工程化微生物如何帮助养活全球作物
化肥对全球粮食供应至关重要，但生产化肥能耗高、碳排放大。一些公司寄希望于用微生物来解决这个问题。
越来越多的研究表明，在作物根系周围的土壤中接种有益微生物，可以为植物提供生长所需的关键氮素。这有助于减少化肥用量——化肥生产目前约占全球温室气体排放的2%。同时也能降低农民的种植成本，这是一大利好，尤其是近期伊朗战争导致能源和化肥价格飙升。
人类使用粪肥等生物肥料已有数千年历史，企业也长期致力于开发微生物肥料，其中一些借助了基因工程技术。但难点在于：要让工程化微生物既能稳定地为作物供氮，又能自身良好繁殖，并非易事。
一家名为 Switch Bioworks 的初创公司另辟蹊径，让微生物先定殖、形成健康群落，再切换到产氮模式。该公司创始人兼 CEO Tim Schnabel 表示："我们必须重新发明化肥。"
空气中近80%是氮气，但植物无法直接利用这些"免费"的氮，因为氮气很难与其他元素发生反应。植物依赖的是"固定氮"，即已被转化为氨等更活泼化合物的氮。在自然界中，微生物可以完成这种固氮作用。某些植物（如豆科植物）甚至与固氮菌形成共生关系，将它们安顿在根部的根瘤中。合成化肥本质上就是通过 哈伯-博施工艺实现的工业化固氮——利用天然气生产氨，再施用到田间。
生物肥料的目标是用能帮助植物固氮的微生物，部分替代合成化肥。但微生物肥料企业面临的难题之一是：微生物合成并释放氨的过程能耗极高。把能量都投入到固氮上，会抑制它们自身的生长。
Schnabel 解释道，根系周围的定殖需要达到一定水平。给整株植物都施用微生物既昂贵又难以操作，只能让少量的微生物自行繁殖扩增来建立种群。
Switch Bioworks 把赌注押在了"基因开关"上。基因开关是一段或多段控制基因开关的 DNA。在这里，它的作用是激活相关基因，促使细胞产生并释放氨气。公司正在尝试多种触发微生物发生这一转变的方案，其中最成熟的是让微生物响应土壤中的氮含量：一旦氮含量降到某个阈值，它们就开始产氨。
突破研究所食品与农业项目主任 Dan Blaustein-Rejto 表示："微生物固氮本身的生物学代价非常高。"他说，固氮需要消耗大量能量，而且如果微生物真的固了氮，它们更愿意留给自己，用来合成蛋白质、维持生存。加入基因开关可以帮助微生物更好地生长繁殖，然后再去为作物施肥。
Schnabel 表示，Switch 目前正在美国六个州进行产品试验，但距离商业化产品问世还有两到三年时间。公司最初聚焦于玉米——这是美国种植面积最大的作物，2026 年种植面积超过 9000 万英亩。
Schnabel 说："田间的实际效果如何，现在还言之过早。"公司计划在 10 月底或 11 月初收获这些玉米，但截至 8 月，部分使用了 Switch 微生物的玉米植株看起来明显比未处理的更健康。他表示，未来推向市场的产品仍在持续研发中。
Switch 的产品有望大幅改善农业的污染问题。Blaustein-Rejto 说："这些公司和产品有很大潜力帮助农民减少排放，对于一个难以脱碳的行业来说，这可能是一个非常重要的解决方案。"
Blaustein-Rejto 表示，虽然实验室结果令人鼓舞，但田间试验是验证产品的关键一步："这是产品上市并向农户做出有力承诺之前的最后环节之一。" 他补充说，独立试验同样重要，因为公司公布的数据与独立研究人员的发现之间往往存在很大差距。
Pivot Bio 是另一家致力于将微生物推向田间应用的公司。自 2011 年成立以来，其产品已覆盖数百万英亩的作物。目前公司提供多种产品：有的在播种时施用，有的则在种子到达农场之前就完成包衣处理。最近，公司还将业务从玉米拓展到了棉花、小麦以及高粱、大麦等小粒谷物的微生物肥料。
Pivot 最初面临的挑战是让微生物无论是否感知到土壤中的氮都能固定氮元素。公司首席技术官 Travis Frey 表示，如今公司的研究方向是如何让菌群在不同环境下都更加健壮、更具适应力。
"从农业经济角度看，种植户目前正承受着双重打击，"他说道。肥料成本不断攀升，而玉米等大宗农产品的价格却在下跌。Frey 认为，这对 Pivot 及整个行业而言是一个重大机遇："未来十年将是农场生物制品走向主流的阶段。"
北卡罗来纳州立大学作物与土壤科学系教授 John Havlin 表示，肥料和种子是许多种植户最大的两项成本支出，因此减少对合成肥料的依赖对农业将大有助益。
Havlin 说道："我对这些产品的未来充满期待，它们终将在减少氮肥施用量方面发挥作用。"
不过，微生物能够替代的肥料用量存在上限。Switch 公司的模型分析表明，这一比例上限大约为 50%，而其首款产品预计只能替代约 25% 的合成肥料。Pivot 则表示，其产品目前可替代约四分之一的肥料用量。
这意味着合成肥料在很长一段时间内仍将继续使用。"在可预见的未来，没有一个清晰且可行的方案能够完全取代它，"Blaustein-Rejto 说道。"因此，其他能够减少排放以及减少农场各类氮污染的方法仍然至关重要。"