2025年基础化工行业专题报告：生物固氮技术重塑现代农业氮循环体系

一. 合成生物学—重构农业生产的底层技术范式

1. 合成生物学：多学科交叉构建高技术壁垒

合成生物学是多学科交叉领域，技术壁垒高筑。合成生物学作为先进生产力的典型代表， 是生物学、化学、工程学、数学以及信息科学深度交叉融合的新兴领域，对合成生物学 企业提出较高的技术要求，构建较高的技术壁垒。其核心理念在于把复杂的生物系统视 为可设计、可组装的模块，如同搭建精密的机械模型一般，在基因、代谢途径和细胞网 络等层面系统地对生物系统进行设计、构建和测试，从而为人类提供具有实用价值的新 型生物系统和产品。

合成生物学的多学科融合特性，无疑对相关企业的研发能力提出了极高的要求，其核心 的技术壁垒体现在三个维度： 1）基因元件标准化：需建立标准化生物元件库（如 Promoter/RBS 数据库）； 2）代谢通路优化：涉及基因组尺度代谢模型（GEM）的动态平衡调控； 3）规模化生产转换：实验室成果向工业发酵的线性放大存在非线性损耗。 理性设计和改造筛选微生物细胞工厂是合成生物学技术的核心难点。合成生物学包括前 端的设计组装、中端的改造筛选和后端的发酵生产，前、中端构建微生物细胞工厂是合 成生物学技术的最大难点。根据华恒生物 2022 年度向特定对象发行 A 股股票证券募集 说明书，在合成生物学的基础上，研发人员可以利用基因合成、基因编辑、途径组装与 优化、细胞全局优化等技术，创建全新的细胞工厂，突破原有生物系统的限制，创造出 更加符合产业化的新型生物系统，加速科技成果的工业化进程。

通过 DBTL 循环（Design-Build-Test-Learn）实现对微生物细胞工厂的高度控制和优 化。根据《The second decade of synthetic biology: 2010-2020》，由于当前的基因工程、 代谢工程等生物技术水平受限，我们难以做到对目标生物系统的理性设计，仍需要包含 设计（Design）、构建（Build）、测试（Test）和学习（Learn）四个主要步骤的 DBTL 循 环多次迭代来逐步修正和优化微生物细胞工厂。

2. 合成生物学市场进入加速扩张期，下游应用多元增长

全球合成生物学市场或将进入发展快车道。据 CB Insights 数据，2019 年全球生物学市 场规模达到了53 亿美元，预计到2024 年将达到189 亿美元，年复合增长率约为28.8%。 根据 Data Bridge Market Research 分析数据显示，2020-2027 年，合成生物学市场规模 将持续上扬，2027 年预计达 302.8 亿美元，年复合增长率约 23.63%。 2020 年 6 月，全球管理咨询公司 Mc-Kinsey 发布的报告《The Bio Revolution》，明确指 出“未来 60%的工业产品都可以通过生物技术进行制造，在未来 10-20 年内 4 万亿美元的经济价值将由合成生物主导。”世界经合组织（OECD）预测，至 2030 年，将有 35% 的化学品和其它工业产品来自生物制造，生物制造在生物经济中的贡献率将达到 39%， 且生物基产品将取代 25%的有机化学品和 20%的化石燃料，基于可再生资源的生物经 济形态终将形成1。我们认为伴随全球生物技术和信息科学技术的快速发展与迭代，全球 合成生物学市场或将在未来 5 至 10 年内有望实现倍数级增长。 合成生物学下游应用场景丰富，多个细分领域增速较快。在食品和饮料、农业、消费品 及工业化学品等细分市场，合成生物学发展势头迅猛、未来潜力十足。合成生物学在医 疗健康领域的市场规模占比最大，根据 CB Insights，2024 年合成生物在全球医疗健康 领域应用的市场规模预计约50.22 亿美元、占比约26%，2019-2024 年复合增速约18.9%。 在食品和饮料、农业领域，由于现有市场基数低，预计其市场规模的年复合增长率超 64%。

3. 合成生物学：传统生产变革的新引擎，具有颠覆性的创新能力

合成生物学可助力达成碳中和目标，有望在传统工业转型升级中成为核心驱动力之一。 在全球气候变化日益严峻的当下，碳中和已成为国际社会共同瞩目的核心议题。传统生 产方式深陷能源消耗高、碳排放量大的困境。参考中国能源报数据，工业革命前大气二 氧化碳浓度仅约 280ppm，但随着工业革命的推进，化石燃料的大量使用致使二氧化碳 排放量急剧增长。美国国家航空航天局（NASA）数据表明，2021 年全球大气二氧化碳 浓度平均值已攀升至 414ppm。 为达成碳中和目标，许多国家都在积极推进清洁生产战略，要求企业全面改进生产工艺、 提高资源利用率、有效降低能源消耗。在这样的发展背景下，高耗能、高污染的传统产 业转型升级迫在眉睫，这无疑为合成生物学提供了良好的发展契机。 根据华恒生物招股说明书，与传统化工制造相比，以合成生物学为核心的生物制造具备 显著的绿色优势。生物制造通常采用可再生生物资源作为原料，能够彻底摆脱对石油资 源的依赖，同时大幅削减二氧化碳、废水等污染物的排放。根据世界自然基金会（WWF） 预估，到 2030 年生物制造技术每年可减少 10 亿吨至 25 亿吨二氧化碳排放。我们认为， 这一数据直观地体现出合成生物学在助力实现碳中和目标、推动绿色可持续发展进程中 的显著优势与巨大潜力，有望成为引领未来产业变革的重要驱动力，重塑多个行业的发 展格局。

合成生物学既可以作为传统生产方式的补充，也具有颠覆性的创新能力。合成生物学技 术可以实现高选择性、高效率、可定制化、大规模化的工业生产，生产过程具有高效、 清洁、可再生等特点，与全球大力倡导的碳中和理念高度契合，不仅能够在现有框架下 对传统生产方式予以补充完善，更蕴含着颠覆式创新的强大能量。 随着技术的不断迭代与应用场景的持续拓展，合成生物学技术有望逐步全面赋能传统行 业，补充甚至颠覆传统生产方式，引领产业迈向全新的发展阶段2。欧洲《工业生物技术 2025 远景规划》就已提出要向生物技术型社会转变，力争于 2025 年实现生物基化学品 替代传统化学品 10%-20%，其中化工原料替代 6%-12%，精细化学品替代比例更是高 达 30%～60%。根据《华恒生物：2022 年度向特定对象发行 A 股股票证券募集说明书》， 到 2040-2050 年，直接应用合成生物学可以将年平均人为温室气体排放量在 2018 年排 放水平基础上减少 7%至 9%。我们认为，合成生物技术对于我国碳达峰、碳中和目标的 实现以及未来社会经济发展具有革命性的意义。

与传统的化学合成法相比，合成生物制造具备环境友好、资源高效利用、高选择性、成 本更低、产品多样性和可定制性等多方面的优势： （1） 节能减排，绿色生产：合成生物制造利用生物体内的酶催化反应进行生产，这使 得生产过程能够在相对温和的温度和压力条件下进行，从而有效降低了能源消耗 与环境污染。以生物降解塑料聚乳酸（PLA）的发酵生产为例，相较于石油化工 生产工艺，具备原材料可再生；整个材料生命周期实现零碳循环；其在生产过程 中产生的温室气体排放和有毒物质排放会显著减少。

（2）资源高效利用：合成生物制造能够将废弃物和可再生资源转化为高附加值产品， 实现资源的循环利用与价值最大化。例如，通过改造大肠杆菌，可以实现废弃植物纤维 素的转化为生物燃料乙醇，提高资源利用率，降低对化石燃料的依赖，为可持续能源发 展开辟新路径。

（3）高选择性催化，提升产品品质：生物体内的酶催化反应具有极高的选择性，这使 得合成生物制造能够有效避免传统化学合成过程中常见的副产物生成问题。在药物生产 领域，通过微生物发酵法生产抗生素，可以实现高选择性、高纯度的药物生产，极大地 减少了化学合成过程中可能产生的副产物和不良反应，为患者提供更安全、有效的药物。

（4）成本优势：借助生物体内的催化剂和基因工程技术，合成生物技术在部分领域展 现出突出的成本优势。一方面，合成生物技术能够提高产量；另一方面，其对能源、原 料和处理副产物的要求相对较低，从而有效降低了生产成本。以多肽合成技术为例，根 据发酵工业网，瑞德林通过以酶催化为代表的新一代生物合成技术，可以将蓝铜肽的生 产成本降低 50%以上。此外，通过改造微生物如酵母或藻类生产的生物柴油，与传统石油提炼过程相比，也具有一定的成本优势。

（5）产品定制化、多元化：合成生物制造具有强大的产品设计能力，能够满足不同领 域的多样需求。例如，通过基因编辑技术 CRISPR/Cas9，可以定制微生物以生产特定的 生物活性肽，如抗菌肽、肿瘤抑制肽等3，为医疗、农业等领域提供更多创新解决方案。 在食品饮料行业，通过基因工程改造酿酒酵母，能够生产出不同口味、风格的啤酒，满 足消费者日益丰富的个性化需求。

4. 合成生物技术赋能农业领域

合成生物学技术的本质是科技革命带来的生产方式的变革，合成生物学对传统生产方式 带来补充或颠覆，赋能传统行业。我们认为合成生物学与传统行业不是对立关系，更多 是通过和传统行业结合，在特定的应用场景下才得以体现其优势，实现低碳生产方式， 赋能传统行业，提升社会整体劳动生产率，带来新的创新和成长机遇。合成生物技术的 成果可应用于医疗健康、能源开发、环境保护以及工业制造等众多领域，赋能传统行业， 为解决人类面临的诸多挑战提供了创新的解决方案。 合成生物学赋能现代农业，为现代农业发展注入新活力，助力解决粮食危机。合成生物 学与现代农业结合，通过技术赋能，可解决现代农业存在的行业痛点，提高劳动生产率， 为全球粮食安全与食品安全做出重要贡献。 在全球人口持续增长、气候变化影响加剧、以及部分地区局势动荡的多重背景下，粮食 安全问题已成为全人类面临的严峻挑战。联合国粮农组织在《世界粮食安全和营养状况》 报告中指出，2021 年全球约有 23 亿人处于中度或重度粮食不安全状态。与此同时，耕 地资源的开发与增长受限，迫切需要一种快速且可持续的方式，来提升农业生产效率与 质量。 在此关键时刻，新兴的合成生物学在作物育种、固氮改进、以及农业中微生物的改造与运用等农业领域应用中展现出强大的潜力，为解决粮食危机提供了新的思路与方法。

1） 基因编辑：精准改良农作物特性

基因编辑技术是合成生物学在农业领域的重要应用之一，当前操作最便捷、应用最广泛 的基因编辑工具之一是 CRISPR-Cas 基因编辑技术。在农业领域，CRISPR-Cas 基因编辑 技术的应用涵盖作物抗逆性增强、病虫害防治、微生物菌剂功能强化等方向，推动农业 生产的绿色化和智能化。相较于传统基因编辑技术，CRISPR-Cas 基因编辑技术的核心优 势在于其高效性、精准性和可编程性，已成为农业技术革新的关键驱动力： 在抗逆、抗病虫方面：根据 PR Newswire，美国 Calyxt 公司运用基因编辑技术 CRISPR/Cas9，成功开发出一系列具有优异抗逆性能的作物品种，如抗旱、抗病和抗虫 的大豆、小麦和玉米。这些作物在面对恶劣的自然环境和病虫害侵袭时，能展现出更强 的适应能力，有助于提高农作物的产量，同时减少因病虫害防治而对农药的过度依赖。 根据中国科学院官网，中国科学院华南植物园利用 CRISPR/Cas9 技术成功开发出抗褐飞 虱的水稻品种。褐飞虱是水稻生产中的主要害虫之一，抗褐飞虱水稻品种的培育，为保 障我国及全球水稻生产安全提供了有力支持。 在改善营养价值方面：日本企业 Sanatech Seeds 通过 CRISPR 基因编辑技术，开发出 GABA 水平超普通品种 5 倍的番茄品系4。GABA 具有降低血压、改善情绪等多种健康功 效，这种高 GABA 含量的番茄品系的出现，不仅满足了消费者对更健康食物的需求，也 为农产品的功能化开发开辟了新的方向。 CRISPR 技术正对农业产生深远影响，未来 CRISPR 基因组编辑技术或将会与 AI、活细 胞成像和测序等技术进步相互交织，更多 CRISPR 编辑作物有望批准上市，生产抗病性、 高产量作物以增加全球食物供应和安全性。

2） 生物固氮途径改进：提升氮源利用效率

氮是植物生长所必需的重要营养元素之一，传统农业生产中主要依赖化学氮肥来满足农 作物对氮的需求。然而，化学氮肥的大量使用不仅会导致土壤质量下降、水体污染等环 境问题，还会增加农业生产成本。合成生物学在改进生物固氮途径方面的研究，为解决 这一问题提供了新的途径。 根据 Pivot Bio 官网，Pivot Bio 公司通过基因编辑技术对野生固氮菌进行改造，成功提升 了其固氮效率。该公司利用固氮菌能够转化空气中氮气和植物代谢产物为生长所需营养 物质的特性，将其开发成新型生物肥料。以其产品 PROVEN 氮肥为例，其中含有的微生 物能够在玉米根际定殖，与玉米形成共生关系进行固氮，为玉米生长提供充足的氮素营 养。与传统化学肥料相比，这种生物肥料不仅提高了氮源的利用效率、降低了农业生产 成本，还能够减少温室气体的排放，降低对环境的污染，有助于实现农业生产的碳中和 目标。 根据富邦科技 2024 半年报，公司通过与中国农业大学、华中农业大学、国家生物农药 工程技术研究中心等机构合作，推动了合成生物学技术在禾本科作物固氮、抗逆基因挖 掘、微生物菌剂强化等领域的应用。富邦科技与中国农业大学陈三凤教授团队合作，在 具有优良固氮性能的多粘类芽孢杆菌基础上对其进行遗传改造，强化固氮酶活性，提升 了菌株的田间固氮效率。 根据世界农化网，Azotic Technologies 基于专利的固氮醋酸杆菌，开发出旗舰产品 Envita®液态固氮生物制剂，通过沟施或叶面喷施，与植物建立共生关系，使固氮菌在 整个生长期内在植物细胞内固定氮素，减少对化学氮肥的依赖，助力农业可持续发展。

3） 驱动生物农药发展：迈向绿色农业

在农业生产中，农药的使用对于防治病虫害、保障农作物产量起着至关重要的作用。然 而，传统化学农药的大量使用也带来了一系列环境和健康问题。合成生物学的发展为生 物农药的研发和创新提供了强大的技术支持，推动其快速发展。 AgBiTech 公司开发出一系列基于合成生物学的生物农药，包括基于杆状病毒的生物杀虫 剂和基于细菌的生物杀菌剂等。这些生物农药具有高效、低毒和环保的特点，能够精准 地针对特定的病虫害进行防治，同时减少对非靶标生物的影响。与传统化学农药相比， 生物农药在使用过程中不会对土壤、水体和空气造成污染，有助于保护生态环境，实现 农业的可持续发展。同时，生物农药的低毒特性也降低了对农产品质量安全的风险，保 障了消费者的健康。

合成生物学取代传统生产方式的关键在于成本和效率。合成生物学技术对传统生产方式 进行取代或颠覆需要建立在成本下降、效率提升上。随着未来技术的不断迭代和应用的 深入推广，合成生物技术在农业领域的应用有望发挥出巨大的价值及潜力，引领现代农 业迈向更加绿色、高效、可持续的发展道路。

二. 生物固氮具有良好的经济效益和 ESG 效益，解决化肥使 用带来的痛点

1. 化肥施用对粮食安全至关重要

全球粮食供应安全仍面临挑战。根据联合国发布的《世界粮食安全和营养状况》报告， 2023 年全球有 7.13-7.57 亿人遭受饥饿，23.3 亿人经历中度或严重粮食不安全，非洲仍 面临严重的饥饿问题，并呼吁到 2030 年实现消除饥饿的目标。 此外，根据联合国发布的《世界人口展望 2022》报告，预计到 2030 年全球人口将增长 至 85 亿左右，2050 年达到 97 亿，21 世纪 80 年代达到约 104 亿的峰值，并保持这个 水平到 2100 年；随着人口增长，玉米、小麦等主要粮食作物的需求也将随之增长，全 球粮食安全和营养将面临更严峻的挑战。 国务院在《新一轮千亿斤粮食产能提升行动方案》指出：2030 年实现新增粮食产能千亿 斤以上；在严格保护耕地的基础上，粮食播种面积稳定在 17.5 亿亩左右、谷物面积 14.5 亿亩左右；粮食单产水平达到每亩 420 公斤左右，对于总耕种面积和粮食单产水平均提 出了更高要求。

化肥施用对作物的品质及亩产提升至关重要。化肥能为作物提供氮、磷、钾等多种生长 必需元素，增强作物抗逆性，是提高作物产量的关键因素。氮肥可促进作物叶片生长，增强光合作用，提高蛋白质含量；磷肥可加速细胞分裂，促使根系和地上部加快生长， 利于花芽分化、果实早熟并提升品质；钾肥能提高光合作用强度，增强作物抗病抗逆能 力。 全球主要粮食的种植效率不断提升，2005-2024 年间全球玉米单产整体呈现明显的上涨 趋势，这主要是受到化肥施用、种子优化及农业机械化种植的推动，其中化肥的大量施 用在提升粮食作物的增产效应和养分效率方面发挥了关键作用。根据世界农化网，全球 每年化肥农用消费量在 2 亿吨（纯养分量）左右，根据联合国粮农组织（FAO）的统计， 化肥对全球粮食增产的贡献率在 50%-60%之间。根据世界农化网，在中国，三大粮食 作物（水稻、小麦和玉米）的氮肥增产率分别为 28.4%、30.9%和 26.4%。我们认为， 化肥的施用对提升粮食产量和农业生产效率至关重要，是实现全球粮食安全保障的关键 手段之一，但传统化肥的过量施用又会带来一系列问题。

哈伯法固氮技术推动氮肥应用，但带来了高能耗及环境污染问题。哈伯法固氮是指将氮 气和氢气在高温、高压（约 200 个大气压）以及铁催化剂的作用下合成氨（NH₃），该技 术为氮肥的生产提供了关键基础。自哈伯法固氮技术诞生以来，合成氮肥已成为现代农 业不可或缺的物资保障，极大地推动了粮食产量的提升，对世界粮食安全贡献巨大。

然而，哈伯法固氮反应条件苛刻，需要消耗大量化石燃料来维持高温高压环境，能源利 用效率低下，且会产生较大的二氧化碳排放。此外，传统化肥的养分利用率较低，过量 施肥还可能引发土壤退化和环境污染等问题。因此，如何在保障粮食安全的同时降低化 肥的能耗和环境影响，成为现代农业面临的重要挑战。

2. 化肥过量施用会带来高能耗及环境污染问题

化肥过量使用带来了能耗及污染问题，绿色农业发展有望加速固氮产品对氮肥的替代。 近年来我国化肥用量迅速增加，总消费量已经居于世界前列，然而，合成化肥的过量施 用带来了较高的能耗，以及土壤板结、大气氮沉降、水质污染等多种环境问题。因此我 国相继出台了一系列的指导方针来推动化肥减量增效：根据国家发改委官网，2015 年农 业农村部出台了《到 2020 年化肥使用零增长行动方案》，2021 年全国农用化肥施用量 5191 万吨（折纯）、比 2015 年减少了 13.8%；2022 年又出台了《到 2025 年化肥减量 化行动方案》，着力减少化肥用量，提高有机肥资源还田量、测土配方施肥覆盖率以及化 肥利用率（“一减三提”），并制定了水稻、小麦、玉米、油菜等作物氮肥定额用量。

2015 年以来，中国化肥产量也相应下行，根据国家统计局数据，2023 年国内化肥产量 约 5713.6 万吨，较 2015 年下跌 23.12%，近几年氮肥、磷肥、钾肥和复合肥等传统化 肥行业发展速度有放缓趋势。因此，我们认为固氮产品用作氮肥的替代品，在保障粮食 供应安全的同时，也有利于实现化肥减量的目标，缓解能耗及环境污染的压力，在农业绿色发展的大趋势下有望占据重要位置。

3. 生物固氮具有良好的经济效益和 ESG 效益，解决化肥使用带来的痛点

禾本科固氮产品替代氮肥，可以缓解传统化肥对环境的负面影响，并降低氮肥生产带来 高能耗。禾本科固氮作为生物农业的新领域，具有较大的市场潜力和发展前景，其对于 氮肥的替代，一方面可以有效缓解过量施用化肥带来的土壤问题，以及土壤氧化亚氮排 放导致的温室效应加剧（全球约 2.5%的温室气体排放源于合成氮肥5），据富邦科技 2024 半年报，禾本科作物每年所需氮肥（折合尿素）4400 万吨/年，排放二氧化碳 2200 万吨 /年，固氮菌产品可替代至少 15%的氮肥，减少二氧化碳排放量 330 万吨/年；此外，过 量施用的氮肥经淋溶作用进入地下水，会导致地下水硝酸盐含量逐年上升，而固氮菌的 替代施用，也能有效减少化学氮肥过量施用造成的水体污染。另一方面还可以减少生产 尿素带来的高能耗问题，根据我们的测算，每年 6000-7000 万吨的尿素产量需要消耗煤 炭约 0.96-1.12 亿吨的煤炭（以煤质尿素占比 80%计算），而生物固氮产品的替代可以有 效降低这一能耗。

人均耕地面积减少，粮食生产效率要求提升，利好固氮产品提升市场份额。随着世界人 口的不断增多，粮食需求与日剧增。根据经济合作与发展组织数据显示，2022 年世界人 口已达 79.75 亿人，预计 2030 年世界人口将达 85.46 亿人。玉米、小麦等主要粮食作 物的消费量也将随着人口的增长而增长，根据经济合作与发展组织数据显示，2030 年全 球玉米、小麦消费量分别增长至 13.93、8.71 亿吨。 与此同时，城市化进程的加快也在推动着人均耕地面积的减少，以中国、美国、印度等 人口大国为例，根据国家统计局数据显示，2011-2023 年中国、美国、印度人均耕地面 积分别由 0.09、0.50、0.12 公顷/人下降至 0.088、0.471、0.107 公顷/人。人均耕地的 减少对单位土地的产出提出了更高的要求，然而化肥的过量使用又会带来能耗和环境污 染的问题，因此固氮产品等可替代传统化肥实现农业生产效率提升的高效、绿色产品有 望在未来扮演更重要的角色、占据更大的市场份额。

此外，全球有机农业用地显著增长，助推固氮杆菌需求量提升。根据世界有机农业统计 数据，2022 年，全球有机农业用地接近 9640 万公顷，其中大洋洲以 5320 万公顷的面 积占据全球有机农业用地的 55%，欧洲则以 1850 万公顷占据 19%，拉丁美洲、亚洲、北美洲和非洲有机农业用地分别占比 10%、9.2%、3.8%、2.8%。这一趋势反映了有机 农业在全球范围内的扩张。由于有机农业禁止使用化学合成肥料，并对土壤微生物和有 机质有较高要求，固氮杆菌作为生物肥料的关键组成部分，符合有机农业的要求，其未 来的市场需求可期。

三. 全球固氮菌行业发展仍处产业化初期，未来可期

1. 合成生物技术构建人工高效固氮系统，有望重塑农业固氮格局生物

基于合成生物学的功能微生物在种植业生产中具有多元化应用。合成生物学可以改造现 有的有益菌株，或是直接构建全新的微生物，为促进植物生长增添多种新可能。目前， 基于合成生物学开发的菌株在农业的应用涵盖了监测病原体、土壤监测与修复、促进植 物生长等，其中促进植物生长的一个重要途径就是利用固氮微生物菌剂。

生物固氮是氮循环的重要途径。空气中游离态的氮气约占空气成分的 79%，然而绝大多 数作物不能直接利用大气中“免费”的氮气。生物固氮（biological nitrogen fixation, BNF）是指氮气在固氮菌的参与下被转化为氨的过程。与工业合成氨相比，后者需要在 200 至 500 个大气压、500℃的高温以及催化剂的作用下进行，而生物固氮则能在常温常压下 通过固氮酶实现。全球每年通过生物固氮固定的氮素量高达 2 亿吨，约占全球作物需氮 量的 3/46。生物固氮在自然界中广泛存在，既是作物产量与氮素供应的增强剂，又是化 学氮肥减量和温室气体减排的有效途径，其重要程度不亚于光合作用。

固氮菌生物固氮过程的关键参与者，主要依靠其体内的固氮酶实现，固氮酶由 nifH 基因 编码，通常位于细菌的质粒或染色体上7。固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白组成，只有当这两 种蛋白形成复合物时才具有催化氮还原成氨的能力8。固氮菌的固氮酶活性受到多种因素 的调节，其中铵离子浓度是最重要的影响因素之一9。高浓度的铵离子会抑制固氮酶的活 性，因此增强固氮菌的耐铵能力也是提升其固氮效率的关键之一。

人工生物固氮体系有望颠覆过度依赖化学氮肥的传统农业生产方式，发展前景广阔。生 物固氮通常可以分为自生固氮、共生固氮和联合固氮三种类型，在农业生产中的应用都 面临着一定的限制：共生结瘤固氮体系效率最高，但仅限于豆科植物，应用潜力有限； 根际联合固氮菌虽然广泛分布在非豆科粮食作物根际，但其固氮效率不稳定。

为了在作物生产中实现更加高效、广泛的生物固氮应用，创建人工高效生物固氮体系应 运而生。人工固氮菌通常属于联合固氮型，其既有稳定、高效的固氮效率，又可广泛作 用于多种类型作物根际或体内，为现代农业生产提供了一种节能低碳、生态友好的生物 固氮途径。

2. 定向优化固氮菌株，助力实现农业氮管理革命

合成生物手段能够克服野生固氮菌的天然缺陷。野生固氮菌存在天然缺陷，如宿主范围 窄、固氮活性受环境影响大、田间应用效果不稳定等。而合成生物手段可以克服这些缺 陷，通过模块化设计和优化，构建高效的固氮系统，使其在高浓度氨存在的情况下仍能 保持高固氮活性（耐铵能力），并将固定的氮素及时分泌到体外供给植物（泌铵能力）。 此外，合成生物学还可以通过改造植物，赋予植物更高的氨吸收能力，从而构建高效的 联合固氮体系，实现节肥增产。

人工固氮技术引领绿色农业未来。人工高效固氮体系通过设计创新的固氮抗逆线路、耐 铵泌铵模块、氮高效模块和根际信号模块，可大幅优化生物固氮及作物生长效果： 1. 固氮菌性能和固氮功效大幅提升：人工高效固氮体系可打破自然固氮限制，可以在农 业生产中实现 3-5 倍固氮效率的提升，以及 2-4 倍耐铵泌铵能力的增强（即抗高浓度氨及释放氮素能力提升）10。此外，通过固氮包衣工艺和固氮胶囊工艺的开发，还可进一 步增强固氮产品的稳定性。 2. 氮肥替代：可以减少氮肥用量，缓解环境及能耗问题，助力传统农业的绿色转型升级。 3. 促进植物生长，实现作物的量质双提升：人工固氮菌可改善土壤理化性质、调控微生 物群，从而提供良好的作物生长环境；还可通过固氮、生长激素的产生以及铁载体的释 放促进植物生长、增强抗逆性能，从而实现作物产量及品质的提升。

3. 固氮产品推广应用启航，增产提质出现增效

Pivot Bio: 海外固氮产品的成功范例。美国初创企业 Pivot Bio 通过合成生物学技术开 发固氮产品，首先从土壤中筛选出具有固氮能力的微生物，如 Klebsiella variicola strain 137，然后利用基因编辑技术对其进行改造，使其在高氮浓度环境下仍能持续为作物提 供氮素。改造后的微生物与作物形成共生关系，附着在作物根部，将空气中的氮转化为 植物可吸收的氨，从而减少作物对传统氮肥的依赖。Pivot Bio 将这一技术商业化，推出 了针对玉米的固氮产品 PROVEN® 40，针对小麦、大麦、高粱、燕麦等的固氮产品 RETURN®，为农业提供了一种可持续的氮肥替代方案。

合成生物技术与固氮产品紧密相连，为农业发展带来新契机。以 Pivot Bio 的 PROVEN® 40 产品为例，其在使用中实现了经济效益与环境价值双优。在生态环境方面，生物固氮 产品对传统氮肥的替代，大幅减少了水体污染和温室气体排放；在经济效益方面，与传 统化学肥料相比，经 PROVEN® 40 处理的玉米在保持产量的同时营养吸收也更多（生物 量更高），显著提升了作物的产量和质量。据《Science》杂志 2024 年文章报道，Pivot Bio 设计出的两种土壤微生物菌株已经用于美国全国 3600 万公顷玉米中的约 3%，并且可以 取代约三分之一由化石燃料制成的合成氮肥11。

固氮菌剂具有显著的作物增产提质功效。根据 Pivot Bio 官网，其固氮产品在多个试验中 都呈现了出色的增产效果：在 Precision Planting 的研究中，与标准氮肥施用相比，使用 PROVEN® 40 可减少 45 磅氮肥施用量，同时产量增加 27.7 蒲式耳/英亩（约 116.0kg/ 亩）；在普渡大学的多氮率试验中，经 PROVEN® 40 处理的玉米产量平均增产 6 蒲式耳 /英亩（约 25.11kg/亩）；在宾夕法尼亚州立大学的研究中发现，在不同氮肥施用量且面 临干旱的环境中，PROVEN® 40 仍能使玉米产量提高 22 蒲式耳/英亩（约 92.06 kg/亩）。 PROVEN 40 与 Pivot Bio 专有的碳添加剂结合使用时，处理后的玉米可以将产量平均提 升 11 蒲式耳/英亩（约 46.03kg/亩），可增加额外收入约 12.50 美元/英亩。 此外，根据 Pivot Bio 官网，其在印第安纳州农场的试验中，PROVEN® 40 在玉米根系 质量、茎秆直径以及生长阶段等方面均产生了积极影响，作物的根系更为发达，茎秆直 径增加，生长阶段提前约半个阶段。这说明固氮菌不仅可以补充氮素营养，还对作物的整体生长发育进程产生了有益的调节，有助于增强作物的抗逆性和适应能力，实现量质 双提升。

4. 全球固氮菌行业仍处于产业化发展初期

全球固氮菌行业仍处于产业化发展初期。全球多家企业参与到固氮菌市场的竞争，先正 达、科迪华、拜耳等国际农化巨头凭借其技术研发、全球市场布局和品牌影响力积极布 局市场。美国初创企业 Pivot Bio 在美国大力推广，并取得初步成果，已用于美国全国 3600 万公顷玉米中的约 3%（折算约为 1620 万亩玉米种植面积）。12 国内固氮菌市场同样处于产业化发展初期。国内固氮菌行业发展落后于海外进展，国内 有部分企业致力于固氮菌行业发展和推广，但仍没有达到海外初创企业 Pivot Bio 的应用 程度和场景。国内领先企业主要通过产品创新、本土渠道优势等积极布局，兴播生物制 品、Azotic Technologies、丽豪生物、湖北氮能农业、富邦科技等众多企业在固氮菌相 关技术研发、产品生产与推广方面积极探索。

富邦科技与中国农业大学农业生物技术国家重点实验室的陈三凤教授团队，就“禾本科 固氮菌及综合运用技术”全面开展项目合作。根据富邦科技 2024 年半年报，公司开发 的禾本科固氮类产品已投向市场，目前正通过中国农科院以及各省级农业技术推广中心， 在河南、内蒙、福建、湖北、湖南、四川、新疆、山东、河北、江西、黑龙江、贵州共 12 个省及自治区布置验证示范实验，试验作物涉及小麦、玉米、花生、土豆、水稻、大 豆、棉花、葡萄、柑橘、苹果共 10 种作物，总面积超万亩。 全球生物固氮市场空间巨大。根据 Data Bridge 的数据，预计固氮生物肥料市场到 2028 年将达到 28 亿美元，2021-2028 年的增长率预计达 10.90%。而中国作为世界最大的农 业生产国，拥有庞大的农作物种植面积和潜在需求，生物固氮技术在国内的发展空间巨 大。据我们测算，2024 年全国耕地面积约 19.29 亿亩，固氮产品单位价格按 15 元/亩计算，其潜在的市场空间约 289.35 亿元，随着固氮产品渗透率的不断提升，其国内市场规 模有望持续扩大。

我们认为，目前全球固氮行业处于产品开发和推广的阶段，为产品的导入期，产品技术 存在较大的进步和迭代的空间，下游推广投入不足，下游推广的商业模式仍存在欠缺， 行业整体距离成熟期仍有一定的差距。但随着未来固氮菌行业向规模化、高效化、新型 化方向发展，随着应用作物的种类与作物的种植面积的扩大，行业有望逐步迈入成熟期， 预计全球固氮菌行业有望出现一系列的龙头企业，引领全球固氮菌市场的快速发展。未 来行业或将沿“菌株迭代-区域适配-作物延展”三阶段升级，具备本土化菌种库与发酵 工艺的企业有望突围。 产业链协同打开增值空间，有机农业与碳交易或成第二增长曲线。展望未来，我们认为 生物固氮不仅可以部分替代氮肥，更有望重塑农业投入品价值链：1）上游菌剂发酵成本 随规模扩张有望持续下行（国内大型发酵产线成熟，在成本上或将具备更大优势）；2） 中游产品可与种衣剂、生物农药复配形成综合解决方案（提升产品附加值）；3）下游有 机农业需求提升（2022 年全球有机农地达 9640 万公顷）驱动产品高端化，叠加碳交易 机制（参照 Pivot Bio 通过 N-OVATOR 计划将减氮量转化为碳信用，反哺农户收益），固 氮行业的发展有望迎来持续推动力。

编辑：火腿肠