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农业的新使命:三物思维(中)

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

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