前景廣闊的微生物開發
根據《中國微生物資源發展報告2016》分析結果，2001－2015年，中國在微生物資源領域取得巨大發展。中國微生物領域論文發文量位於世界第二，僅次於美國；中國微生物領域專利族數量世界第一，從全球排名來看，中國於2009年成為微生物領域公開專利數量最多的國家；據全球微生物保藏中心信息網（CCINFO）統計，中國菌種保藏中心共33個，可共享的保藏菌株182235種，保藏的菌株總量為世界第4位；世界各保藏中心共保有96907個用於專利程序的生物材料，中國的CGMCC保藏專利菌株為11977株，排在第2位。我國的微生物研發利用已步入快車道。
1.微生物肥料
土壤是作物賴以生長的基礎。「鎘大米」事件曾引發社會的廣泛關注，為我們敲響了土壤汙染的警鐘。近期，環境保護部和國土資源部做了一個全國土壤汙染狀況的調查，調查發現全國土壤總超標率16.1%，土壤汙染已經成為我國許多地方的「公害」。隨著化肥的大量使用，化肥的利用率不斷降低已是眾所周知的事實，化肥汙染也越來越被重視。數據顯示，近年來我國化肥的使用量上漲了4.5倍，但我國糧食產量僅增長了82.8%，三大糧食作物氮肥、磷肥、鉀肥的利用率僅為33%、24%和42%。我國農作物畝均化肥用量21.9公斤，遠高於世界的平均水平（每畝8公斤），是美國的2.6倍，歐盟的2.5倍。中國的耕地肥力出現了明顯下降，全國土壤有機質平均不到1%。但是目前在農作物用肥上，依然存在過度施肥和用肥單一、照「老經驗」施肥的情況，不僅犯了經驗主義的錯誤，還加劇了土壤內在結構的不平衡，僅靠增加施用化肥數量來提高作物產量是有限度的。
作物所需要的營養元素主要是依靠土壤中生活的微生物的作用。微生物肥料已經成為植物營養與肥料中的重要組成部分，在提高養分轉化利用率、維護植物健康成長、增產提質和保障可持續生產能力等方面具有不可替代的作用。隨著人民生活水平的不斷提高，尤其是人們對生活質量提高的要求，市場對綠色無公害的食品需求不斷提升。在生產綠色食品的過程中，要求不用或儘量少用或儘量限用化肥、農藥等化學物質。中國三大灌區之一河套平原的農民企業家楊兆麟，流轉了2萬畝土地。只種植了6000畝小麥，其餘種植大豆。種植的大豆在收穫之後，大豆留下的根瘤菌就變成了來年小麥的天然生態肥料，既節約了生產成本，又提升了小麥的品質。2013年，他的小麥麵粉通過了歐盟有機產品認證，同年中南海將它選為國宴用品。現在該品種麵粉是30-260元一公斤，做成麵條更貴，460元一市斤，並且還供不應求，提前3個月訂貨都訂不到。微生物肥料既能保護和促進農作物生長和提高品質，又不會產生和積累有害物質，符合綠色食品和綠色農業的發展要求，也是推動農業供給側改革、深化種植結構調整及提高資源要素的使用效率的應有之義。
目前，我國基本形成了微生物肥料產業，全國約有500個企業，年產量達到400萬噸，微生物肥料己逐漸成為肥料家族中的重要成員，獲得農業部臨時登記證的產品近500個，其中已有200多個產品轉為正式登記。在農業部登記的產品種類有12個，包括固氮菌劑、矽酸鹽菌劑、溶磷菌劑、光合菌劑、有機物料腐熟劑、複合菌劑、微生物產氣劑、農藥殘留降解菌劑、水體淨化菌劑和土壤生物改良劑（或稱生物修復劑）、複合生物肥和生物有機肥類產品。微生物肥料使用菌種種類不斷擴大，所使用的菌種早已不限於根瘤菌，即使是根瘤菌種類也達10多種。其他的諸如各種自生、聯合固氮微生物，纖維素分解菌，PGPR菌株等，據統計，目前使用的菌種已達100多種。微生物肥料的應用效果不僅表現在產量增加上，而且表現在產品品質的改善、減少化肥的使用、降低病蟲害的發生、保護農田生態環境等方面，應用面積不斷擴大，累計達2000多萬公頃。
2.微生物飼料
健康動物腸道內生長著各種各樣的微生物群落，各種微生物群落之間相互依存、相互制約，構成畜禽腸道內微生態系統的平衡，建立一個正常且平衡良好的腸道微生物區系對抵禦病原性微生物感染具有十分重要的意義。多年來，禽畜飼養中所用的飼料中，長期添加化學促長劑和抗生素藥品，形成對禽畜體內的有益細菌大量損害，給禽畜體內的病毒細菌造成了大量的繁殖空間，迫使禽畜免疫力下降，進而又使得消費者對禽畜抱有恐懼感。不間斷地在配合飼料中添加抗生素等化學物質，如此形成了惡性循環，進一步導致禽畜免疫力下降。飼料原材料價格居高不下，飼料價格隨之節節攀升，飼料轉化率低等因素使得養殖戶利潤得不到保障。
微生物飼料包括青貯飼料、糖化發酵飼料、單細胞蛋白和胺基酸添加劑飼料等。大量的研究結果表明，微生物飼料添加劑作為一種「綠色」添加劑，在促進動物生長發育，提高免疫力、防病治病，改善飼料適口性和轉化率等方面具有顯著效果。通過微生物技術，飼料發酵劑發酵之後可以轉化為動物愛吃的飼料，不僅保護了環境，還節省了飼料，這樣一舉兩得。該技術的最大功績在於，它可以逐漸替代農用化學物質，取代激素和抗生素，生產出綠色食品。
中國農業大學農業部飼料工業中心成功開發出了一種生產工藝簡單、使用效果顯著的微生物發酵濃縮飼料，生產成本在每噸3000元左右。在生長育肥豬配合飼料中添加15%-20%的發酵濃縮飼料就可以實現從20公斤到出欄的全程無抗生素飼養。經過北京地區6個豬場的飼養試驗證明，在飼料成本相同的情況下，每頭豬可以節省飼養成本20-38元，經濟效益極其顯著。目前北京地區已經有20多家規模化豬場使用本產品，生豬總存欄數超過3萬頭。經國家抗生素殘留權威檢測部門分析，通過飼用該產品獲得的豬肉中抗生素的殘留量極低，遠遠低於歐盟安全肉中抗生素殘留的限量要求。
國內微生物飼料添加劑產業仍處於起步階段，從事活性微生物飼料添加劑開發應用的企業大約有400家，獲得農業部生產批文的約有140家。國內微生物飼料添加劑年銷售額大約在20億人民幣，銷售額在1億元以上的不足5家，產品年銷售額在3000萬元以上的不過幾十家，大多數企業的年銷售額在1000萬元以下。根據目前國內飼料年生產總量和豬、禽、反芻和水產動物的養殖總量來計算，國內微生物飼料添加劑的市場容量在180億元至200億元之間，目前市場推廣普及率約為10%，市場空間極大，產業發展前景十分廣闊。
3.微生物能源
能源是人類社會進步與經濟發展的重要物質基礎。近年來的能源危機和環境惡化引起世界各國的高度重視，生物能源作為石油的替代能源已成為眾多國家能源發展的必然趨勢。自生物能源出現以來，微生物就與之產生了千絲萬縷的聯繫，無論是生物乙醇、生物柴油還是生物制氫，微生物都是生物反應的參與者。而該項研究為實現能源的可再生提供了又一種新的可能——微生物可直接合成燃料分子。
人們對生物能源並不陌生，早在19世紀，就出現了現代生物能源乙醇。1902年，Deutz可燃氣發動機工廠特意將1/3的重型機車利用純乙醇作為燃料，隨後的1925年至1945年間，乙醇被加入到汽油裡作為抗暴劑。可以說安全、清潔是乙醇的主要優勢。隨著現代技術的發展，利用微生物對生物質加工製備生產生物能源已成為開發可再生能源的主要方向之一。例如，巴西用乙醇產生菌生產的乙醇1990年已達到1.6×107立方米，足夠供應200萬輛汽車的驅動能源之需要。2012年，美國加利福尼亞州一家公司生產出基因改良的細菌，能夠從3公斤幹海藻中生產出1公斤乙醇。為了不影響糧食產量，纖維素乙醇應運而生，並迅速成為研究熱點。2000年以後，以藻類燃料為代表的生物柴油一度受到了格外的關注，也成為第三代生物能源的代表。
歐盟委員會積極推進生物燃料發展，制定了2015年生物燃料佔運輸燃料消費總量8%的目標。2011年8月16日，美國白宮宣布推出一項總額為5.1億美元的計劃，由農業部、能源部和海軍共同投資推動美國生物燃料產業的發展，此外美國還通過法律手段強制在運輸燃料中添加生物燃料，具體比例是柴油中添加2%的生物柴油，汽油中添加5%的燃料乙醇。英國政府從2006年起要求生產運輸燃油的能源企業必須有3%的原料來自可再生資源，並且比例將逐年提高。據國際能源機構（IEA）的數據，2010年全球生物燃料日產量為182.2萬桶，2011年降至181.9萬桶。
受工業經濟迅猛發展和中產階級膨脹推動，中國能源消耗費已經佔全球能源消費的21%。儘管中國大力投資可再生能源，煤炭仍是我國最主要的能源。中國工業佔GDP將近50%，使用了近70%的能源。中國近50%的原油依靠進口，能源安全和外交政策受到重大影響。石油進口主要來自中東，但安哥拉日益成為主要進口國。天然氣在中國能源構成中佔比很小，但2007年中國成為天然氣淨進口國。按照目前以煤炭為主導的能源結構，2020年我國將面臨至少10億噸標準煤的能源缺口。而根據中國工程院的研究，2050年我國人均裝機容量要達到美國2002年的人均裝機容量的一半水平，就得需要電力裝機24億千瓦，而常規能源發電即使發揮到最大能力也只能提供17億千瓦的裝機容量，距24億千瓦至少有30%的缺口。我國水電開發潛能巨大，但也容易導致生態鏈的斷裂。美國現階段正在逐步開展拆壩運動，也正是嘗試恢復大壩周邊地區生態系統。在中國四大家魚產地之一的湖北省，長江大壩沒築之前，每年的魚苗產量200億尾；築了之後，每年的產量2億尾，產能下降99%。中國政府一直大力投資可再生能源，竭力降低對煤炭的依賴。2011年中國成為可再生能源規模最大的國家，裝機容量達到133吉瓦，美國只有94吉瓦。
4.微生物食品
微生物都是核酸和蛋白質的實體，大多是單細胞，用發酵法生產這些單細胞微生物就可以得到極為豐富的單細胞蛋白。微生物的繁殖速度驚人，一頭體重500公斤的牛，每天只能合成0.5千克的蛋白質。而500千克的活菌體，只要有合適的條件，在24小時內能夠生產1250千克的單細胞蛋白質。單細胞微生物製造出來的蛋白質可以製造人造肉、人造魚、人造麵粉等食品。發酵食品是人類巧妙地利用有益微生物加工製造的一類食品，具有獨特的風味，豐富了我們的飲食生活，如酸奶、乾酪、酒釀、泡菜、醬油、食醋、豆豉、乳腐、黃酒、啤酒、葡萄酒，甚至還可包括臭豆腐和臭冬瓜，這些都是頗具魅力而長期為人們喜愛的食品。現在中國的食用菌產業已經成為農業產業中的第五大產業，產量超過了3280萬噸，產值超過了2400萬元。其中藥用菌佔有重要的份額。僅靈芝一項，2015年的淨出口量超過了20個億。中國的食用菌產業在供給側改革，國民經濟進入新常態，特別是在2015年開始的精準扶貧中，食用菌產業都發揮著不可替代的作用。正是因為食用菌具有不與人爭糧，不與糧爭地，不與地爭肥，不與農爭時，不與農產品爭市場，不與其他爭資源的優勢，發揮著推進循環經濟的不可替代的作用。在供給側改革中，產業結構的調整，很多地方都把食藥用菌作為首選。在精準扶貧中，很多省區都把食藥用菌，特別是藥用菌的栽培作為脫貧致富的重要選擇之一。因此，我們全國的藥用菌產業的企業家、科學家，特別是戰鬥在第一線的工作人員，都有著重要的歷史責任。當前，食藥用菌產業面臨著很多問題，亟待解決。譬如，我們的品種，我們的規模化栽培，我們的深加工。還有市場如何創新、如何規範、如何發展亟待解決的問題。
5.微生物藥物
人類認識微生物的歷史源遠流長，但有目的地從微生物次級代謝產物中發現新藥的歷史，至今不到70年。法國微生物學家路易?巴斯德曾經嘗試將狂犬患者的唾液注射到兔子體中，並進一步從中提取和製成可供免疫用的弱化疫苗，1885年在一個9歲的患狂犬病的孩子身上試用，獲得成功。這一研究成果當時被譽為「科學紀錄中最傑出的一項」，開創了藥物微生物技術的新時代。英國細菌學家亞歷大?弗萊明，首先發現青黴素。後英國病理學家弗勞雷、德國生物化學家錢恩進一步研究改進，並成功地用於醫治人的疾病。青黴素的發現，是人類找到了一種具有強大殺菌作用的藥物，結束了傳染病幾乎無法治療的時代；從此出現了尋找抗菌素新藥的高潮，人類進入了合成新藥的新時代。微生物製藥技術作為一項新興的技術，在世界各國衛生醫療、環境保護等領域已經取得了卓越的成績。歐美日等國已不同程度地制定了今後幾十年內用生物過程取代化學過程的戰略計劃，可以看出工業微生物技術在未來社會發展過程中的重要地位。如胰島素、胺基酸、牛痘等微生物製藥技術成熟發展的產物。有關報導稱，武漢大學生命科學研究所已成功將人的基因移植到水稻，進而從稻穀中提取過去只能從人的血液中才能提取的人體血清白蛋白，一畝水稻可提取2公斤。該技術一旦面市，將像人工合成胰島素一樣，大大提升人的健康水平。胰島素過去只能從牛或豬身上提取，一頭牛或豬只夠一個糖尿病人一周的用藥。人工合成技術成功後，完全滿足了市場需求。我們目前人體血清白蛋白缺口甚大，年需求量為110-120噸，缺口高達60-80噸，該項技術將徹底結束供不應求的局面。
農藥的殘留是一個惡性循環。農作物用了農藥之後，人吃了種子產生抗藥性，根莖葉餵了牲畜，牲畜的糞便留流到土壤裡面，使土壤裡面含有農藥殘留，再種莊稼，還有農藥。動物的肉，人吃了，同樣在人體裡面殘留，帶來一個惡性循環。人和動物的抗藥性越來越強。中國每年生產的抗生素是21萬噸，人均消費138克，美國是13克，我們是人家的10倍還多。在以高產為唯一目的農業生產中過量使用化學農藥，是造成當前農業生態環境日趨惡化以及農業生產效率低下的一個重要因素。特別是在進入WTO以後我國農業還面對日趨激烈的國際競爭，綠色農業逐漸引起人們的重視，生物農藥的研究和應用在新世紀之初迎來前所未有的歷史機遇和技術挑戰，產業發展前景十分廣闊。
微生物農藥包括農用抗生素和活體微生物農藥。利用微生物或其代謝產物來防治危害農作物的病、蟲、草、鼠害及促進作物生長，包括以菌治蟲、以菌治菌、以菌除草等。這類農藥具有選擇性強，對人、畜、農作物和自然環境安全，不傷害天敵，不易產生抗性等特點。隨著人們對環境保護越來越高的要求，微生物農藥無疑是今後農藥的發展方向之一。目前，我國生物農藥類型包括微生物農藥、農用抗生素、植物源農藥、生物化學農藥和天敵昆蟲農藥、植物生長調節劑類農藥等6大類型，已有多個生物農藥產品獲得廣泛應用，其中包括井岡黴素、蘇雲金桿菌、赤黴素、阿維菌素、春雷黴素、白僵菌、綠僵菌。雖然我國微生物農藥產業有了一定的發展，但市場空間極大，產業發展前景仍然十分廣闊。截至2015年12月31日，全國農藥生產企業2232家，抗生素農藥生產廠家709家，其他生物農藥生產廠家428家；農藥進出口首現「雙降」。生物農藥前景好，但目前仍有難題需要破解。我國生物農藥企業存在著企業規模小、競爭力弱、自主創新能力弱、技術裝備水平低、產品結構單一、難以滿足系統解決方案的需求、銷售渠道不通暢、資金緊張等痛點，而農民應用生物農藥的意識淡薄，對生物農藥缺乏信心、懷疑效果。
6.微生物清潔劑
據2015年《全國土壤汙染狀況調查公報》顯示，我國至少有近3000萬公頃的受汙染土地，其中嚴重土壤汙染區高達320個，佔地約538萬公頃。此外，鎘、汞、鉛等重金屬含量也嚴重超標，尤其是鎘汙染，在全國範圍內普遍增加，在西南地區和沿海地區增幅一度超過50%，情況不容樂觀。水汙染則更嚴重，據有關方面調查，我國只有3%的城市水源基本清潔，97%的城市水源受到汙染，其中嚴重汙染的佔64%，有專家研究，有效治理深層汙染需要上千年的時間。鄉村田野流淌的大小河溝，汙染程度更是觸目驚心，臭氣燻天、魚蝦絕跡的現象為數不少。有關研究認為，我國目前廢水排放量已成為世界之最，每天廢水排放量比美國、俄羅斯、德國、印尼、泰國、法國、烏克蘭、越南和義大利九個國家的總和還多。中國60萬個行政村每年生產90億噸汙水、2.8億噸垃圾，基本處於「汙水靠蒸發，垃圾靠風化」狀態。每年年產1.5億噸的城市垃圾中，被丟棄的「可再生資源」價值高達250億元！北京市現日產垃圾13000噸，全年生產495萬噸，而且每年將以8% 的速度遞增。有外國人諷刺中國說，中國人死了，拍扁了掛牆上就是一張完整的化學元素周期表，吃的、喝的、呼吸的什么元素都有，一樣不缺。
有關資料統計表明，截止到2016年，國際上啟動了9個環境微生物組相關的研究計劃。20世紀初，中國科學院有關專家開始推動「微生物地球」研究計劃。最早利用微生物作為清潔劑的運用主要是在處理生活垃圾上。經過微生物的發酵，將作為燃料的碳、氫和作為植物營養元素的N、P、K等分離開，製成沼氣。隨著工農業生產的發展，有機殘體及廢棄物不斷增加，對環境造成嚴重汙染，給生產生活帶來不良後果。以沼氣為紐帶可促進物質和能量在系統內部有多重循環利用。如我國北方開發的「四位一體」高效種養結合發展模式，即太陽能溫室→沼氣池→豬圈→廁所和南方的「豬圈→沼氣池→果園」模式，可使一切有機殘體和廢棄物無害化和資源化，是一條適合我國國情的農村發展之路。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell， MFC）可以將汙水作為底物進行發電，將其中蘊含的能量回收，可解決汙水處理廠的電耗問題。MFC既可用於處理廢水有機物，也可用於廢水脫氮除硫，甚至可用於處理難降解有毒化合物。利用遺傳工程讓大腸桿菌具備分解塑膠廢液的功能。利用農業廢棄的秸稈、枝葉等生物質轉化成生物能源，纖維素中的糖和玉米澱粉中含有的葡萄糖一樣，可以用傳統的酵母發酵成乙醇。纖維素存在於幾乎所有的植物生命體中，用纖維素獲取乙醇不但無須擔心原料來源，還能解決農作物廢料燃燒汙染空氣的問題。
來源：中國發展觀察雜誌