化肥太贵了，科学家想让微生物来“施肥”

（来源：麻省理工科技评论）

化肥是全球粮食生产不可或缺的一环，但它也是一个高耗能、高排放的产业。现在，一些公司正试图让微生物来分担这项工作。

越来越多研究发现，在作物根部周围的土壤中引入有益微生物，可以帮助植物获取生长所需的氮，从而减少对化学肥料的依赖。化肥生产目前约占全球温室气体排放的 2%。如果微生物肥料能够真正大规模应用，不仅有望降低农业排放，也能帮农民省下一笔不小的成本，尤其是在近几个月伊朗战争推高能源和化肥价格的背景下，这一点变得更加重要。

事实上，人类利用生物肥料已经有数千年历史，最常见的例子就是粪肥。而开发微生物肥料也不是什么新鲜事，一些企业甚至早已开始使用基因工程改造微生物。真正困难的是：怎样让这些微生物既能稳定地为农作物提供氮，又能保证自己正常生长和繁殖。

初创公司 Switch Bioworks 正在尝试一种不同的思路：先让微生物在土壤里扎下根、形成足够健康的菌群，再切换到“产氮模式”。公司创始人兼 CEO 蒂姆·施纳贝尔（Tim Schnabel）说，“我们必须重新发明肥料。”

空气中将近 80% 都是氮，但植物无法直接利用这些几乎取之不尽的氮气，因为氮气本身非常稳定，不容易与其他元素发生反应。植物真正需要的是经过“固定”的氮，也就是已经被转化成氨等更活泼化合物的氮。

在自然界中，一些微生物能够完成这一过程，也就是所谓的“固氮”。豆科植物甚至会和固氮细菌形成共生关系：这些细菌生活在植物根部的根瘤中，为植物提供可利用的氮。而今天广泛使用的合成化肥，本质上是在工业条件下完成同样的事情。哈伯-博施法（Haber-Bosch process）利用天然气制造氨，再将其作为肥料施入农田。

生物肥料想做的，就是用微生物替代一部分工业固氮过程，让它们直接在作物根部帮助植物获取氮。但这里存在一个根本性的矛盾：对微生物来说，固氮是一件非常“费力”的事。制造并释放氨需要消耗大量能量。如果微生物把太多资源都投入固氮，自身的生长和繁殖就会受到影响。

施纳贝尔解释说，要让微生物肥料发挥作用，作物根部必须形成一定规模的菌群。但直接往每株植物上投放如此大量的微生物，成本太高，操作上也不现实。因此，更可行的方法是先放入较少数量的微生物，再让它们自行生长、分裂，逐渐形成稳定种群。

这正是 Switch Bioworks 押注“基因开关”的原因。所谓基因开关，是能够控制某些基因何时开启或关闭的一段或多段 DNA。Switch Bioworks 的设计，是利用这类开关激活特定基因，让微生物开始制造氨，并将氨释放到细胞外。目前，公司正在测试多种触发机制。其中最主要的一种方案，是让微生物根据土壤中的氮含量自行作出反应：当土壤氮水平下降到某个阈值后，微生物才开始生产氨。

Breakthrough Institute 的食品与农业主管丹·布劳斯坦-雷托（Dan Blaustein-Rejto）表示，微生物固氮本身存在一个绕不开的生物学现实：它的能量成本非常高。而且，即便微生物固定了氮，它们通常也更愿意把这些氮留给自己，用来合成蛋白质、维持生存，而不是“无偿”提供给植物。所以，基因开关的意义就在这里：先让微生物把资源用于自身生长，等菌群建立起来之后，再切换状态，为农作物提供氮。

Switch Bioworks 目前正在美国 6 个州开展田间试验。施纳贝尔表示，距离正式商业化大约还有两到三年。公司最先瞄准的对象是玉米，玉米是美国种植面积最大的农作物，2026 年种植面积超过 9000 万英亩。

施纳贝尔说，“现在判断它在真实农田里到底能做到什么程度，还为时过早。”公司计划在 10 月底或 11 月初收获试验作物。不过截至 8 月，一些使用 Switch Bioworks 微生物处理过的玉米，外观看起来已经明显比没有处理的玉米健康。

“这些公司和产品很有潜力帮助农民降低排放。”布劳斯坦-雷托说，“对于农业这样一个非常难减排的行业来说，这可能会成为一种相当重要的解决方案。”

不过，实验室里的漂亮数据并不意味着田间也一定有效。布劳斯坦-雷托指出，田间试验是验证产品能否真正落地的关键一步。“这是产品上市、并向农民作出有力效果承诺之前，最后几个重要环节之一。” 他还强调，独立机构的测试同样重要。企业自己公布的数据，与独立研究人员最终得到的结果之间，有时可能存在很大差距。

Pivot Bio 是另一家试图把微生物带进农田的公司。公司成立于 2011 年，如今旗下产品已经被应用在数百万英亩农田中。Pivot Bio 目前拥有多种产品形态：有些可以在播种时与种子一起施用，还有一些则在种子送到农场之前，就已经完成处理。最近，公司还把业务从玉米扩展到棉花、小麦以及高粱、大麦等小粒谷物。

Pivot Bio 最初面对的问题，是如何让微生物无论是否感知到土壤中的氮，都能够持续生产氮。如今，公司关注的重点已经进一步转向：怎样让这些微生物菌群在不同环境中都保持更强的生命力和稳定性。

“现在农户在经济上正遭遇双重压力。”Pivot Bio 首席技术官特拉维斯·弗雷（Travis Frey）这样评论“一方面，化肥成本不断上涨；另一方面，玉米等大宗农产品的价格却在下降。”在弗雷看来，这也给 Pivot Bio 以及整个农业生物制品行业创造了机会。

北卡罗来纳州立大学作物与土壤科学系教授约翰·哈夫林（John Havlin）表示，对许多种植户来说，肥料和种子本身就是最大的两项成本，因此，只要能减少对合成化肥的依赖，就可能给农业带来很大的经济价值。“我非常看好这类产品未来的应用。”他说，“最终，它们会在减少氮肥使用量方面发挥作用。”

但微生物能够替代多少化肥，也存在明显上限。根据 Switch Bioworks 的模型估算，微生物肥料最终能够替代的合成化肥比例，可能最多只有约 50%。而公司第一代商业产品预计只能替代农场约 25% 的合成化肥。Pivot Bio 此前同样表示，其产品大约可以减少 25% 的传统肥料使用量。这意味着，在相当长一段时间内，合成化肥都不会消失。

“在可预见的未来，我们还看不到任何清晰、可信的方案能够彻底取代合成化肥。”布劳斯坦-雷托说。因此，在发展微生物肥料之外，如何降低传统化肥生产本身的排放，以及减少农业活动造成的其他氮污染，仍然至关重要。

https://www.technologyreview.com/2026/09/01/1143195/microbe-fertilizer-switch-bioworks/