土壤是一个复杂有活性的生态系统。而土壤微生物组是土壤中所有微生物及其栖息环境的总称。土壤蕴含极为丰富的微生物多样性, 它们在物质分解、元素生物地球化学循环、植物生产力和生物健康中扮演着关键角色。土壤微生物组研究的核心内容是特定土壤中微生物群落的协同演化规律及其环境功能。土壤微生物组的功能与人类生产生活中的基本需求(如粮食生产、环境保护和医药卫生等)密切相关。

土壤微生物健康领域,主要聚焦于两个方面-检测与治理,多种技术被运用到土壤健康微生物这个领域中。目前,国际领先的土壤微生物检测技术包括微生物组测序、微生物地图、人工智能等技术。微生物组测序与微生物地图能够帮助理解土壤微生物的生物地理分布格局、形成机制与群落构建规则, 有助于预测在全球变化背景下土壤微生物组的功能演变及其对陆地生态系统的调控影响；人工智能、大数据平台能够帮助我们检测、监控、管理土壤中微生物组的动态变化过程,以便采取后续治理措施。此外,微生物制剂、碳捕获等土壤健康治理措施,也被逐渐运用到这个领域中来。例如用生物农药代替化学农药,大大减少了化学农药残留对土壤生态结构的危害。种衣剂创造出抗逆性强的作物,更好地抵御干旱和疾病,减少后期化肥农药的使用,提高农作物产量的同时也降低了农耕活动对土壤的危害。

中国在土壤健康治理领域起步较晚,目前落后于发达国家的治理水平。但是过去30年间,中国在土壤治理和修复上取得了重大的成绩。中国有不同的作物系统和不同的生态区,有一个非常复杂的农业生态系统,可以为全球很多国家提供好的措施。希望未来能够加强与中国科研单位、政府以及企业的合作,来促进全球土壤污染治理,实现粮食安全,减缓气候变化。

土壤微生物为何重要？

土壤中的微生物种类较多,有细菌、真菌、放线菌、藻类和原生动物等,它们对土壤的形成发育、物质循环和肥力演变等均有重大影响。正是有了土壤微生物的默默耕耘,大地才会有春华秋实的生生不息。那么这些极不起眼又极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结构。土壤并不是单纯的土壤颗粒和化肥的简单结合,作为土壤的活跃组成部分, 土壤微生物在自己的生活过程中,通过代谢活动的氧气和二氧化碳的交换,以及分泌的有机酸等有助于土壤粒子形成大的团粒结构,最终形成真正意义上的土壤。土壤微生物的区系组成、生物量及其生命活动对土壤的形成和发育有密切关系。

其次,土壤微生物最显著的成效就是分解有机质, 比如作物的残根败叶和施入土壤中的有机肥料等,只有经过土壤微生物的作用,才能腐烂分解,释放出营养元素,供作物利用,并形成腐殖质,改善土壤的结构和耕性。

然后,土壤微生物还可以分解矿物质,土壤微生物的代谢产物能促进土壤中难溶性物质的溶解。例如磷细菌能分解出磷矿石中的磷,钾细菌能分解出钾矿石中的钾,以利作物吸收利用,提高土壤肥力。另外,尿素的分解利用也离不开土壤微生物。这些土壤微生物就好比土壤中的肥料加工厂,将土壤中的矿质肥料加工成作物可以吸收利用的形态。

另外,土壤微生物还有固氮作用,氮气占空气组成的4/5,但植物不能直接利用,某些微生物可借助其固氮作用将空气中的氮气转化为植物能够利用的固定态氮化物,有了这样的土壤微生物,就相当于土壤有了自己的氮肥生产车间了。

在植物根系周围生活的土壤微生物还可以调节植物生长,植物共生的微生物如根瘤菌、菌根和真菌等能为植物直接提供氮素、磷素和其他矿质元素的营养以及有机酸、氨基酸、维生素、生长素等各种有机营养,促进植物的生长。土壤微生物与植物根部营养有密切关系。所以,微生物是极为有用的,它们在土壤的形成,自然界中的物质转化,以及对动植物的生长都有着巨大的作用。

土壤健康防治领域产业链

六大技术解决土壤问题

■   微生物组测序技术

将微生物组测序技术放在第一位,是因为测量了解土壤中微生物组成分是土壤健康治理的基础,我们可以通过土壤微生物组了解土壤与作物环境之间的关系,选择相应适合的农作物,后续更科学精准的选择修复技术、制剂。

Biomcare提供土壤微生物分析服务,检测土壤中的微生物以及这些微生物的功能。进行统计分析以检测微生物组与特定土壤指标(例如作物产量或作物疾病)之间的关联。土壤中不利的微生物组成会影响植物的氮、磷和其他养分的供应,改变养分的利用率和植物的生长。

在美国,Indigo Ag是一家微生物技术初创公司,致力于为玉米、小麦、大豆和棉花等农作物生产种衣。目前该公司正在推进对40000种微生物组的测序。这家初创公司的目标是通过在农作物中添加微生物来改造种子的基因结构,从而创造出更有弹性的作物,更好地抵御干旱和疾病。

■   土壤微生物基因组数据收集-微生物地图

土壤蕴含极为丰富的微生物多样性, 它们在物质分解、元素生物地球化学循环、植物生产力和生物健康中扮演着关键角色。理解土壤微生物的生物地理分布格局、形成机制与群落构建规则, 有助于预测在全球变化背景下土壤微生物组的功能演变及其对陆地生态系统的调控影响。自21世纪以来, 土壤微生物生物地理学在各种大型国际微生物计划的推动下逐步形成了分子生物学技术耦合大数据分析的模式, 实现了多种尺度上的关联研究。

Pattern Ag成立于 2018 年,不久就开始建立土壤微生物数据库。随着工作的进展,Pattern Ag收集了样本并开始对土壤进行DNA测试。如今,Pattern Ag收集并分析了中西部各地的土壤样本,不断增加其庞大数据库的深度。该公司计划扩大这项工作的范围,包括对全球各地土壤样本的分析,其长期愿景是建立第一个全球土壤微生物组地图。Pattern Ag数据库的规模至关重要,因为它开启了农业领域新的计算解决方案。农业土壤中数据库使我们能够比以前更准确地预测农艺结果,为我们的客户释放预测农业的力量。

■   人工智能的使用

来自墨西哥的Solena是一家帮助农民提高农业产量的土壤微生物创业公司。像少数其他创业公司一样,它正在利用人工智能的力量在土壤上建立数据仓库。该公司专有的人工智能驱动的Prometheus平台是世界上最广泛的土壤微观数据仓库,可以将诊断数据转化为见解和定制的微生物接种剂建议。

Trace Genomics利用机器学习为农户提供土壤分析服务,主要投资者Illumina帮助其开发了一个基于机器学习的系统,能够让客户对土壤优劣有清楚认识,重点关注农作物缺陷预防以及作物产量提升。

用户在向Trace Genomics提交土壤样本后,会收到关于土壤成分的深度分析。该服务以产品包形式供用户挑选,包括以细菌及真菌为重点的病原体筛选,以及复合微生物评估和土壤DNA分析。

■   微生物制剂

化学农药使用对土壤的污染是土壤质量恶化的重要因素。农药进入土壤后会发生物理、化学和生化等各种反应。进入土壤的农药被粘土矿物或有机质吸附,其中有机质吸附的农药约占土壤总吸附量的70%～90%,导致土壤酸化、有机质含量下降。

Aphea.Bio提供生物杀虫剂和生物除草剂领域的研究和开发。该公司的目标是使用天然微生物开发可持续的生物农药和生物刺激剂,以提高作物产量并改善对真菌病害的保护,为农民提供使用化学杀虫剂的替代方案。

纳米封装技术是NanoScoping的独家优势,该技术可实现两个主要效果：首先,纳米封装技术可提高产品粘附扩散效应,提高产品在植物表面的附着性和覆盖性；其次,该技术具备的乳化效应可提高植物油稳定性,防止有效成分分离或沉淀。

Nano Agro系列包括3种产品：Nano Agro Neeml(杀虫剂)、Nano Agro Crop(杀菌剂)和 Nano Agro Total(杀菌剂和杀虫剂)。由于该类系列产品是由天然化合物制成,因此具备生物可降解性和生物兼容性,并适用于多种作物,如玉米、草莓、西红柿和莴苣。目前已在大学和研究机构的试验证实了产品有效性。

■   精准农业

另一个不断增长的领域,精准农业,也被用来帮助保持健康的土壤。遥感、GPS 和数据分析可以帮助农民优化投入、减少浪费并最大限度地减少对环境的影响。精准农业可以有针对性地施用化肥、农药和灌溉,从而改善土壤健康和资源效率。

总部位于以色列的Agmatix能够在生长季节周期进行精确输入,并在整个生长季节添加额外的数据,如土壤、水和叶片分析,以适应作物营养计划。其平台通过将真实世界的农艺数据整合到一个平台中,并允许农业专业人员在正确的时间访问正确的信息,从而改善了土壤健康方面的决策。

■   碳捕获

土壤是重要的碳库。土壤中温室气体的释放,特别是通过农业活动的释放,对全球大气CO₂收支带来影响。使碳在土壤中长期储存(碳捕获)的措施是缓解气候变化的关键

Carbo Culture成立于芬兰,总部位于旧金山。自2018年以来,Carbo Culture已经筹集了 55 万欧元的资金。该公司认为,通过将生物质废物转化为生物炭来修复土壤,可以实现有效的碳封存。

Loam Bio成立于 2019 年,由澳大利亚和北美的一群科学家、农民和企业家成立,主要解决两个问题：空气中二氧化碳过多和土壤中碳过少。这家初创公司正在开发一种技术,可以让农作物接种共生微生物。这些微生物不仅可以提高寄主植物的肥力和抗病能力,还可以帮助植物根部周围的土壤更有效地储存碳,从而为未来的种植提供更好的土壤质量。

代表企业商业化案例分析

海外企业案例(部分)

■   Loam Bio

融资：最近筹集了 7500 万美元

成立时间：2019 年

创始人：弗兰克.奥利、盖伊.哈德森、盖伊.韦伯、米克.韦滕豪尔、甘特.诺克

国家:澳大利亚

融资额：1.19 亿美元

投资者：Lower carbon Capital、Wollemi Capital

◎澳大利亚初创公司Loam Bio正在向种植者提供一种种子接种物,支持在种植系统中建立稳定的土壤碳。

◎目标：Loam的技术帮助植物从大气中吸收二氧化碳,并将其转化为最稳定的土壤碳,将世界上的农田变成巨大的碳汇。

◎技术：被壤土微生物真菌覆盖的种子增加了土壤结构中的碳含量。当种子发芽时,微生物通过微团聚体将植物吸收的大气碳结合在一起土壤。换句话说,真菌将二氧化碳转化为更稳定的碳,可以长期储存在地下。它目前提供给 2000 年的农民澳大利亚,计划在不久的将来走向国际。

◎商业化进展：今年早些时候,Loam Bio在B轮融资中筹集了 7500 万美元,并计划使用这笔资金来扩大碳储存种子包衣的可用性。

■   Biome Makers

成立时间：2015 年

创始人：Alberto Acedo、Adrián Ferrero  

国家/地区：美国

融资额：2290 万美元

投资方：欧盟委员会(grant)、Pymwymic

◎Biome Makers是一家总部位于加利福尼亚州的农业技术公司,分析土壤生物学和微生物学,研究土壤微生物群的组成和行为,旨在开发适应不同作物和地区特定需求的新一代益生菌。

◎目标：Biome Makers的使命是增强农民的能力,恢复全球土壤健康。

◎核心技术：通过整合先进的基因组学、微生物网络科学和机器学习,Biome Maker BeCrop技术能够分析整个土壤微生物组,并提供关于微生物特定功能的宝贵见解。这使得农民、作物顾问、农业投入制造商和零售商能够针对50个国家的数百种作物做出数据驱动的决策。

◎商业化进展：Biome Makers是 2023 年农业技术突破奖的获奖者。他们最近还宣布与西班牙生物技术公司Kimitec 合作--这两家公司计划使用Biome Maker的专有BeCrop 技术和Kimitec的人工智能平台来分析土壤微生物群,将定制的、可持续的生物技术解决方案推向市场。

国内企业案例(部分)

■   北京耕天下生物科技有限公司

成立时间：2019 年

国家/地区：中国

◎耕天下在黑龙江寒地、青藏高原、海南岛等不同物候带的土壤中筛选出了 300 多株原位藻种,其中有三分之一是新物种发现,并且针对不同作物的根系微生物组及土壤特性建立了具有差异化的技术模型,为每一种土壤提供可持续的解决方案。

◎商业模式：通过产品和技术服务置换碳权。以30万亩水稻为例,耕天下的技术服务可以减排 6~8 万吨CO₂当量,种植户的经济效益如下：水稻增产 5~15%,增产收益60~180 元/亩；减施氮肥10~30%,降低综合用肥成本10~30元/亩,亩收益80~200元。

◎目标客户：目前公司已经锁定东三省7000万亩水稻面积中的 1000 万亩,覆盖黑龙江东部、吉林、辽宁盘锦等水稻主产区,另有意向签约客户 500-1000 万亩,共占东三省水稻总面积的 20%以上,旨在提前锁定优质碳汇资产,为水稻种植户服务。

■   上海绿乐生物科技有限公司

成立时间：2019 年

国家/地区：中国

◎一家从事耕地土壤修复及新型肥料研发生产的高科技企业

◎产品管线：一种是作物营养产品,例如大量元素和中微量元素水溶肥,能够为农作物补充氮磷钾等多种营养元素；另一种是土壤修复产品,例如生物有机肥、微生物菌剂、土壤修复菌剂、重金属钝化剂等。从营养供给到土壤修复,绿乐为作物种植提供一体化的技术解决方案。

◎与上海交大农业与生物技术学院的周培教授建立了战略合作关系,开发出一款针对土壤次生盐渍化的土壤修复产品,并于 2018 年在农业部率先登记,成为全国第一个针对土壤次生盐渍化的土壤修复菌剂产品。

■   先正达集团---″厚圃土壤健康+″项目

成立时间：2000 年

国家/地区：总部位于瑞士,目前为中国化工集团所有

◎″厚圃土壤健康+″项目针对不同土壤问题特性,通过集成产品组合及配套可持续耕作模式,形成综合解决方案。

◎实现从物理、化学、生物三个维度改良土壤。例如基于植物生理学、分子生物学技术手段,开发应用调控土壤根系微生态环境的生物刺激素″优翠露″和高浓度微生物菌剂″维格施″。

◎实现农业-环境双赢：不仅有助于作物生长、抗逆,也能够直接和间接调控土壤,提高土壤微生物活性,促进土壤与作物根系间良性互作。

◎建构标准化适用不同场景的应用型土壤健康评价指标。评价指标体系通过与以南土所为代表的权威学术机构不断研讨得出结论。

土壤生物技术领域的机遇

■   生物投入对土壤健康非常有益。然而,普纳生物公司的佛朗哥.马丁内斯.李维斯指出：″为了抓住这个机会,我们需要更好地了解土壤微生物群和生物输入,以确保我们在全球日益复杂的天气模式中的表现。″

■   在改善土壤健康方面,生物技术创新可以减少化肥和杀虫剂的使用。植物基因测序、微生物组和植物疾病的发展意味着病虫害的解决方案可以更有针对性,对环境的危害更小。减少杀虫剂的使用可以改善土壤、空气和水的质量。

■   土壤健康生物技术是一种开发高产、耐胁迫作物品种的有效方法,这些作物品种经过特别挑选,具有抗逆能力,或经过基因改造而具有抗逆能力。这提高了作物产量,有助于在一个土壤环境不断改变的世界里种植更多的粮食。

■   既能提高土壤碳储量又能提高作物产量的解决方案,如壤土生物公司的解决方案,解决了两个问题。微生物组测序方面的创新也是如此,这些创新利用收集的数据开发相关产品,例如Ag Biome特制的杀菌剂。

土壤生物技术领域的潜在风险

当转基因作物或微生物占据主导地位时,土壤中的生物多样性就会减少。″土壤健康″的弗朗西斯.博萨告诉我们,″多样性的减少会对土壤微生物产生负面影响,并破坏生态系统的功能。″生物技术也可能导致抗除草剂和杀虫剂作物的发展。

■   基因污染：将转基因生物释放到环境中会导致非转基因作物和野生植物种群的基因污染。弗朗西斯说,这可能对土壤健康和生态系统动态产生不可预测的后果。

■   破坏养分循环：生物技术可以改变作物的遗传特性,包括它们吸收和利用养分的能力。这可能会破坏土壤中的自然养分循环过程,潜在地导致失衡和养分缺乏。

■   效率和培训：普纳生物公司的佛朗哥.马丁内斯.李维斯告诉我们,″新的替代品需要与化学品的性能相当,以增加采用率″。这也带来了培训方面的挑战,因为农民需要了解如何应用所有这些新技术。

■   可扩展性的问题仍然存在：据Business Insider报道,一些科学家对种子包衣的商业化程度存有疑虑。

■   监管：许多化学品正在被禁止或计划停止使用(例如在欧洲),虽然这可能对土壤健康产生积极影响,但公司和监管机构都需要适应,以便能够更快地将生物和更安全的替代品推向市场。

总  结

土壤是农业基础,并且几乎是所有粮食作物赖以生长的介质。据估计,95%的粮食由土壤直接或间接生产。健康土壤生产出健康农作物,这些农作物再滋养人类和动物。而土壤微生物组是土壤正常机能运行的基本保证。土壤微生物健康成为全球范围内的热点话题,土壤微生物健康防治领域正在不断涌现新的技术,比如微生物组测序、全球微生物地图、碳捕获、人工智能、精准农业、生物农药等技术均被成功应用于土壤微生物健康领域。自21世纪以来, 土壤微生物生物地理学在各种大型国际微生物计划的推动下逐步形成了分子生物学技术耦合大数据分析的模式, 实现了多种尺度上的关联研究。一些初创企业正在开发改善土壤管理和保护的技术解决方案。微生物制剂、碳封存等土壤修复技术可减少农业的足迹并恢复退化的土壤。人工智能等土壤监测解决方案使农民能够跟踪土壤质量的变化。此外,杂草管理可以减少杂草的生长和对养分的竞争,同时避免破坏土壤健康的物种。最后,分析解决方案提供有关土壤质量的信息,为施肥、作物选择和修复工作等管理决策提供信息,实现精准农业。

较发达国家,中国土壤健康防治行业发展的比较晚,但是发展迅速。目前国内土壤修复行业还在刚刚起步,需要从环境调查、风险评估、风险管控、治理与修复,还有修复效果的评估等环节,构建和完善整个产业链条,此外,中国目前的土壤污染修复资金主要来源于政府财政性投资,融资渠道较为单一。《土壤污染防治行动计划》实施后,如何满足实现土壤污染修复与治理目标的投资需求是一个迫切需要解决的问题,充分创新发挥市场力量,建立长效的融资政策机制是核心内容。随着人工智能、地理空间测绘、生物技术、基因工程、材料科学、纳米材料等前沿技术的涌入,也给中国该领域的玩家带来不少机遇。据预测,到 2035 年,国内土壤环保产业年产值将会达到 5000 亿人民币。此外,中国有丰富的作物与土壤资源,是一个丰富复杂的生态系统整体,中国在土壤健康微生物领域取得的成果可以为全球范围内的土壤治理工作提供一些可参考的依据措施。