How engineered microbes could help feed the world’s crops

工程化微生物如何帮助养活世界作物 | MIT Technology Review

气候变化与能源

工程化微生物如何帮助养活世界作物

初创公司Switch Bioworks希望利用微生物减少对化学肥料的需求。

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• Casey Crownhart 档案页面

2026年9月1日

Stephanie Arnett/MIT Technology Review | Getty Images, Adobe Stock

执行摘要

肥料对全球粮食供应至关重要，但其生产消耗大量能源并产生大量排放。一些公司希望微生物能够提供帮助。

越来越多的研究表明，在作物根部周围土壤中播种有益微生物，可以帮助植物生长，为其提供关键的氮元素。这可能有助于减少对化学肥料的需求，而化学肥料的生产约占全球温室气体排放量的2%。此外，这还能降低农民的成本，这对近期因伊朗战争导致能源和肥料价格飙升的市场来说是一个重大利好。

人类数千年来一直使用粪肥等生物肥料，而企业也长期在开发微生物肥料，包括一些依赖基因工程的方案。但要设计出既能可靠为作物提供氮元素又能自身茁壮成长的微生物极具挑战性。

名为Switch Bioworks的初创公司正在尝试一种新方法，本质上是让微生物先建立自身种群并健康生长，然后再切换到产氮模式。“我们必须重新发明肥料，”该公司创始人兼首席执行官Tim Schnabel表示。

空气中约80%是氮元素，但植物无法直接利用这种“自由”氮，因为它不容易与其他元素发生反应。相反，它们依赖所谓“固定氮”，这种氮已被转化为更易反应的化合物，如氨。在自然界中，微生物可以完成这种氮固定过程。一些植物，如豆科植物，甚至与固氮细菌形成共生关系，这些细菌会寄居在植物根部的瘤状结构中。合成肥料本质上是通过哈伯-博斯工艺（Haber-Bosch process）进行的工业固氮过程，该工艺利用天然气制造施用于田地的氨。

生物肥料旨在用能够帮助植物固氮的微生物替代部分合成肥料。但微生物肥料公司面临的一个挑战是，微生物制造和释放氨在能量上成本很高。将所有能量用于固氮可能会影响它们的生长。

Schnabel解释说，根部周围需要达到一定水平的微生物群落。将所有这些微生物直接施加到植物上成本过高且物流困难，因此必须依靠少量微生物进行繁殖，建立种群。

Tim Schnabel正在参观Switch公司进行早期试验的玉米田。

Switch Bioworks供图

Switch Bioworks押注基因开关是解决方案。基因开关是控制基因开启和关闭的一段或几段DNA。在此案例中，它通过激活帮助细胞内产生并释放氨的基因来起作用。该公司正在研究多种方法来触发微生物中的这种变化。最前沿的方法是让微生物对土壤中的氮含量做出反应：当氮含量降至一定水平时，它们开始产生氨。

“微生物固氮本身就是一个代价高昂的生物学过程，”突破研究所食品与农业主任丹·布拉斯特恩-雷约（Dan Blaustein-Rejto）表示。这需要消耗大量能量，而且如果它们成功固氮，也会优先将氮用于自身，以合成蛋白质并维持生存，他说。添加基因开关可以帮助微生物更好地生长繁衍，从而促进作物施肥。

施耐德（Schnabel）表示，Switch 目前正在美国六个州进行产品试验，但距离推出商业化产品还有两到三年时间。该公司最初专注于玉米——这是美国种植面积最大的作物，预计到2026年种植面积将超过9000万英亩。

施耐德表示：“目前还无法准确判断该产品在田间试验中的实际效果。”公司计划在10月下旬或11月初收割试验作物，但截至8月，一些使用 Switch 微生物处理的玉米植株已经看起来比未处理的植株明显更健康。他表示，公司仍在开发最终将推向市场的相关产品。

Switch 的产品可能对农业的绿色转型具有重要意义。“这些公司和产品在帮助农民减少排放方面具有巨大潜力，”布拉斯特恩-雷约表示。“这可能是解决一个难以减排的行业的重要方案。”

布拉斯特恩-雷约指出，尽管实验室结果令人鼓舞，但田间试验是验证产品可行性的关键步骤：“这是产品上市前的最后一步，也是向农民做出有力承诺的必要前提。”他补充说，独立试验同样重要，因为企业报告的数据与独立研究人员的发现之间可能存在显著差异。

Pivot Bio 是另一家致力于将微生物引入农田的公司。自2011年成立以来，其产品已应用于数百万英亩的农田。目前，公司已推出一系列产品：部分产品可在播种时添加，另一些则在种子甚至进入农场之前就进行处理。该公司最近还扩展业务范围，除了玉米之外，还开发了用于棉花、小麦和小粒作物（包括高粱和大麦）的微生物肥料。

Pivot 的初始挑战是让微生物在土壤中无论是否检测到氮都能进行固氮。公司首席技术官特拉维斯·弗里（Travis Frey）表示，目前公司正在研究如何在各种环境下培育出更健康、更强大的微生物菌群。

弗里表示：“从农场经济角度来看，种植者目前正面临双重压力。”肥料成本不断上升，而玉米等大宗商品的价格却在下跌。他说，这对 Pivot 及其他行业参与者来说是一个巨大的机会：“未来十年将是生物制剂在农场全面普及的关键时期。”

北卡罗来纳州立大学作物与土壤科学系教授约翰·哈文林（John Havlin）表示，肥料和种子是许多种植者最大的两项成本，因此减少对合成肥料的依赖可能对农业大有裨益。

哈文林表示：“我对这些产品的未来应用感到非常兴奋。”他说：“这些产品最终将在减少氮肥施用量方面发挥重要作用。”

然而，微生物能够替代的肥料数量存在上限。Switch 的建模表明，50% 可能是上限，但该公司表示，首批产品预计只能替代农场合成肥料的约 25%。Pivot 则表示其产品可替代当前约四分之一的肥料使用量。

这意味着合成肥料在可预见的未来仍将长期存在。“在可预见的未来，尚无明确且可行的方案能完全取代它，”Blaustein-Rejto 表示。“因此，减少排放和其他类型氮污染的其他方法仍然至关重要。”

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插图由 Rose Wong 绘制

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