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微生物固氮,随同种子涂层一起进入土壤

作者:陈玉清 2019-06-06 14:25

我们需要不断地去思考农业的消耗和投入,比如除草剂能有效地清楚杂草,但也会对土壤造成破坏;手动除草不会破坏土壤,但会消耗大量人力;种基因工程作物可以抵抗病毒,但消费者可能不会接受。也许,合成肥料能有效地解决这一问题。


作物在吸收氮的时候会茁壮成长,但对大多数作物而言,氮必须是“固定”或分解成特定的化学物质以后,才能被作物所吸收。像花生这种作物,它本身在基因上就有固氮基因,所以就能很好地吸收氮,但大多数作物其实都没有这么幸运,这也是为什么在几千年前,农民们会发现添加了粪便、碎骨粉等混合物的土壤变得更肥沃了,这些混合物其实就是包含了磷、钾、氮的天然肥料,农民的作物才能得以更好生长。


早在8000年前,农民就会往农田里施加粪便,但渐渐地,像这种天然的肥料资源开始变少。Charles Mann在他的著作《巫师与先知》(The Wizard and The Prophet)中提到,1898年,化学家William Crookes被任命为英国科学促进会(British Association for The Advancement of Science)会长,并在任命仪式上发表演讲。在演讲中,William Crookes提到了当时最迫在眉睫的一个问题,那就是在耕地有限、肥料即将耗尽的情况下,我们应该如何养活日益增长的人口。William Crookes说到:“也许,答案就在我们之中。”William Crookes希望有科学家可以拯救吃面包的人。


William Crookes的愿望最终实现了。1905年,德国科学家Fritz Haber发明了一种可以从空气中提取氮并加以固定的方法,使作物能够很容易吸收。有了这个重大发现,再加上化学工程师Carl Bosch的研究成果,合成肥料最终问世,这无疑算得上是现代农业发展史上的里程碑。因为这款“Haber-Bosch ”的农业技术,农民们获得了几乎无限的肥料供应,农业产量空前激增,全球的粮食供应开始变得充足,地球上的人口数量也因此得到了增加。


但是,这些收获的背后也付出了沉重的代价。多年来,合成化肥及其它来源的农业径流造成了空气和水中的氮过量,从而引发了一系列生态环境和人类健康的问题。


Crookes1898年的担忧在今天仍然适用。正如Joyn Bio首席执行官Mike Miille所言,“虽然合成化肥不能算罪魁祸首,但必须有替代品的出现了,以目前的水平来看,合成化肥是没有可持续性的”。


大型农业巨头Bayer与新兴合成生物学公司Ginkgo Bioworks的合资企业Joyn Bio希望科学的力量能够再次改变这一农业现状。科学家、农民、环保组织等目前都在研究减少氮依赖和氮污染的各种方法,Joyn甚至已经开始向微生物界寻求答案。“合成生物学已经能够在微生物方面作出一些非常了不起的改变。”Miille进一步说到,“为什么不能把它应用于农业呢?”Ginkgo致力于酵母微生物的研究,打造一些听上去就很酷的产品,比如人工培养的玫瑰油和转基因啤酒等。对于这家合资企业,Joyn表示,他们能够在Ginkgo研究的基础上,把相同的技术运用到农业上(至少目前是这样),那就是——固氮。


虽然世界上有很多天然的固氮微生物,但Miille说那些天然的固氮微生物可能还不够好,“工程微生物将比天然微生物发挥出更高水平的作用,他们将对此进行具体的设计和优化。”但天然微生物提供了一个很好的起点。在微生物的广阔世界里,有许多微生物都具有固氮能力,这就是Joyn的科学家们开始研究的地方。“如果你愿意,在删除或者是添加其它微生物的基因之前,你可以将这些微生物作为一个基础。”Miille解释说。


Joyn的首席科学官Jon Margolis说到,一个好的基础的微生物必须具有某些特性。“它必须能够在工业条件下增长,在非常高的密度下保持稳定”和杀虫剂兼容性也至关重要。”他补充说。


另一个标准是,Miille继续补充到,“基础的微生物和它的基因增减有许多不同可能的组合”。Miille满怀希望地说,“你最终会得到一个更好的微生物,它的确对作物有效”。


当然,Joyn面临的挑战不仅仅是要创造出一个完美的微生物,更需要想办法让农业领域接受它,尽管Joyn的母公司是Bayer,进入农业领域有一定的优势。


目前,市场上几乎所有的玉米种子都是由Monsanto(现在的Bayer)和Dupont Pioneer出售的,因此Joyn正在开发一种种子处理技术来作为微生物的潜在产品路径,希望这两家公司能够对此感兴趣。“我们已经在考虑向这两家公司提供此类产品,他们一定会对此感到兴奋。” Miille说。


像小麦这样的农作物,市场显得更为分散,意味着Joyn需要说服更多的种子公司加入其中。Joyn正考虑针对小麦,把微生物作为肥料本身的一部分,这也是一种区别于其它作物的方法。Miille继续解释,如果是蔬菜这种作物,就需要制作一种可以通过滴灌直接给到的添加剂。


随着市场和监管环境的不断变化,Joyn必须使用超前的生产体系。Miille表示,Joyn这家初创公司正试图在5-7年内预见市场前景,尽快在市面上出售这款微生物并使之最终进入土壤。


原文作者:Jenny Splitter

文章来源:https://www.forbes.com/sites/jennysplitter/2018/09/20/these-super-microbes-could-fix-agricultures-nitrogen-problem/#6fd8424a43db

注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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