生態結構的危害。種衣劑創造出抗逆性強的作物,更好地抵御干旱和疾病,減少后期化肥農藥的使用,提高農作物產量的同時也降低了農耕活動對土壤的危害。

中國在土壤健康治理領域起步較晚,目前落后于發達國家的治理水平。但是過去30年間,中國在土壤治理和修復上取得了重大的成績。中國有不同的作物系統和不同的生態區,有一個非常復雜的農業生態系統,可以為全球很多國家提供好的措施。希望未來能夠加強與中國科研單位、政府以及企業的合作,來促進全球土壤污染治理,實現糧食安全,減緩氣候變化。

土壤微生物為何重要？

土壤中的微生物種類較多,有細菌、真菌、放線菌、藻類和原生動物等,它們對土壤的形成發育、物質循環和肥力演變等均有重大影響。正是有了土壤微生物的默默耕耘,大地才會有春華秋實的生生不息。那么這些極不起眼又極不平常的微生物在土壤中究竟做了些什么呢？

首先,土壤微生物可以形成土壤結構。土壤并不是單純的土壤顆粒和化肥的簡單結合,作為土壤的活躍組成部分, 土壤微生物在自己的生活過程中,通過代謝活動的氧氣和二氧化碳的交換,以及分泌的有機酸等有助于土壤粒子形成大的團粒結構,最終形成真正意義上的土壤。土壤微生物的區系組成、生物量及其生命活動對土壤的形成和發育有密切關系。

其次,土壤微生物最顯著的成效就是分解有機質, 比如作物的殘根敗葉和施入土壤中的有機肥料等,只有經過土壤微生物的作用,才能腐爛分解,釋放出營養元素,供作物利用,并形成腐殖質,改善土壤的結構和耕性。

然后,土壤微生物還可以分解礦物質,土壤微生物的代謝產物能促進土壤中難溶性物質的溶解。例如磷細菌能分解出磷礦石中的磷,鉀細菌能分解出鉀礦石中的鉀,以利作物吸收利用,提高土壤肥力。另外,尿素的分解利用也離不開土壤微生物。這些土壤微生物就好比土壤中的肥料加工廠,將土壤中的礦質肥料加工成作物可以吸收利用的形態。

另外,土壤微生物還有固氮作用,氮氣占空氣組成的4/5,但植物不能直接利用,某些微生物可借助其固氮作用將空氣中的氮氣轉化為植物能夠利用的固定態氮化物,有了這樣的土壤微生物,就相當于土壤有了自己的氮肥生產車間了。

在植物根系周圍生活的土壤微生物還可以調節植物生長,植物共生的微生物如根瘤菌、菌根和真菌等能為植物直接提供氮素、磷素和其他礦質元素的營養以及有機酸、氨基酸、維生素、生長素等各種有機營養,促進植物的生長。土壤微生物與植物根部營養有密切關系。所以,微生物是極為有用的,它們在土壤的形成,自然界中的物質轉化,以及對動植物的生長都有著巨大的作用。

土壤健康防治領域產業鏈

六大技術解決土壤問題

■   微生物組測序技術

將微生物組測序技術放在第一位,是因為測量了解土壤中微生物組成分是土壤健康治理的基礎,我們可以通過土壤微生物組了解土壤與作物環境之間的關系,選擇相應適合的農作物,后續更科學精準的選擇修復技術、制劑。

Biomcare提供土壤微生物分析服務,檢測土壤中的微生物以及這些微生物的功能。進行統計分析以檢測微生物組與特定土壤指標(例如作物產量或作物疾病)之間的關聯。土壤中不利的微生物組成會影響植物的氮、磷和其他養分的供應,改變養分的利用率和植物的生長。

在美國,Indigo Ag是一家微生物技術初創公司,致力于為玉米、小麥、大豆和棉花等農作物生產種衣。目前該公司正在推進對40000種微生物組的測序。這家初創公司的目標是通過在農作物中添加微生物來改造種子的基因結構,從而創造出更有彈性的作物,更好地抵御干旱和疾病。

■   土壤微生物基因組數據收集-微生物地圖

土壤蘊含極為豐富的微生物多樣性, 它們在物質分解、元素生物地球化學循環、植物生產力和生物健康中扮演著關鍵角色。理解土壤微生物的生物地理分布格局、形成機制與群落構建規則, 有助于預測在全球變化背景下土壤微生物組的功能演變及其對陸地生態系統的調控影響。自21世紀以來, 土壤微生物生物地理學在各種大型國際微生物計劃的推動下逐步形成了分子生物學技術耦合大數據分析的模式, 實現了多種尺度上的關聯研究。

Pattern Ag成立于 2018 年,不久就開始建立土壤微生物數據庫。隨著工作的進展,Pattern Ag收集了樣本并開始對土壤進行DNA測試。如今,Pattern Ag收集并分析了中西部各地的土壤樣本,不斷增加其龐大數據庫的深度。該公司計劃擴大這項工作的范圍,包括對全球各地土壤樣本的分析,其長期愿景是建立第一個全球土壤微生物組地圖。Pattern Ag數據庫的規模至關重要,因為它開啟了農業領域新的計算解決方案。農業土壤中數據庫使我們能夠比以前更準確地預測農藝結果,為我們的客戶釋放預測農業的力量。

■   人工智能的使用

來自墨西哥的Solena是一家幫助農民提高農業產量的土壤微生物創業公司。像少數其他創業公司一樣,它正在利用人工智能的力量在土壤上建立數據倉庫。該公司專有的人工智能驅動的Prometheus平臺是世界上最廣泛的土壤微觀數據倉庫,可以將診斷數據轉化為見解和定制的微生物接種劑建議。

Trace Genomics利用機器學習為農戶提供土壤分析服務,主要投資者Illumina幫助其開發了一個基于機器學習的系統,能夠讓客戶對土壤優劣有清楚認識,重點關注農作物缺陷預防以及作物產量提升。

用戶在向Trace Genomics提交土壤樣本后,會收到關于土壤成分的深度分析。該服務以產品包形式供用戶挑選,包括以細菌及真菌為重點的病原體篩選,以及復合微生物評估和土壤DNA分析。

■   微生物制劑

化學農藥使用對土壤的污染是土壤質量惡化的重要因素。農藥進入土壤后會發生物理、化學和生化等各種反應。進入土壤的農藥被粘土礦物或有機質吸附,其中有機質吸附的農藥約占土壤總吸附量的70%～90%,導致土壤酸化、有機質含量下降。

Aphea.Bio提供生物殺蟲劑和生物除草劑領域的研究和開發。該公司的目標是使用天然微生物開發可持續的生物農藥和生物刺激劑,以提高作物產量并改善對真菌病害的保護,為農民提供使用化學殺蟲劑的替代方案。

納米封裝技術是NanoScoping的獨家優勢,該技術可實現兩個主要效果：首先,納米封裝技術可提高產品粘附擴散效應,提高產品在植物表面的附著性和覆蓋性；其次,該技術具備的乳化效應可提高植物油穩定性,防止有效成分分離或沉淀。

Nano Agro系列包括3種產品：Nano Agro Neeml(殺蟲劑)、Nano Agro Crop(殺菌劑)和 Nano Agro Total(殺菌劑和殺蟲劑)。由于該類系列產品是由天然化合物制成,因此具備生物可降解性和生物兼容性,并適用于多種作物,如玉米、草莓、西紅柿和萵苣。目前已在大學和研究機構的試驗證實了產品有效性。

■   精準農業

另一個不斷增長的領域,精準農業,也被用來幫助保持健康的土壤。遙感、GPS 和數據分析可以幫助農民優化投入、減少浪費并最大限度地減少對環境的影響。精準農業可以有針對性地施用化肥、農藥和灌溉,從而改善土壤健康和資源效率。

總部位于以色列的Agmatix能夠在生長季節周期進行精確輸入,并在整個生長季節添加額外的數據,如土壤、水和葉片分析,以適應作物營養計劃。其平臺通過將真實世界的農藝數據整合到一個平臺中,并允許農業專業人員在正確的時間訪問正確的信息,從而改善了土壤健康方面的決策。

■   碳捕獲

土壤是重要的碳庫。土壤中溫室氣體的釋放,特別是通過農業活動的釋放,對全球大氣CO₂收支帶來影響。使碳在土壤中長期儲存(碳捕獲)的措施是緩解氣候變化的關鍵

Carbo Culture成立于芬蘭,總部位于舊金山。自2018年以來,Carbo Culture已經籌集了 55 萬歐元的資金。該公司認為,通過將生物質廢物轉化為生物炭來修復土壤,可以實現有效的碳封存。

Loam Bio成立于 2019 年,由澳大利亞和北美的一群科學家、農民和企業家成立,主要解決兩個問題：空氣中二氧化碳過多和土壤中碳過少。這家初創公司正在開發一種技術,可以讓農作物接種共生微生物。這些微生物不僅可以提高寄主植物的肥力和抗病能力,還可以幫助植物根部周圍的土壤更有效地儲存碳,從而為未來的種植提供更好的土壤質量。

代表企業商業化案例分析

海外企業案例(部分)

■   Loam Bio

融資：最近籌集了 7500 萬美元

成立時間：2019 年

創始人：弗蘭克.奧利、蓋伊.哈德森、蓋伊.韋伯、米克.韋滕豪爾、甘特.諾克

國家:澳大利亞

融資額：1.19 億美元

投資者：Lower carbon Capital、Wollemi Capital

◎澳大利亞初創公司Loam Bio正在向種植者提供一種種子接種物,支持在種植系統中建立穩定的土壤碳。

◎目標：Loam的技術幫助植物從大氣中吸收二氧化碳,并將其轉化為最穩定的土壤碳,將世界上的農田變成巨大的碳匯。

◎技術：被壤土微生物真菌覆蓋的種子增加了土壤結構中的碳含量。當種子發芽時,微生物通過微團聚體將植物吸收的大氣碳結合在一起土壤。換句話說,真菌將二氧化碳轉化為更穩定的碳,可以長期儲存在地下。它目前提供給 2000 年的農民澳大利亞,計劃在不久的將來走向國際。

◎商業化進展：今年早些時候,Loam Bio在B輪融資中籌集了 7500 萬美元,并計劃使用這筆資金來擴大碳儲存種子包衣的可用性。

■   Biome Makers

成立時間：2015 年

創始人：Alberto Acedo、Adrián Ferrero  

國家/地區：美國

融資額：2290 萬美元

投資方：歐盟委員會(grant)、Pymwymic

◎Biome Makers是一家總部位于加利福尼亞州的農業技術公司,分析土壤生物學和微生物學,研究土壤微生物群的組成和行為,旨在開發適應不同作物和地區特定需求的新一代益生菌。

◎目標：Biome Makers的使命是增強農民的能力,恢復全球土壤健康。

◎核心技術：通過整合先進的基因組學、微生物網絡科學和機器學習,Biome Maker BeCrop技術能夠分析整個土壤微生物組,并提供關于微生物特定功能的寶貴見解。這使得農民、作物顧問、農業投入制造商和零售商能夠針對50個國家的數百種作物做出數據驅動的決策。

◎商業化進展：Biome Makers是 2023 年農業技術突破獎的獲獎者。他們最近還宣布與西班牙生物技術公司Kimitec 合作--這兩家公司計劃使用Biome Maker的專有BeCrop 技術和Kimitec的人工智能平臺來分析土壤微生物群,將定制的、可持續的生物技術解決方案推向市場。

國內企業案例(部分)

■   北京耕天下生物科技有限公司

成立時間：2019 年

國家/地區：中國

◎耕天下在黑龍江寒地、青藏高原、海南島等不同物候帶的土壤中篩選出了 300 多株原位藻種,其中有三分之一是新物種發現,并且針對不同作物的根系微生物組及土壤特性建立了具有差異化的技術模型,為每一種土壤提供可持續的解決方案。

◎商業模式：通過產品和技術服務置換碳權。以30萬畝水稻為例,耕天下的技術服務可以減排 6~8 萬噸CO₂當量,種植戶的經濟效益如下：水稻增產 5~15%,增產收益60~180 元/畝；減施氮肥10~30%,降低綜合用肥成本10~30元/畝,畝收益80~200元。

◎目標客戶：目前公司已經鎖定東三省7000萬畝水稻面積中的 1000 萬畝,覆蓋黑龍江東部、吉林、遼寧盤錦等水稻主產區,另有意向簽約客戶 500-1000 萬畝,共占東三省水稻總面積的 20%以上,旨在提前鎖定優質碳匯資產,為水稻種植戶服務。

■   上海綠樂生物科技有限公司

成立時間：2019 年

國家/地區：中國

◎一家從事耕地土壤修復及新型肥料研發生產的高科技企業

◎產品管線：一種是作物營養產品,例如大量元素和中微量元素水溶肥,能夠為農作物補充氮磷鉀等多種營養元素；另一種是土壤修復產品,例如生物有機肥、微生物菌劑、土壤修復菌劑、重金屬鈍化劑等。從營養供給到土壤修復,綠樂為作物種植提供一體化的技術解決方案。

◎與上海交大農業與生物技術學院的周培教授建立了戰略合作關系,開發出一款針對土壤次生鹽漬化的土壤修復產品,并于 2018 年在農業部率先登記,成為全國第一個針對土壤次生鹽漬化的土壤修復菌劑產品。

■   先正達集團---″厚圃土壤健康+″項目

成立時間：2000 年

國家/地區：總部位于瑞士,目前為中國化工集團所有

◎″厚圃土壤健康+″項目針對不同土壤問題特性,通過集成產品組合及配套可持續耕作模式,形成綜合解決方案。

◎實現從物理、化學、生物三個維度改良土壤。例如基于植物生理學、分子生物學技術手段,開發應用調控土壤根系微生態環境的生物刺激素″優翠露″和高濃度微生物菌劑″維格施″。

◎實現農業-環境雙贏：不僅有助于作物生長、抗逆,也能夠直接和間接調控土壤,提高土壤微生物活性,促進土壤與作物根系間良性互作。

◎建構標準化適用不同場景的應用型土壤健康評價指標。評價指標體系通過與以南土所為代表的權威學術機構不斷研討得出結論。

土壤生物技術領域的機遇

■   生物投入對土壤健康非常有益。然而,普納生物公司的佛朗哥.馬丁內斯.李維斯指出：″為了抓住這個機會,我們需要更好地了解土壤微生物群和生物輸入,以確保我們在全球日益復雜的天氣模式中的表現?！?/P>

■   在改善土壤健康方面,生物技術創新可以減少化肥和殺蟲劑的使用。植物基因測序、微生物組和植物疾病的發展意味著病蟲害的解決方案可以更有針對性,對環境的危害更小。減少殺蟲劑的使用可以改善土壤、空氣和水的質量。

■   土壤健康生物技術是一種開發高產、耐脅迫作物品種的有效方法,這些作物品種經過特別挑選,具有抗逆能力,或經過基因改造而具有抗逆能力。這提高了作物產量,有助于在一個土壤環境不斷改變的世界里種植更多的糧食。

■   既能提高土壤碳儲量又能提高作物產量的解決方案,如壤土生物公司的解決方案,解決了兩個問題。微生物組測序方面的創新也是如此,這些創新利用收集的數據開發相關產品,例如Ag Biome特制的殺菌劑。

土壤生物技術領域的潛在風險

當轉基因作物或微生物占據主導地位時,土壤中的生物多樣性就會減少?！逋寥澜】怠宓母ダ饰魉?博薩告訴我們,″多樣性的減少會對土壤微生物產生負面影響,并破壞生態系統的功能?！迳�物技術也可能導致抗除草劑和殺蟲劑作物的發展。

■   基因污染：將轉基因生物釋放到環境中會導致非轉基因作物和野生植物種群的基因污染。弗朗西斯說,這可能對土壤健康和生態系統動態產生不可預測的后果。

■   破壞養分循環：生物技術可以改變作物的遺傳特性,包括它們吸收和利用養分的能力。這可能會破壞土壤中的自然養分循環過程,潛在地導致失衡和養分缺乏。

■   效率和培訓：普納生物公司的佛朗哥.馬丁內斯.李維斯告訴我們,″新的替代品需要與化學品的性能相當,以增加采用率″。這也帶來了培訓方面的挑戰,因為農民需要了解如何應用所有這些新技術。

■   可擴展性的問題仍然存在：據Business Insider報道,一些科學家對種子包衣的商業化程度存有疑慮。

■   監管：許多化學品正在被禁止或計劃停止使用(例如在歐洲),雖然這可能對土壤健康產生積極影響,但公司和監管機構都需要適應,以便能夠更快地將生物和更安全的替代品推向市場。

總  結

土壤是農業基礎,并且幾乎是所有糧食作物賴以生長的介質。據估計,95%的糧食由土壤直接或間接生產。健康土壤生產出健康農作物,這些農作物再滋養人類和動物。而土壤微生物組是土壤正常機能運行的基本保證。土壤微生物健康成為全球范圍內的熱點話題,土壤微生物健康防治領域正在不斷涌現新的技術,比如微生物組測序、全球微生物地圖、碳捕獲、人工智能、精準農業、生物農藥等技術均被成功應用于土壤微生物健康領域。自21世紀以來, 土壤微生物生物地理學在各種大型國際微生物計劃的推動下逐步形成了分子生物學技術耦合大數據分析的模式, 實現了多種尺度上的關聯研究。一些初創企業正在開發改善土壤管理和保護的技術解決方案。微生物制劑、碳封存等土壤修復技術可減少農業的足跡并恢復退化的土壤。人工智能等土壤監測解決方案使農民能夠跟蹤土壤質量的變化。此外,雜草管理可以減少雜草的生長和對養分的競爭,同時避免破壞土壤健康的物種。最后,分析解決方案提供有關土壤質量的信息,為施肥、作物選擇和修復工作等管理決策提供信息,實現精準農業。

較發達國家,中國土壤健康防治行業發展的比較晚,但是發展迅速。目前國內土壤修復行業還在剛剛起步,需要從環境調查、風險評估、風險管控、治理與修復,還有修復效果的評估等環節,構建和完善整個產業鏈條,此外,中國目前的土壤污染修復資金主要來源于政府財政性投資,融資渠道較為單一?！锻寥牢廴痉乐涡袆佑媱潯穼嵤┖?如何滿足實現土壤污染修復與治理目標的投資需求是一個迫切需要解決的問題,充分創新發揮市場力量,建立長效的融資政策機制是核心內容。隨著人工智能、地理空間測繪、生物技術、基因工程、材料科學、納米材料等前沿技術的涌入,也給中國該領域的玩家帶來不少機遇。據預測,到 2035 年,國內土壤環保產業年產值將會達到 5000 億人民幣。此外,中國有豐富的作物與土壤資源,是一個豐富復雜的生態系統整體,中國在土壤健康微生物領域取得的成果可以為全球范圍內的土壤治理工作提供一些可參考的依據措施。