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视点|农业新使命:树立“三物”思维,重视微生物开发
作者:   来源:中国智库   发布者:左丽媛   日期:2017-05-09   今日/总浏览:3/2197

农业的本质是开发利用生物资源,传统农业是利用植物、动物资源的“二物”农业。有史以来,人类的农业活动主要集中在植物和动物,虽然对微生物也有所利用,如食用菌的采集、制酒酿醋等,但多处于自然状态。随着高科技的深入发展,近百年来,人类的农业活动逐渐从中观世界分别向着宏观世界和微观世界两端延伸。在宏观世界里,如太空种子、太空种植、火星地球化的探索。在微观世界里,微生物的开发利用已经形成微生物肥料、微生物饲料、微生物能源燃料、微生物食品、微生物药品和微生物清洁剂六大领域。虽然技术上已不成问题,但社会的认知度却远远不够。因此,变植物、动物的“二物思维”为植物、动物、微生物的“三物思维”是农业发展的新理念、新使命、新领域。利用微生物技术开发农作物秸秆等废弃物是“点草成金”,开发禽畜粪便是“点粪成金”,而这项技术本身则是“点废成金”。且它具有“六不争”的特点:即不与人争粮,不与粮争地,不与地争肥,不与农争时,不与农产品争市场,不与其他争资源。


陷入困境的二物思维

传统农业生产对自然资源的掠夺式开发使农业生产所依赖的自然环境日趋恶化,从根本上制约了农业生产的可持续发展。我国要实现农业可持续发展的战略目标,就要向地球生物圈学习——植物生产、动物消费、微生物分解还原,形成循环往复、生生不息的农业循环系统。将传统农业调整为植物、动物和微生物资源组成的“三物”农业,是实现农业可持续发展的战略性调整之一。微生物农业是遵循生态学原理,利用微生物——分解者的作用,开发农业生物的潜在生态位,充分地利用农业生物量资源,尤其是残渣废料的利用,有利于能量的转化和物质的循环利用。同时,发展微生物农业有利于实现农产品工厂化生产,有利于改善农业生态环境,可将微生物在农业生态系统中的被动作用主动化、隐性作用显性化,从而形成地球生物圈的良性循环,有利于资源的永续利用,实现农业的可持续发展。这也是中央关于“绿色化”发展理念在农业领域的具体体现。

微生物在地球上无处不在,在80多千米的高空,在11千米的海底,在2000米的地下,都可以找到微生物的踪迹。微生物物种丰富,未知者甚众。有人估计他们的种类可达1万亿种,但我们却知之甚少,各国的学者已经用分子生物学手段确切证明,迄今为止仍然有90%-99%的微生物未被认识。

动物、植物和微生物是生物资源的三个支柱。但是,长期以来由于受科学技术能力的局限,我们只在植物和动物二物思维二等中观世界里打转转,在微生物上考虑的不多,尽管人类对微生物的利用已经有很长一段时间。二物思维已经使农业陷入困境。

一是资源承载力已经超限。农业有三大系统,分别是耕地农业、草地农业和捕捞农业。种植业现在最大的问题就是土地,土地资源已经非常紧缺。我国人均土地占有只是美国的十三分之一,加拿大的十八分之一。连比我们穷的印度,土地占有都比我们多,是我们的1.2倍。改革开放以来,有3亿多亩耕地被城市与工业占了;草地系统超载过牧。草原退化越来越严重,由于气候干燥,放牧过度,易造成牧草生长不良,覆盖率降低,甚至引起沙化。草场退化可使载畜量降低,影响和限制畜牧业的发展,大到影响到整个地区的生态环境。“三江源”地区已经出现草场退化,鼠害猖獗,气候变暖使蒸发量持续增高,水源涵养功能持续下降的现象。第三个系统是捕捞系统。中国是世界上惟一一个海洋养殖大于海洋捕捞的国家。主要靠养殖来解决水产品的问题。中国水产品的消费能力比其他国家大得多。我们现在是每年人均37公斤,消费量惊人。发达国家平均26公斤,发展中国家平均18公斤。

二是生态环境恶化。为了高产高效,过量使用农药化肥、除草剂以及动物使用的抗生素。现在面临的污染越来越严重。特别是江河湖海等富营养化等问题。太湖的蓝藻、安徽巢湖的蓝藻等事件给当地的经济与生态带来了巨大的破坏。地表水的污染也到了十分严重的地步。据有关方面调查,我们现在地表水可以测出68种抗生素,还有90多种非抗生素类的药。现在是无河不污。中国每年生产的抗生素是21万吨,人均消费138克。美国是13克,我们是人家的10倍还多。在这种生态环境中从事农业生产,产品质量必然大受影响。

三是动植物之间的生态循环链条中断。传统农业遵循的基本规律是一个封闭的内循环。农作物种出来,种子给人吃了,根茎叶喂牲畜,人畜粪便又回到田里作为农作物的肥料。我们的农业生产就是在这样的一个循环体系中缓慢向前发展。现代农业打破了这样一个封闭的内循环,注入了两个外力;一个是从石油中提炼的农药化肥,第二个外力是机械代替了人力畜力。现代农业注入这两个外力之后整个内循环链条被打破,生态循环链条中断,农业就出现了许许多多的问题。如不光生态环境恶化,而且土地质量严重下降等。


点废成金的三物思维

高科技的介入使微生物的开发成为一个新兴的战略型产业,微观世界的开发现在已经使农业生物化进入了一个不可思议的地步。农业向未来进军,有这么一些基本特征。一是由平面向立体发展。美国、以色列、法国都在搞农业摩天大楼。一座30层的摩天大楼,可以种养100多种动植物。够5万人一年的消费。二是由自然化向设施化发展。2012年我国设施农业面积已占世界总面积的85%以上,其中95%以上是利用聚烯烃温室大棚膜覆盖。三是由化学化向生物化发展。现代农业向生物技术领域迈进。近年来,我国生物产业保持20%以上的增速,2014年生物产业产值达3.16万亿元,微生物的开发将是未来农业生物化的重中之重。四是由人控机械化向电脑自控化发展。物联网在农业中的运用使得种、管理、采摘、包装、储藏、运输等能够实现智能控制。五是由陆地化向海洋化发展。用海水浇灌的农作物科学家已经试验成功。未来的海洋文明不是以贸易为中心,而是以生产为中心,要在海洋建大农场。六是由地球化向太空化发展。已经有100多种农作物带上太空试种成功,未来我们将在太空上搞一些种植农场。借鉴太空站技术,农作物放在太空上种,用传输器采摘下来供人类食用。七是由生产化向移民化发展。美国的火星地球化的改造计划,试图在不远的将来,将人类移民至火星。

当今世界,人类有三大前沿科技,即生物技术、新能源技术和信息技术,其中微生物技术与人类的健康长寿关系最为密切,在这一领域的研究正突飞猛进地发展。一个健康人身上携带的微生物总重最多不会超过体重的3%,但如果论细胞数量,微生物是人体细胞的10倍。每个人携带的微生物种类都有着或多或少的差异,如指纹一样独一无二。微生物就是一切难以用肉眼看见的微小生物,包括细菌、真菌这些单细胞生物,也包括病毒、立克次体这些非细胞生物。至于微生物群组,就要从微生物独特的进化特点说起。多细胞生物的传宗接代周期少则以月计,多则以年计。而细菌这样的微生物在条件适宜的情况下,只需几十分钟就能产生新一代。这样高速的繁殖令它们有着远高于多细胞生物的进化速度,能不断修改自己的基因去适应环境。在微生物研究中,很难像研究大熊猫、白鳍豚一样去研究单一微生物物种,而是要研究聚集生活在一起的、所有具备不同基因的微生物。这些微生物组合在一起就被称为微生物群组。微生物对人类来说意义重大。例如,肠道中大概包括一千余种不同的微生物,而且种类组成还在不断变化。吃的食物不同,肠道中就会滋养出不同的微生物种类。近年的生物学研究发现,肠道微生物群组竟然还是人体免疫系统的一个组成部分,是抵御致病微生物的第一道屏障。不仅如此,某些肠道微生物的分泌物还会对我们的身体产生显著的调控作用,令我们罹患肥胖症、二型糖尿病或是直肠癌,甚至影响到神经系统,让我们更快乐或更忧郁。对微生物的进一步研究、利用能让我们生活得更健康。在食品工业中使用双歧杆菌等益生菌作为添加剂,可以减少肠道感染的几率。按照这个思路,今后或许可以通过在食物中添加特定的益生菌来治疗诸如糖尿病、癌症等疾病。这些传统上要靠药物解决的疾病,今后也许只需吃点微生物就可以搞定。2016年5月,美国总统奥巴马宣布启动“国家微生物群组推动计划”,将研究目标锁定整个生态环境中的微生物群组。随着该计划的启动,人类将积累更多这方面的知识,创造更有利于人类的微生物环境(叶盛《微生物造就不一样的你》)。

仅就发展微生物农业而言,一是利用微生物技术处理,“点草成金”,实现废弃物的无害化和再利用。当前,农业生产中产生的废弃物处理粗放、综合利用水平不高的问题日益突出。据估算,全国每年产生畜禽粪污38亿吨,综合利用率不到60%;每年生猪病死淘汰量约6000万头,集中的专业无害化处理比例不高;每年产生秸秆近9亿吨,未利用的约2亿吨;每年使用农膜200万吨,当季回收率不足2/3。这些未实现资源化利用无害化处理的农业废弃物,实际是放错了地方的资源。发展微生物农业,这些有机废弃物经微生物发酵就能转化为饲料、沼气、生物乙醇等,实现农业废弃物的无害化和再利用。

二是可以实现农产品的工厂化生产,缓解粮食紧缺的矛盾。微生物农业是具有高科技生物工程内涵的“发酵工程”和“酶工程”,可实现农产品的工厂化生产。我国农作物秸秆,通过微生物发酵工程变为饲料,可以获得相当于400亿千克的饲料粮,这相当于目前全国每年饲料用粮的1/2。一座占地不多年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂,相当于12公顷耕地生产的大豆蛋白或0.25亿公顷草地饲养的牛羊所生产的动物蛋白,数目十分可观。利用秸秆类的农业有机废弃物——稻草、稻谷壳、玉米芯、棉子屑、锯木屑、甘蔗渣和泥碳配制成食用菌的培养基,可获得饲料生产(底料作畜禽的优质饲料)和食用菌生产的双丰收。微生物饲料制剂包括单细胞蛋白饲料、菌体蛋白饲料、饲用酶制剂、真菌饲料添加剂、维生素类添加剂、抗生素类制剂、氨基酸类、活体微生物类、发酵饲料等。其混配在饲料中可起到帮助消化、促进生长以及提高畜禽自身免疫力,防病治病的作用。微生物饲料制剂由于可工厂化生产,效率高,且有利于环境保护而日益受到人们的重视。许多微生物除了可作饲料添加剂,还可用于发酵工程来生产大量饲料,实现人畜分粮,缓解粮食紧缺的矛盾。近年来,农业生产上利用残渣食物链进行食物生产也越来越多,尤以食用菌为纽带的生态模式效果明显。微生物菌体以其丰富的蛋白质、氨基酸及维生素含量列为重要营养食品,许多食用菌品种还以其突出的抗癌、降脂、增智及提高机体免疫力的功效而成为首屈一指的保健食品。国际食品界已将其列为21世纪的八大营养保健食品之一。据科学估计中国菌物种约有18万种左右,其中大型真菌约2.7万种。目前已发现并报道的食用菌有710多种,其中能进行人工栽培的约有50种,已经形成规模的商业栽培有15种左右。

三是可以改善农业生态环境,实现农业可持续发展。21世纪人类社会发展的首要问题是生态环境保护问题。农药、化肥的大量投入,给生态环境造成了严重的破坏,对大气、土壤和水体造成了不同程度的污染。为了促进我国农业的可持续发展,微生物在农业生产中必将扮演更为重要的角色。发展微生物农业,一方面减少农业废弃物污染,将有机废物变废为宝,有利于生态环境保护;另一方面,微生物农业中的生态环境保护剂,还可直接清除空气中的废气、污水和土壤中的有害化学物质,是国际上正在兴起的一项新产业。发展微生物农业不仅可以满足人们对食品数量增加、质量改善和食品安全的需求,而且可以有效地提高动、植物资源利用率,改善和保护生态环境。2013年,美国出版了《微生物养活世界》一书,强调通过调控土壤微生物区系能够增产20%,减少20%的化肥与农药,是未来环境友好、经济高效农业的新出路。

我国高度重视生物技术和产业的发展,出台了一系列战略规划,研发投入持续增加,取得了一批标志性科技成果,在世界上首次解析葡萄糖转运蛋白晶体结构,治疗T细胞淋巴瘤新药西达本胺上市,人工角膜“艾欣瞳”投产。微生物的开发产业前景也是十分广阔。以食药用菌为例,现在我们对于食用菌的消费非常有限。现在全国人均只有60克。营养专家说每人每天应该消费250克以上,那就是半斤多,如果按这个数量去计算,那么就需要1.2亿吨。现阶段中国每年的食药用菌产量3000多万吨,产值是2000多亿元,这也就意味着,整个产业的的产值规模,差不多在这个基础上要翻3倍以上,达到一个万亿级的产业。

高营养的价值使得微生物的开发成为时代的宠儿。中国共产党人已经向全世界承诺两个百年目标。第一个百年目标是全面建成小康社会。建成小康社会之后就是要建设健康中国,而健康的核心就是首先要把吃的东西解决好。微生物营养的丰富和转化,是未来人类营养链的重要一环。以食用菌为例,现代科学研究的最新成果表明,食用菌不仅具有很高的营养价值,而且有极好的药用效果。特别是食用菌中的真菌多糖、抗菌素、核酸、核苷酸、有机锗、有机硒等许多药用成分,对人体细胞的修复作用和在治疗肝炎、心血管性疾病、特殊疑难病症、抗衰老等方面已显示出极大的优越性,成为人类筛选新的抗癌药物、抗艾滋病药物、抗菌素药物的一条重要途径。

前景广阔的微生物开发

根据《中国微生物资源发展报告2016》分析结果,2001-2015年,中国在微生物资源领域取得巨大发展。中国微生物领域论文发文量位于世界第二,仅次于美国;中国微生物领域专利族数量世界第一,从全球排名来看,中国于2009年成为微生物领域公开专利数量最多的国家;据全球微生物保藏中心信息网(CCINFO)统计,中国菌种保藏中心共33个,可共享的保藏菌株182235种,保藏的菌株总量为世界第4位;世界各保藏中心共保有96907个用于专利程序的生物材料,中国的CGMCC保藏专利菌株为11977株,排在第2位。我国的微生物研发利用已步入快车道。

1.微生物肥料

土壤是作物赖以生长的基础。“镉大米”事件曾引发社会的广泛关注,为我们敲响了土壤污染的警钟。近期,环境保护部和国土资源部做了一个全国土壤污染状况的调查,调查发现全国土壤总超标率16.1%,土壤污染已经成为我国许多地方的“公害”。随着化肥的大量使用,化肥的利用率不断降低已是众所周知的事实,化肥污染也越来越被重视。数据显示,近年来我国化肥的使用量上涨了4.5倍,但我国粮食产量仅增长了82.8%,三大粮食作物氮肥、磷肥、钾肥的利用率仅为33%、24%和42%。我国农作物亩均化肥用量21.9公斤,远高于世界的平均水平(每亩8公斤),是美国的2.6倍,欧盟的2.5倍。中国的耕地肥力出现了明显下降,全国土壤有机质平均不到1%。但是目前在农作物用肥上,依然存在过度施肥和用肥单一、照“老经验”施肥的情况,不仅犯了经验主义的错误,还加剧了土壤内在结构的不平衡,仅靠增加施用化肥数量来提高作物产量是有限度的。

作物所需要的营养元素主要是依靠土壤中生活的微生物的作用。微生物肥料已经成为植物营养与肥料中的重要组成部分,在提高养分转化利用率、维护植物健康成长、增产提质和保障可持续生产能力等方面具有不可替代的作用。随着人民生活水平的不断提高,尤其是人们对生活质量提高的要求,市场对绿色无公害的食品需求不断提升。在生产绿色食品的过程中,要求不用或尽量少用或尽量限用化肥、农药等化学物质。中国三大灌区之一河套平原的农民企业家杨兆麟,流转了2万亩土地。只种植了6000亩小麦,其余种植大豆。种植的大豆在收获之后,大豆留下的根瘤菌就变成了来年小麦的天然生态肥料,既节约了生产成本,又提升了小麦的品质。2013年,他的小麦面粉通过了欧盟有机产品认证,同年中南海将它选为国宴用品。现在该品种面粉是30-260元一公斤,做成面条更贵,460元一市斤,并且还供不应求,提前3个月订货都订不到。微生物肥料既能保护和促进农作物生长和提高品质,又不会产生和积累有害物质,符合绿色食品和绿色农业的发展要求,也是推动农业供给侧改革、深化种植结构调整及提高资源要素的使用效率的应有之义。

目前,我国基本形成了微生物肥料产业,全国约有500个企业,年产量达到400万吨,微生物肥料己逐渐成为肥料家族中的重要成员,获得农业部临时登记证的产品近500个,其中已有200多个产品转为正式登记。在农业部登记的产品种类有12个,包括固氮菌剂、硅酸盐菌剂、溶磷菌剂、光合菌剂、有机物料腐熟剂、复合菌剂、微生物产气剂、农药残留降解菌剂、水体净化菌剂和土壤生物改良剂(或称生物修复剂)、复合生物肥和生物有机肥类产品。微生物肥料使用菌种种类不断扩大,所使用的菌种早已不限于根瘤菌,即使是根瘤菌种类也达10多种。其他的诸如各种自生、联合固氮微生物,纤维素分解菌,PGPR菌株等,据统计,目前使用的菌种已达100多种。微生物肥料的应用效果不仅表现在产量增加上,而且表现在产品品质的改善、减少化肥的使用、降低病虫害的发生、保护农田生态环境等方面,应用面积不断扩大,累计达2000多万公顷。

2.微生物饲料

健康动物肠道内生长着各种各样的微生物群落,各种微生物群落之间相互依存、相互制约,构成畜禽肠道内微生态系统的平衡,建立一个正常且平衡良好的肠道微生物区系对抵御病原性微生物感染具有十分重要的意义。多年来,禽畜饲养中所用的饲料中,长期添加化学促长剂和抗生素药品,形成对禽畜体内的有益细菌大量损害,给禽畜体内的病毒细菌造成了大量的繁殖空间,迫使禽畜免疫力下降,进而又使得消费者对禽畜抱有恐惧感。不间断地在配合饲料中添加抗生素等化学物质,如此形成了恶性循环,进一步导致禽畜免疫力下降。饲料原材料价格居高不下,饲料价格随之节节攀升,饲料转化率低等因素使得养殖户利润得不到保障。

微生物饲料包括青贮饲料、糖化发酵饲料、单细胞蛋白和氨基酸添加剂饲料等。大量的研究结果表明,微生物饲料添加剂作为一种“绿色”添加剂,在促进动物生长发育,提高免疫力、防病治病,改善饲料适口性和转化率等方面具有显著效果。通过微生物技术,饲料发酵剂发酵之后可以转化为动物爱吃的饲料,不仅保护了环境,还节省了饲料,这样一举两得。该技术的最大功绩在于,它可以逐渐替代农用化学物质,取代激素和抗生素,生产出绿色食品。

中国农业大学农业部饲料工业中心成功开发出了一种生产工艺简单、使用效果显著的微生物发酵浓缩饲料,生产成本在每吨3000元左右。在生长育肥猪配合饲料中添加15%-20%的发酵浓缩饲料就可以实现从20公斤到出栏的全程无抗生素饲养。经过北京地区6个猪场的饲养试验证明,在饲料成本相同的情况下,每头猪可以节省饲养成本20-38元,经济效益极其显著。目前北京地区已经有20多家规模化猪场使用本产品,生猪总存栏数超过3万头。经国家抗生素残留权威检测部门分析,通过饲用该产品获得的猪肉中抗生素的残留量极低,远远低于欧盟安全肉中抗生素残留的限量要求。

国内微生物饲料添加剂产业仍处于起步阶段,从事活性微生物饲料添加剂开发应用的企业大约有400家,获得农业部生产批文的约有140家。国内微生物饲料添加剂年销售额大约在20亿人民币,销售额在1亿元以上的不足5家,产品年销售额在3000万元以上的不过几十家,大多数企业的年销售额在1000万元以下。根据目前国内饲料年生产总量和猪、禽、反刍和水产动物的养殖总量来计算,国内微生物饲料添加剂的市场容量在180亿元至200亿元之间,目前市场推广普及率约为10%,市场空间极大,产业发展前景十分广阔。

3.微生物能源

能源是人类社会进步与经济发展的重要物质基础。近年来的能源危机和环境恶化引起世界各国的高度重视,生物能源作为石油的替代能源已成为众多国家能源发展的必然趋势。自生物能源出现以来,微生物就与之产生了千丝万缕的联系,无论是生物乙醇、生物柴油还是生物制氢,微生物都是生物反应的参与者。而该项研究为实现能源的可再生提供了又一种新的可能——微生物可直接合成燃料分子。

人们对生物能源并不陌生,早在19世纪,就出现了现代生物能源乙醇。1902年,Deutz可燃气发动机工厂特意将1/3的重型机车利用纯乙醇作为燃料,随后的1925年至1945年间,乙醇被加入到汽油里作为抗暴剂。可以说安全、清洁是乙醇的主要优势。随着现代技术的发展,利用微生物对生物质加工制备生产生物能源已成为开发可再生能源的主要方向之一。例如,巴西用乙醇产生菌生产的乙醇1990年已达到1.6×107立方米,足够供应200万辆汽车的驱动能源之需要。2012年,美国加利福尼亚州一家公司生产出基因改良的细菌,能够从3公斤干海藻中生产出1公斤乙醇。为了不影响粮食产量,纤维素乙醇应运而生,并迅速成为研究热点。2000年以后,以藻类燃料为代表的生物柴油一度受到了格外的关注,也成为第三代生物能源的代表。

欧盟委员会积极推进生物燃料发展,制定了2015年生物燃料占运输燃料消费总量8%的目标。2011年8月16日,美国白宫宣布推出一项总额为5.1亿美元的计划,由农业部、能源部和海军共同投资推动美国生物燃料产业的发展,此外美国还通过法律手段强制在运输燃料中添加生物燃料,具体比例是柴油中添加2%的生物柴油,汽油中添加5%的燃料乙醇。英国政府从2006年起要求生产运输燃油的能源企业必须有3%的原料来自可再生资源,并且比例将逐年提高。据国际能源机构(IEA)的数据,2010年全球生物燃料日产量为182.2万桶,2011年降至181.9万桶。

受工业经济迅猛发展和中产阶级膨胀推动,中国能源消耗费已经占全球能源消费的21%。尽管中国大力投资可再生能源,煤炭仍是我国最主要的能源。中国工业占GDP将近50%,使用了近70%的能源。中国近50%的原油依靠进口,能源安全和外交政策受到重大影响。石油进口主要来自中东,但安哥拉日益成为主要进口国。天然气在中国能源构成中占比很小,但2007年中国成为天然气净进口国。按照目前以煤炭为主导的能源结构,2020年我国将面临至少10亿吨标准煤的能源缺口。而根据中国工程院的研究,2050年我国人均装机容量要达到美国2002年的人均装机容量的一半水平,就得需要电力装机24亿千瓦,而常规能源发电即使发挥到最大能力也只能提供17亿千瓦的装机容量,距24亿千瓦至少有30%的缺口。我国水电开发潜能巨大,但也容易导致生态链的断裂。美国现阶段正在逐步开展拆坝运动,也正是尝试恢复大坝周边地区生态系统。在中国四大家鱼产地之一的湖北省,长江大坝没筑之前,每年的鱼苗产量200亿尾;筑了之后,每年的产量2亿尾,产能下降99%。中国政府一直大力投资可再生能源,竭力降低对煤炭的依赖。2011年中国成为可再生能源规模最大的国家,装机容量达到133吉瓦,美国只有94吉瓦。

4.微生物食品

微生物都是核酸和蛋白质的实体,大多是单细胞,用发酵法生产这些单细胞微生物就可以得到极为丰富的单细胞蛋白。微生物的繁殖速度惊人,一头体重500公斤的牛,每天只能合成0.5千克的蛋白质。而500千克的活菌体,只要有合适的条件,在24小时内能够生产1250千克的单细胞蛋白质。单细胞微生物制造出来的蛋白质可以制造人造肉、人造鱼、人造面粉等食品。发酵食品是人类巧妙地利用有益微生物加工制造的一类食品,具有独特的风味,丰富了我们的饮食生活,如酸奶、干酪、酒酿、泡菜、酱油、食醋、豆豉、乳腐、黄酒、啤酒、葡萄酒,甚至还可包括臭豆腐和臭冬瓜,这些都是颇具魅力而长期为人们喜爱的食品。现在中国的食用菌产业已经成为农业产业中的第五大产业,产量超过了3280万吨,产值超过了2400万元。其中药用菌占有重要的份额。仅灵芝一项,2015年的净出口量超过了20个亿。中国的食用菌产业在供给侧改革,国民经济进入新常态,特别是在2015年开始的精准扶贫中,食用菌产业都发挥着不可替代的作用。正是因为食用菌具有不与人争粮,不与粮争地,不与地争肥,不与农争时,不与农产品争市场,不与其他争资源的优势,发挥着推进循环经济的不可替代的作用。在供给侧改革中,产业结构的调整,很多地方都把食药用菌作为首选。在精准扶贫中,很多省区都把食药用菌,特别是药用菌的栽培作为脱贫致富的重要选择之一。因此,我们全国的药用菌产业的企业家、科学家,特别是战斗在第一线的工作人员,都有着重要的历史责任。当前,食药用菌产业面临着很多问题,亟待解决。譬如,我们的品种,我们的规模化栽培,我们的深加工。还有市场如何创新、如何规范、如何发展亟待解决的问题。

5.微生物药物

人类认识微生物的历史源远流长,但有目的地从微生物次级代谢产物中发现新药的历史,至今不到70年。法国微生物学家路易·巴斯德曾经尝试将狂犬患者的唾液注射到兔子体中,并进一步从中提取和制成可供免疫用的弱化疫苗,1885年在一个9岁的患狂犬病的孩子身上试用,获得成功。这一研究成果当时被誉为“科学纪录中最杰出的一项”,开创了药物微生物技术的新时代。英国细菌学家亚历大·弗莱明,首先发现青霉素。后英国病理学家弗劳雷、德国生物化学家钱恩进一步研究改进,并成功地用于医治人的疾病。青霉素的发现,是人类找到了一种具有强大杀菌作用的药物,结束了传染病几乎无法治疗的时代;从此出现了寻找抗菌素新药的高潮,人类进入了合成新药的新时代。微生物制药技术作为一项新兴的技术,在世界各国卫生医疗、环境保护等领域已经取得了卓越的成绩。欧美日等国已不同程度地制定了今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划,可以看出工业微生物技术在未来社会发展过程中的重要地位。如胰岛素、氨基酸、牛痘等微生物制药技术成熟发展的产物。有关报道称,武汉大学生命科学研究所已成功将人的基因移植到水稻,进而从稻谷中提取过去只能从人的血液中才能提取的人体血清白蛋白,一亩水稻可提取2公斤。该技术一旦面市,将像人工合成胰岛素一样,大大提升人的健康水平。胰岛素过去只能从牛或猪身上提取,一头牛或猪只够一个糖尿病人一周的用药。人工合成技术成功后,完全满足了市场需求。我们目前人体血清白蛋白缺口甚大,年需求量为110-120吨,缺口高达60-80吨,该项技术将彻底结束供不应求的局面。

农药的残留是一个恶性循环。农作物用了农药之后,人吃了种子产生抗药性,根茎叶喂了牲畜,牲畜的粪便留流到土壤里面,使土壤里面含有农药残留,再种庄稼,还有农药。动物的肉,人吃了,同样在人体里面残留,带来一个恶性循环。人和动物的抗药性越来越强。中国每年生产的抗生素是21万吨,人均消费138克,美国是13克,我们是人家的10倍还多。在以高产为唯一目的农业生产中过量使用化学农药,是造成当前农业生态环境日趋恶化以及农业生产效率低下的一个重要因素。特别是在进入WTO以后我国农业还面对日趋激烈的国际竞争,绿色农业逐渐引起人们的重视,生物农药的研究和应用在新世纪之初迎来前所未有的历史机遇和技术挑战,产业发展前景十分广阔。

微生物农药包括农用抗生素和活体微生物农药。利用微生物或其代谢产物来防治危害农作物的病、虫、草、鼠害及促进作物生长,包括以菌治虫、以菌治菌、以菌除草等。这类农药具有选择性强,对人、畜、农作物和自然环境安全,不伤害天敌,不易产生抗性等特点。随着人们对环境保护越来越高的要求,微生物农药无疑是今后农药的发展方向之一。目前,我国生物农药类型包括微生物农药、农用抗生素、植物源农药、生物化学农药和天敌昆虫农药、植物生长调节剂类农药等6大类型,已有多个生物农药产品获得广泛应用,其中包括井冈霉素、苏云金杆菌、赤霉素、阿维菌素、春雷霉素、白僵菌、绿僵菌。虽然我国微生物农药产业有了一定的发展,但市场空间极大,产业发展前景仍然十分广阔。截至2015年12月31日,全国农药生产企业2232家,抗生素农药生产厂家709家,其他生物农药生产厂家428家;农药进出口首现“双降”。生物农药前景好,但目前仍有难题需要破解。我国生物农药企业存在着企业规模小、竞争力弱、自主创新能力弱、技术装备水平低、产品结构单一、难以满足系统解决方案的需求、销售渠道不通畅、资金紧张等痛点,而农民应用生物农药的意识淡薄,对生物农药缺乏信心、怀疑效果。

6.微生物清洁剂

据2015年《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国至少有近3000万公顷的受污染土地,其中严重土壤污染区高达320个,占地约538万公顷。此外,镉、汞、铅等重金属含量也严重超标,尤其是镉污染,在全国范围内普遍增加,在西南地区和沿海地区增幅一度超过50%,情况不容乐观。水污染则更严重,据有关方面调查,我国只有3%的城市水源基本清洁,97%的城市水源受到污染,其中严重污染的占64%,有专家研究,有效治理深层污染需要上千年的时间。乡村田野流淌的大小河沟,污染程度更是触目惊心,臭气熏天、鱼虾绝迹的现象为数不少。有关研究认为,我国目前废水排放量已成为世界之最,每天废水排放量比美国、俄罗斯、德国、印尼、泰国、法国、乌克兰、越南和意大利九个国家的总和还多。中国60万个行政村每年生产90亿吨污水、2.8亿吨垃圾,基本处于“污水靠蒸发,垃圾靠风化”状态。每年年产1.5亿吨的城市垃圾中,被丢弃的“可再生资源”价值高达250亿元!北京市现日产垃圾13000吨,全年生产495万吨,而且每年将以8% 的速度递增。有外国人讽刺中国说,中国人死了,拍扁了挂墙上就是一张完整的化学元素周期表,吃的、喝的、呼吸的什么元素都有,一样不缺。

有关资料统计表明,截止到2016年,国际上启动了9个环境微生物组相关的研究计划。20世纪初,中国科学院有关专家开始推动“微生物地球”研究计划。最早利用微生物作为清洁剂的运用主要是在处理生活垃圾上。经过微生物的发酵,将作为燃料的碳、氢和作为植物营养元素的N、P、K等分离开,制成沼气。随着工农业生产的发展,有机残体及废弃物不断增加,对环境造成严重污染,给生产生活带来不良后果。以沼气为纽带可促进物质和能量在系统内部有多重循环利用。如我国北方开发的“四位一体”高效种养结合发展模式,即太阳能温室→沼气池→猪圈→厕所和南方的“猪圈→沼气池→果园”模式,可使一切有机残体和废弃物无害化和资源化,是一条适合我国国情的农村发展之路。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)可以将污水作为底物进行发电,将其中蕴含的能量回收,可解决污水处理厂的电耗问题。MFC既可用于处理废水有机物,也可用于废水脱氮除硫,甚至可用于处理难降解有毒化合物。利用遗传工程让大肠杆菌具备分解塑胶废液的功能。利用农业废弃的秸秆、枝叶等生物质转化成生物能源,纤维素中的糖和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样,可以用传统的酵母发酵成乙醇。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中,用纤维素获取乙醇不但无须担心原料来源,还能解决农作物废料燃烧污染空气的问题。

微生物开发战略与对策

微生物资源的开发利用无非是利用微生物菌体本身,或者其代谢产物,或者其某种特性和活性。微生物资源开发的基本思路,一般来说,是先从自然界找到目的菌,然后进行改良,最后进入量产。也就是说,使用生物技术培育出来的新微生物产品进入商业化生产要经历三个阶段,第一阶段是,收集微生物资源,并借此搜寻具有商业潜力的目的菌。第二阶段是,一旦搜集来的微生物资源是可利用的,可以用现代生物技术分离出具有商业潜力的目的菌。第三阶段是,利用具有商业潜力的目的菌进行实验室检验。如果实验成功,就批准上市。微生物产业发展战略应该围绕这几个环节优先实施以下科技战略措施,推动微生物产业快速和健康的发展。

(一)加强微生物资源的保护、开发和利用

微生物菌种资源与动、植物一样,是国家重要的战略性生物资源,这是微生物产业的基础和前提。

1.强化政府的主导作用,加大资金投入力度,建立起高水平的国家级微生物资源库与共享体系。

我国虽然已经建立起了微生物菌种保存体系,但是其规模、机制、功能尚不能适应当今科学研发的需求。因此,需要装备、重建高水平的国家微生物菌种资源保存与管理体系,以及信息共享系统。微生物资源的收集基本上都是天然材料,本身具有公共产品的特点。它们是非竞争性的。在一种微生物产品中使用某一菌种并不排除另一种产品对它的使用。另外,它们也很难完全排他的——阻止被人使用是困难的且代价巨大。大部分的菌种广泛分布在各区域,很难被个别地区独享,尤其是现代生物技术只需要微量的菌种,这使得微生物资源的“走私”几乎不可能被阻止。微生物菌种资源搜集和保护具有很强的公益性,政府应该发挥主导作用,加大资金的投入,并建立起相应的高质量管理机制。当前的主要工作可以从三个大的方面着手:一是,加大力度对原始生态环境的保护。原始生态环境是巨大的微生物基因库、种源库,保护了原始生态环境就同时保护了微生物资源。因此,有必要划定一些具有代表性的原始生态环境、极端环境和独一无二的特殊环境作为保护区,使其尽量保持原始状态,作为研究微生物资源的基地。二是,加快对我国微生物资源的清查和评价。特别是有应用前景的微生物资源,并加强对现有微生物资源的功能评价,充分发挥现有资源的应用潜力,尤其是极端环境微生物功能基因的挖掘及菌种的功能性研究。三是,建立微生物资源基因库。2016年9月22日,我国建成世界最大的国家基因库在深圳投入运行,分样品库、数据库、活体库三类,它的使命就是“留存现在,缔造未来”。它还建有数字化平台和合成编辑平台。对于未培养的微生物资源,可采取提取DNA,分离和克隆不同的基因片段,以保护微生物基因资源。

2.对部分公共研究机构和民营公司微生物资源收集和保存活动给予一定的补贴,加强对其生产菌种和专利菌种的保护。

微生物资源的搜集和保护具有公益性,但是缘于一种“时尚”,世界各国已采取行动赋予国家对部分微生物资源来源的所有权。长期以来,许多国家对微生物学方法和微生物产品授予专利,而对微生物资源本身并不保护。1980年美国法院关于微生物资源专利纠纷的判决,开启了微生物本身也可以作为专利保护对象的先例。对部分菌种的专利保护有一定的合理性。微生物资源的开发面临着巨大的风险,比如要开发一种新的微生物药物,大约需要10亿美元的投资,10年以上的时间,大量的人力物力,还有非常高的失败率。因此,一旦证明某个新菌种产生某种新物质,授予其专利对于促进微生物资源的搜寻、保护和开发有着重要的作用。更重要的是,专利菌种的保护有利于纠正全球微生物研发活动收入分配的不平衡。在很多情况下,发达国家跨国公司获得了研发成果的大部分收入,我们从研发活动中仅得到非常少的全球利润。授予微生物资源专利权,将有助于我们分享一部分研发利润,使得全球的研发收入分配更为平等。专利菌种完全排除其他人的使用是有一定难度的,为了鼓励和促进微生物资源收集和保存,政府应该对部分公共研究机构和民营公司给予一定的补贴是非常有必要的。

(二)加强微生物产业的技术基础研究

全球生物安全顶级实验室P4实验室总计56个,其中美国14个、印度4个、日本2个、我国台湾2个,中国大陆仅1个。2016年5月13日,奥巴马宣布启动“国家微生物组计划”,主要针对不同生态系统的微生物进行比较研究,以寻求微生物的塑造方式,为人类改变微生物朝着有益方向发展提供可靠必要的路径。它设定三大目标,一是支持跨学科研究,回答多样化生态系统中微生物组的基本问题,如什么是健康的微生物组;二是开发检测分析微生物组的工具,如随时检测空气、水、土壤或人体微生物数量的手持传感器;三是科普培训相关微生物组工作人员。美国已将这一计划上升到国家战略层面,我国尚未设计这种技术基础研究的制度构架。基础性技术的研究知识密集度高,涵盖面大,涉及面宽,需要国家层面从战略高度总体设计。例如,仅微生物菌种的分离、筛选和选育就十分复杂,这是一门需要很多知识和经验的学问。不同的微生物类群使得他们的分离方法也各不相同,很难设计出对所有产品都好的分离方法。在一些企业,分离方法是核心机密,绝不外泄。目的菌种的分离、筛选和选育在相当程度上也具有公共产品的性质。在一种微生物制品中使用的一个被识别的菌种不能排除在另一种微生物制品对它的使用,而当基因的逆向操纵相当简单时,排除其他产品的使用也是非常困难的。微生物产业的发展需要国家强有力的技术支撑。在今后的科技计划中把微生物产业技术创新作为一项战略并给予适当倾斜,在各类科研计划中安排一定的资金和项目,开展微生物产业的技术研究。在设立国家农业应用微生物等重点实验室、微生物工程菌构建技术平台、微生物发酵技术与酶工程应用技术平台等方面,加大资金和项目的倾斜,通过基础条件建设,提高我国农业微生物应用水平。特别要针对我国创新药物严重不足的情况,尤其应该加大投入、加快微生物资源的收集,结合化学、药理等高通筛选技术,提高发现新先导物质的概率,缩短研发周期,降低研发成本,从已有的微生物资源库中筛选出新药,从微生物新资源中研发新药,利用组合生物合成技术构建工程菌株生产新药。

(三)设置独立的微生物开发管理部门

鉴于我国微生物开发涉及农业、科技、林业、环保、食药、国土、财政、发改等诸多部门,中央和省级政府应按照精简、高效、透明的原则,设立专门的微生物发展领导小组或微生物产业发展局,制定国家层面的发展战略,整合归并性质相近、用途相同、使用分散的相关资金。同时,理顺各部门之间的工作关系,建立统一互通的微生物政策创设平台和动态调整机制,提高微生物开发政策的精准性、有效性和执行力。根据中国目前年产9亿吨农作物秸秆及9亿农村人口生产废弃物的现实,应专门建立国家级微生物农业科学院,加大微生物农业新产品、新技术和新模式的研究和开发力度,重点开发食用菌新技术、乡村废弃物管理技术和农业废弃物的资源化技术等;在省级农业科学院中设立微生物农业研究所(室),在省级农业科研院所和农业高校内设立微生物农业专业,以加强微生物农业的基础理论和科学技术的研究工作;建立促进微生物农业高新技术、增效技术转化为生产力的考核体系和激励机制,加速微生物农业技术创新。

(四)打造具有国际竞争实力的微生物产业

在商业化的量产阶段,市场应该起决定性作用,但是我们也不能完全“无为而治”,而是因势利导,实施农业微生物产业发展策略,努力打造具有国际竞争实力的高科技产业。一是要投入资金,建造一批能够诱导产业发展的产业基础设施和中试熟化基地,支持企业努力开发农业微生物产业新产品,打造一批国际知名的科技型企业,抢占国际市场。二是要完善科技产业政策,营造推进农业微生物产业发展的良好环境和产业氛围,把农业微生物产业技术发展纳入国家中长期发展规划,设立国家专项基金,以扶持处于国际领先领域的农业微生物产业技术继续发展,并带动农业微生物产业其他领域产业化水平的提高。

(五)加大宣传力度,增强需求侧对微生物开发重要性的认识

一是大众媒体应该加强微生物资源开发利用和保护方面的宣传报道,普及知识,促进消费者对微生物制品的需求。在很长一段时间内,人们对微生物的认识往往同疾病联系在一起,认为它对人类有害无益,而对微生物有益的方面认识比较少,不了解微生物资源在医药、食品、农业、轻工、环保和冶金等行业的广泛运用,特别是微生物对人类健康保障事业的伟大贡献。这显然不利于大众对微生物制品消费需求的增加。有必要大力普及微生物知识,宣传微生物资源的重要性,特别是微生物对人类健康的重要性,以及保护微生物资源的必要性。

二是加强政策的引导作用,促进企业的投资需求。当今世界,微生物资源的开发利用已经涉及各个产业部门,取得了巨大的经济效益和社会效益。但是,由于长期政策的引导和宣传不到位,企业界对微生物制品的投资还很有限,整个微生物资源的开发利用还处于较低的层次,零星、分散、不成体系,原始创新少,还没闯出一条路来,在国民经济发展中的作用也不明显。有必要加强对企业界的政策指导和宣传引导,强化工商界对微生物制品的产品认识和市场认识,大力推进微生物制品的投资需求,促进生物农业、微生物肥料、微生态制剂、生物医药、微生物能源、微生物食品以及微生物新材料等方面涌现出更多的高技术、高效益企业,推动我国国民经济更快更好更健康地发展。尤其在农业领域,一定要牢固树立“三维资源结构”的发展理念,变“植物、动物”的“二物思维”为“植物、动物、微生物”的“三物思维”,把“三物思维”作为农业发展的“新型产业结构”,把微生物开发作为农业发展的主要增长极、主流价值观和主导产业链,这是实现“减肥增绿”目标的关键,也是生态循环农业的自然规律。它必将成长为一个战略性新兴产业,也必将成为农业发展的新动能。

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