我国农业微生物产业发展的对策建议

郭静利， 尼鲁帕尔·迪力夏提， 王大庆

（1.中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081； 2.新疆农业科学院科技成果转化中心，乌鲁木齐 830091；3. 海口经济学院，海口 571132；4. 黑龙江省农垦管理干部学院，哈尔滨 150090）

微生物作为研究生物体进化演变和遗传变异基本规律的模式生物，是推动农业科技进步的重要源泉。系统生物学、合成生物学、人工智能等现代学科的发展推动农业微生物产业技术创新进入“大数据-大平台-大发现”的新发展阶段，农业生物育种、种养殖高效生产、农产品绿色加工、生态环境保护等生物农业全产业链发展中微生物的作用不断增强。来源于微生物的重要工具酶和元器件已广泛应用于基因编辑和合成生物技术，在高产、抗逆节水、营养高效利用和机械化种植等农业领域，农业微生物产业已成为当前经济发展中较为重要的新兴产业之一。本文系统梳理了当前农业微生物产业发展趋势，对标我国农业微生物产业发展需求和存在的问题提出相应的措施建议，对推动我国农业微生物产业的健康有序发展具有一定的现实意义。

1 农业微生物产业发展趋势

1.1 农业微生物种质资源开发力度不断加大

种质资源是农业微生物产业发展的基本要素，充分开发种质资源已经成为农业微生物产业发展的基础保障。美国在2010 年启动“地球微生物组计划（Earth Microbiome Project，EMP）”，致力于鉴定世界各地的20万个微生物样本[1]，挖掘高价值科学问题，受到全球科学家的普遍关注。当前，全球78 个国家和地区共有在册微生物菌种保藏机构804 家，微生物保存总量达327 万余株，其中美国农业微生物种质资源战略储备库保藏量居世界首位，近10 万株，中国作为世界12 个高度生物多样性国家之一，农业微生物资源专业菌种库资源保藏量却不足2万株[2]，随着中国科技创新力度的持续加大，农业微生物资源开发力度有望不断加强。

1.2 农业微生物关键技术突破成为产业发展的关键

微生物前沿科学问题与21 世纪人类面临的健康、农业、生态、气候和粮食安全等重大问题密切相关。随着新型微生物分离培养技术、微生物组学和合成生物学的兴起，农业微生物基础研究和关键技术突破面临新的机遇与挑战[3]。植物根系被视为是第二次绿色革命的关键，丛枝菌根真菌与植株共生可表现出良好的生产效应，对促进植物生长发育、增强植物抗逆性、减少植物土传病害发生具有重要意义[4]，但现有鉴定方法仍在很大程度上依赖于传统经验。基于分子鉴定技术可获得个体基因组，但完整的植物微生物群在很大程度上缺失，这有赖于测序技术和生物信息学的进一步发展。可实现环境友好和资源节约目的的微生物蛋白替代产品是食品和生物产业的重要发展方向[5]，但蛋白合成效率提升及蛋白功能调控等技术仍需深入研究。此外，开发益生菌产品以治疗人类疾病及推动无抗健康养殖都是当前迫切需要推进的微生物产业技术难题。

1.3 农业微生物产业市场份额占有率不断上升

丰富的微生物资源只有经过分类筛选成为可培养的菌种资源后才具备应用价值[6]，菌种资源的精准评鉴及育种创新水平是种质资源优势的体现，现有资源的开发利用及产业优势的转化成为未来农业微生物种质资源强国的核心所在。2020年麦肯锡发布的《生物革命：变革经济、社会和生活的创新》报告预测，2030到2040年间，农业和食品领域微生物制造直接年度经济贡献在8 000~12 000亿美元。国际大型跨国集团公司凭借其雄厚的资金和研发实力，加快农业微生物酶制剂的系列开发，垄断了国际高端酶市场。微生物替代蛋白的工业化生产将颠覆传统养殖业生产方式，未来15 年内全球微生物替代蛋白产品将约占全球食用蛋白市场份额的22%，产业规模达到2 900亿美元左右[7]。拜耳等国际跨国公司利用农业微生物抗虫、耐除草剂和耐旱基因培育转基因作物新品种，奠定其在转基因作物产业化中长达数十年的全球垄断地位。

1.4 农业微生物安全保护体系建设日益重要

微生物安全是以病原微生物为对象，利用现代科学技术对其在人类生活与健康、国家安全、经济社会、生态环境等方面已产生或潜在存在的各种危害和风险进行检测、诊断和防控[8]。随着现代基因工程的发展，某些经过性状改良的基因工程微生物被广泛应用于农业领域，应用地点不限于人工封闭环境，而是进入到更容易产生微生物间基因转移的自然环境中，从而提高产生具有新特性微生物的几率，同时也可能会对当地原有的微生物群落产生影响。此外，用于研究的高致病性病原体的安全储存与利用也是微生物安全保护的关键所在。国际社会对微生物安全给予高度关注，2000 年，联合国环境规划署和秘书处会议通过《卡塔赫纳生物安全议定书》，目前已有百余个国家和地区成为缔约方，中国也位列其中。有些国家的地区将生物安全纳入国家安全体系，成为战略部署，如美国发布《国家生物防御战略》，部署“生物盾牌”“生物监测”“生物感知”三项计划[9]，推进“国家微生物组计划”“全球病毒组项目”“阿波罗生物防御计划”等战略项目，组织政府及社会的大量资源投入技术研发，相关科技工作者及机构规模日益庞大。

2 我国农业微生物产业发展现状

目前，我国初步建立了农业微生物种质资源保护体系。2022 年8 月，农业农村部公布第一批国家农业微生物种质资源库名单，包括1 个长期库和18 个专业性种质资源库，涉及食用菌、肥料微生物、植保微生物、饲料微生物等多个类别，初步建立了我国农业微生物种质资源保护体系[10]。目前我国农业微生物产业发展规模大、市场潜力广，农用疫苗、食用菌、微生物肥料、农药和饲料产业等市场规模位居全球前列。进一步拉动对农业微生物产业发展的需求，凸显出农业微生物产业的市场潜力。

2.1 养殖业相关的农业微生物市场规模持续扩大，市场份额不断上升

近年我国养殖产业发展迅猛，随着养殖农户数量不断下降和大型养殖场的兴起，市场对生物防疫、保健等产前产业的重视程度不断提升。微生物技术在疾病预防和治疗中的应用有助于减少抗生素和化学药品的使用，同时提高畜禽的免疫力。如益生菌可增强宿主免疫力，预防和治疗肠道疾病。通过微生物发酵可以生产出具有抗菌和抗病毒作用的发酵产品，用于预防和治疗畜禽疾病，农业微生物市场份额呈现不断上升态势。

2.2 种植业相关的农业微生物市场需求转旺，应用得到提升

随着我国逐渐从粗放型、小农户为主的农业种植形态转向适度规模经营模式，种植业不仅需要保障作物产量，还要持续提高农业生产效率，改善生态环境。在这一过程中，微生物技术以微生物肥料的产品形态被广泛应用于农业生产中，通过土壤、环境、植物营养元素的供应以及所产生代谢产物对植物产生有益的作用。微生物肥料在提高谷物产量和质量、提高蔬菜品质和增加水果的甜度及口感方面的作用，以及其对减少化肥使用的贡献都显现出微生物技术在种植业中的巨大发展潜力。

2.3 食用菌产业持续转型升级，供销两旺

随着居民收入水平不断提升，个人保健意识持续增强，加之食用菌保健功能的宣传效应，人们愈发认识到食用菌的营养价值，对食用菌的需求逐年增加，除了白灵菇、金针菇、杏鲍菇、鸡腿菇等传统食用菌，美味牛肝菌等珍惜食用菌的市场规模不断扩大[11]。2020年我国食用菌鲜品总产量已经达到4 061.4 万t，相比于2019 年增长了3.2%，2020 年食用菌鲜品总产值3 465.65 亿元，比2019年增长了10%[12]。此外，微生物在食品加工领域应用广泛，如在果汁加工时，应用微生物酶技术可以分解果汁内的果胶，降低黏度，提升果汁产出量以及相应的澄清效果；在现代蔬菜食品加工中，应用微生物能使蔬菜产品的口感更加爽脆；在乳制品中，乳酸菌能与蛋白质、乳糖等发生相应的反应，达到改善乳制品口味、口感的目的。

3 农业微生物产业发展的战略意义

3.1 加强农业微生物科技创新和产业发展，确保国家食物安全

我国是粮食生产大国，粮食生产已实现十九连丰，2022 年粮食产量达6.87 亿t，人均粮食483 kg，高于国际公认的400 kg 粮食安全线，做到了谷物基本自给、口粮绝对安全[13]。然而，在口粮和谷物始终保持较高自给率的同时，蛋白质食品供应缺口继续扩大，食品自给率持续下降[14]。2021 年我国粮食进口总量达1.65亿t，相当于我国粮食生产总量的24%，对外依存度达19%[15]。按照我国单位产出水平计算，包括棉花、油料、糖料以及肉类、乳制品在内的全部农产品进口量已相当于进口虚拟耕地面积7 亿亩（0.47 亿hm2）或播种面积10 亿亩（0.67 亿hm2）左右的当量[16]。我国作为成长型粮食消费大国，存在农业资源环境约束趋紧、农业科技取得新突破难度增大等现实困境与挑战，包括土地和劳动力在内的粮食生产成本不断上升、世界粮食供应链不稳定导致进口风险加大，使得粮食安全任务压力将在未来一段较长时间内持续存在。据预测，2030 年农业微生物技术可使作物增产1.3~2.5 亿t，减少500~2 000 万t粮食损失，到2035 年全球替代蛋白市场规模预计达到2 900 亿美元，其中微生物发酵蛋白占到22%[17]。因此，加强农业微生物科技创新和产业发展对保障国家食物安全意义重大。

3.2 加强农业微生物产业发展，为促进农业绿色发展提供有力支撑

经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development， OECD）将绿色理念视为促进可持续发展的催化剂，将绿色发展视为实现可持续发展的方法论。当前，我国农业发展面临资源约束和生态环境保护双重压力，农药、化肥及抗生素的滥用，不仅造成生物多样性锐减、生态系统失衡等严峻问题，也对我国农产品消费者身体健康带来损害。2000 年以来，我国农业温室气体生产排放量增加了16%，农田年均氮肥施用量达到了305 kg·hm-2，是全球平均水平的4 倍以上[18]，对实现“碳达峰”“碳中和”目标造成阻碍。合成生物技术在高光效固碳、固氮节肥增效、生物抗逆节水、生物质资源化等方面显示巨大应用潜力，可减少98%用水量、91%土地需求、84%温室气体排放和节约65%能源[19]，这对实现农业绿色发展作用巨大。

3.3 加强农业微生物前沿技术创新应用，夯实农业强国根基

农业强国是在农业现代化的持续推进中发展而成的，其作为一种社会形态和产业形式，是现代农业成功的标志。得益于改革开放，中国已成为世界第二大经济体，2022 年人均国民生产总值接近高收入国家水平，农业现代化各项指标取得可喜成就。然而，随着经济发展带来的增长性需求、工业化城镇化持续推进、由农产品生产者转换为消费者带来的转变性需求以及国际环境复杂多变，中国由农业大国向农业强国转型任务艰巨[20]。依照发达国家和地区的经验，大都是基于农业科技革命和农业生产方式的创新改进，全方位推进农业现代化发展，形成了全球不同类型的农业强国，科技成为实现农业现代化发展的根本出路。2000—2020 年，中国农业科技进步贡献率从35%快速上升至超过60%的水平，但低于发达国家和地区80%的平均水平[21]，农业科技创新与应用滞后成为我国现代农业发展的瓶颈。加强农业微生物前沿技术创新应用对促进循环农业、生态农业、细胞农业和工厂农业等农业新业态和新动能发展，实现农业高质量发展，夯实农业强国根基，将发挥重大作用。

4 我国农业微生物产业发展中存在的主要问题

4.1 农业微生物资源挖掘利用能力较弱

全球微生物多样性高达1 万亿种，我国作为生物多样性较丰富的国家之一，农业微生物资源专业菌种库可公开获取库藏资源总量不足[2]。由于地理环境复杂，系统梳理和资源挖掘不够，尤其是生态环境脆弱区及自然极端环境地域，丰富的微生物遗传资源还没有挖掘利用。盐碱地、深海区、核爆区等极端环境区域的微生物和难培养微生物的基因资源挖掘还相当欠缺。我国微生物资源自主挖掘研发能力还比较弱，目前我国健康产业对核心菌株的利用方面，国家批准的婴幼儿食品菌株主要从国外进口，一定程度上还存在重挖掘、轻保护的现象。

4.2 农业微生物关键核心技术研发力量不足

我国农业微生物产业发展还处于起步阶段，尚未建立完整的农业微生物学科体系，缺乏专业人才队伍，战略性支撑人才和领军人才严重短缺。从技术链支撑农业微生物全产业链建设来看，农业微生物制造技术的结构性差异比较大，产业链高端技术创新能力不强，诸如生物反应器和精密高端仪器等还一定程度上受制于国外。此外，农业微生物检测和诊断技术不够先进，高纯度试剂还比较短缺，一定程度上依赖进口。

4.3 农业微生物产业发展国际竞争力不强

目前，我国农业微生物产业普遍存在大而不强的情况，产业聚集效应不明显，缺乏具备国际竞争力的龙头企业。如我国肥效微生物企业产品同质化严重，2008年至2018年全国肥料登记数量超过10个的企业仅65家，80%以上企业10年肥料登记数量仅为1个，且领军企业数量少[22]。新型肥料行业被国外市场占据，如美国ECO-GREEN和英国翠苒等进口产品占据了国内高端水溶肥市场的主导地位[23]，我国生产的标志性薄膜控释肥几乎都由国外研发。健康产品市场亦被国外品牌占据，如生产益生菌膳食补充剂的全球十大品牌中无一中国品牌[24]。产业支持政策和保护制度还不够到位，具有高附加值的一些食用菌产业面临濒危，仅云南分布的野生食用菌就有1种濒危、16种易危，野生食用菌生存状况面临严重威胁[25]。

4.4 农业微生物安全防控体系建设不完善

我国农业微生物安全防控体系建设基础比较薄弱。农业微生物安全防控法律法规、生产技术规程、加工和贸易安全防控政策、专业防控队伍建设，及至微生物安全应急处置等方面，一体化安全管理体系尚未形成。作为生物防控重要保障的生物安全三级实验室，我国还不足100 家，美国则已超1 500家，P4实验室美国有15家，我国仅有2家，且地域分布不平衡、协同运行合力尚未形成。肥效微生物行业已建立近30 个微生物肥标准和技术规程等，但仍普遍存在产品质量偏低、肥效稳定性不一致等问题[26]。饲用微生物标准基本参照食品行业相关标准，标准品种少、更新速度无法匹配行业需求，标准体系建设滞后。

5 我国农业微生物产业发展建议

5.1 加快推进农业微生物种质资源库建设

加强顶层设计，整合目前小而分散的农业微生物资源，加快推进国家级农业微生物种质资源库建设。加强农业微生物种质资源的收集、保存，建立农业微生物国家标准，构建布局合理、分类清晰的种质资源收集保护体系。强化种质资源评价与鉴定，突出种质资源的基础性定位，开展重要农业微生物资源的遗传分析和功能解析，建立功能基因与活性产物高通量筛选、精准化鉴定、系统性评价和高水平表达技术平台，提升库藏菌种资源的收集整合与深度利用水平。

5.2 强化农业微生物关键核心技术突破

利用多学科交叉和国际化协作的大科学计划组织模式，强化“产学研用”深度融合，充分发挥科研院所、高校在产业上游的技术研发优势，激活企业在产业下游的产品研发与推广优势，占领世界农业微生物产业发展技术创新高地，推动农业微生物关键技术实现新突破。在农业微生物资源挖掘、生产技术、加工技术、检测技术等方面建立一体化创新机制。重点解析农业微生物种质资源形成与演化规律、农业微生物与环境互作机理、农业微生物代谢合成与网络调控机制等科学问题，突破农业微生物资源高效筛选与精准鉴定技术、农业微生物系统理性设计与定向合成技术、农业微生物细胞工厂创制与智造工艺等重大关键技术。

5.3 优化农业微生物产业发展与结构布局

依托现有基地、园区打造具有引领性的国家级农业微生物产业发展集群。政策扶持具有创新性和引领型的农业微生物企业，培育出具有自主知识产权和市场竞争力的菌种与关键酶，创新出多功能和差异性的微生物新产品、新业态，培育具有国际竞争力的农业微生物产业龙头企业，引领国内农业微生物产业的发展[27]。加快推进农业微生物产业生产要素的优化配置，大力挖掘特色功能微生物种质资源，优化微生物产业发展结构，推动农业微生物制造业、健康业、新型发酵业、环保业进入产业链的价值高端，占领更大的国际市场份额。

5.4 加强农业微生物安全保护与监测体系建设

建立农业微生物资源保护中长期规划，强化农业微生物一般性和特殊性安全管理规范，发展农业微生物循环经济与生态经济，实现菌种信息标准化、菌种流通安全化、菌种保护制度化[28]。加强农业微生物科学布局观测试验站及监测点，稳定数据监测队伍和经费支持，发展科学监测数据获取和分析手段方法[29]。加强农业微生物长期数据库建设，推动农业微生物功能监测数据的标准化，提高农业微生物安全防控水平，增加更多的检测手段为开展长期监控打好基础。

6 结语

相较于动植物产业，农业微生物产业发展交叉性很强、产业覆盖面很广。本文从农业微生物资源挖掘、关键技术突破、产业国际竞争力和安全防控等视角概括了国际上农业微生物产业发展的基本态势，从种植业、养殖业和食用菌3 个层面分析了我国农业微生物产业发展的基本情况，阐释了当前推动我国农业微生物产业发展的重要性和现实意义，立足我国农业微生物产业发展的问题和瓶颈，从政策层面提出了加快建设国家农业微生物库建设、突破农业微生物产业发展关键技术、提升国际市场占有率和竞争力、抓好微生物防控建设等对策建议。我国农业微生物产业发展潜力巨大，随着我国农业微生物生产体系、加工体系、贸易体系、政策支持体系和安全防控体系建设的不断推进，我国农业微生物国际市场的占有份额会不断提高，国际市场竞争力也会不断增强，这对新发展阶段下，弥补农业农村发展短板，构建农业农村新发展格局起到重要的产业支撑作用。