生物制品——农业技术新革命将最终取代化学农药和化肥？

- 在2400亿美元的作物保护和肥料市场中，农用生物产品（以下简称“生物制品”）将最终取代化学农药和化肥。

- 通过使原生有益生物焕发生机，激活有益生物控制病虫害和杂草的能力，同时增强作物抵抗非生物胁迫（如高温、干旱和气候变化影响）的能力，生物制品将使农业发生革命性的变化。

- 广泛应用生物制品将使所有利益相关方从中受益：消费者将能够享用到更多以可持续方式种植的食物，农民将利用更好的生产方式并获得新的收入来源，而行业将拥有可持续的新型生物制品渠道。

1. 引言

几十年来，不恰当的农业实践和化学农药的使用已耗尽了天然有益生物的存量。有益生物是有利于作物生长的生物，包括昆虫、微生物和植物。有益生物可防治害虫，协助授粉，有助于提高作物的恢复能力并保持土壤健康。

生物制品属一类农用产品，包括生物农药、生物肥料和生物刺激素，均源自动物、植物、细菌或矿物等天然材料。

生物制品中，生物农药产品的应用最为广泛。生物农药在促进有益生物重新焕发活力方面潜力最大，为进一步利用其他生物制品奠定基础。根据美国环保署的定义，生物农药包括可控制有害生物的天然物质和微生物，以及由转基因植物所产生的杀生物质。

生物制品不仅对有益生物无害，还能激发有益生物自身保护作物的能力，是未来可持续农业的工具。广泛使用生物农药替代化学农药将促进农业地区有益生物的健康和多样性。

2. 生物农药的益处

与化学农药相比，生物农药有许多优势。对农民来说，生物农药具有吸引力，因为这种农药有利于有害生物综合防治（IPM），并能保护有益生物，包括授粉生物。生物农药还是抗性管理的重要工具，有利于灵活安排劳动力和收获时机，而且毒性很低。对消费者来说，生物农药可减少残留问题带来的风险，满足公众对改善生态足迹的需求，并减少有毒化学农药的使用。对农业来说，与新的化学植保有效成分相比，生物农药的开发和登记成本更低，速度更快。此外，生物农药的面世为该行业提供了取代部分现有化学植保产品的潜在渠道。这部分化学农药由于抗性问题，或因专利到期使得非专利公司可以复制并以较低的价格销售产品，因而不再具有竞争力。生物农药也是一种工具，可以带领其他生物制品进入更多的现有市场（如有机农业）和更大的潜在市场，这些市场将因使用生物制品（如生物肥料、生物刺激素、微生物群系、益生菌、接种剂、有机肥料和绿肥）而获得增长。

生物农药的另一个优势是其多功能性和潜力，苏云金杆菌（Bt）就是一个很好的例证。研究人员已经发现对鳞翅目、鞘翅目和双翅目害虫具有活性的Bt品种。还有一些Bt品种能够抑制病害，并作为内生菌，促进作物生长。使用Bt进行基因工程改造的抗虫作物种植面积已超过10亿英亩。尽管Bt的研究历时20-30年才取得进展，但开发过程中获得的进步将使其他微生物的研究在短短几年内就能取得类似的进展。

3. 生物农药面临的挑战

既然生物农药有如此多的益处，为什么这些产品的市场份额仍未超过化学农药？尽管近年取得了进展，生物农药仍然面临着几个重大挑战，包括功效较差以及缺乏合适的应用技术。

功效不如化学品，但在迅速提高 

生物农药功效较差的部分原因，是有效成分本身功效差，另外也是由于产品推出时的使用建议并非最理想，以及缺乏认知。

一款全新生物农药产品的试验研发预算通常不到化学产品5000万美元预算的10%。因此，各企业对生物制品的了解不太详细，导致产品上市时的使用建议不够准确，效果下降。此外，生物农药的试验往往是有缺陷的：产品最初是在无菌土壤、小型植株，以及有害生物负荷非常高的人工系统中进行试验。为了正确评估生物农药的全部潜力，试验必须反映真实环境条件对靶标作物的影响。有些生物农药最终取得了巨大的商业成功，而不恰当的试验方法正是导致一些大型农业公司最初忽视这些生物农药出色控制特性的一个主要原因。

由于长期存在功效方面的问题，生物农药最初只在小众市场上被采用。而当今生物农药正越来越多的被人们所接受，这在很大程度上是由于“组学”技术的出现。正因如此，生物农药变得更加有效，也更加实惠。而成本效益好的工业规模发酵工艺的发展，进一步推动了这一进步。生物农药制剂技术的进步也助推着生物农药功效的提升。

缺乏适合生物农药的应用技术

在施用叶面植保产品时，只有一小部分喷洒的药剂到达靶标（如虫害或病害），大部分喷洒的产品（超过98%）被浪费。仅推出一种新型生物制品往往是不切实际的，这会导致单位面积作物上必须使用大量高成本的产品。因此，应用创新技术对推广生物制品至关重要。这些创新可能是叶面喷洒或种子处理等方式的进步，也可能是对作物进行基因改造（该技术有待公众接受）。

4. 生物制品的市场超过2400亿美元

生物农药的市场正在蓬勃发展。两项不同的研究显示，2018年这一市场的估值为31亿美元，到2025年将达100亿美元。生物农药的市场份额将超过化学农药的市场份额，但这种增长的时间框架尚不明确。生物农药也是引入其他生物制品的工具，如生物肥料、接种剂、益生菌和生物刺激素。因此，生物制品不仅有可能通过生物农药取代化学农药（市场规模超过600亿美元），而且还可以补充或取代化肥，减轻非生物胁迫（如气候变化带来的霜冻、干旱和高温），提高作物产量。因此，生物制品将与绿肥和源自生物质废料的有机肥一起，与化学农药和化肥争夺2400亿美元的市场。

5. 生物制品利用大自然力量的机会

大自然在保持植物和农作物的健康方面发挥着巨大的作用。有益节肢动物在虫害防治中的重要作用众所周知，近年来，学术界发现了微生物群对植物的广泛影响。将土壤微生物群作为一个整体进行管理，将为控制植物病害的爆发提供更好的解决方案。保护并利用自然界的微生物群和其他有益生物的功能来实现特定目标，是生物制品有潜力取代化学农药和化肥的关键。

实现可持续和再生农业的大趋势

利用IPM实现农业更可持续发展的行动迄今已走过30多年。目前，市场上出现了再生农业的大趋势，强调保护有益生物和更健康的土壤，所有这些努力都有望提高粮食安全，应对气候变化，保护生物多样性。

这一趋势对有机农业和传统农业都有影响。十多家大型食品公司（如通用磨坊、雀巢、家乐氏和达能）正在推广再生农业，籍此以扭转气候变化趋势。农业初创公司Indigo也推出了一项战略，即利用微生物将1万亿吨碳封存到土壤中，这相当于自工业革命以来释放到大气中的碳量。保护原生有益生物对实现这些创新至关重要。因此，鉴于生物制品在作物保护方面的特殊性（既可用作肥料，也可用作缓解胁迫的药剂，且都不会对有益生物造成伤害），未来对生物制品的需求将会非常大。

天然原生有益生物：创新的源泉 

由于农业的集约化经营，全球土壤已经退化。不恰当的土地管理方法（如过度翻耕）以及化肥和农药的使用，减少了环境中微生物的数量和多样性。再生农业系统中，在农场内和周围采用的种植方式可提升有益生物（如节肢动物和微生物群）的数量和重要性。

该行业面临着开发生物制品，使农业发生革命性变化的重大机遇。为此，生物制品行业需要使原生有益生物焕发生机，激发有益生物自身控制病虫害和杂草的功能，同时增强作物抵抗非生物胁迫（如高温、干旱和气候变化影响）的能力。

对有益生物健康的关注将成为一种范式转变，即从使用一种生物农药对特定作物的一种虫害进行传统的生物控制，转变为整合原生有益生物（如各种微生物的集合体）的作用来控制有害生物。精准农业、数字农业和综合系统方法的进步，将使我们从利用原生有益生物的能力随着“组学”技术的发展而更加高效。这场生物制品革命的关键，是这些新产品整合到农业实践相关知识的提高。今天，农民在了解如何创造健康的土壤以及培养原生有益生物方面走在了科学的前面。科学不仅需要迎头赶上，还需要从有经验的农民那里吸取经验教训。

生物制品的重要作用

生物制品的功效将因其对保护生物多样性和保护有益生物的贡献而得到加强。鉴于生物制品在作物保护方面的特殊性（既可用作肥料，也可用作缓解胁迫的药剂，且都不会对有益生物造成伤害），未来对生物制品的需求将会非常大。管理方法需要得到调整，以发挥生物制品与原生有益生物（如微生物、节肢动物和授粉生物）的协同效果（如有害生物防治和作物生长）。广泛采用生物制品所产生的协同效应将使其产生远远超出传统技术所能取得的效果。

6. 行业和投资者认识到生物制品的革命性机会

目前作物保护市场的价值约为600亿美元，与之相比，2400亿美元的生物制品市场对行业来说是一个更大的机会。风险投资已通过投资生物制品，给投资者带来了数十亿美元的回报。成功的企业包括AgraQuest、Becker Underwood和Pasteuria Bioscience。成功的初创企业包括Indigo、AgBiome、Benson Hill Biosystems等许多公司。对新型生物制品的大量需求有助于改善土壤健康，实现农业的可持续发展，提高粮食安全，应对气候变化，保护生物多样性。

生物制品的发展将为投资者创造巨大的机会。例如，与拜耳和其他大型农化公司结成联盟的诺维信公司，声称其微生物产品可以补充或取代农化品和化肥。

除生物制品本身的发展外，生物制品的成功还取决于适合生物制品的靶向应用技术的发展。在应用技术方面，Bee Vectoring Technologies公司（BVT）已开发出一种有针对性的应用解决方案，解决了阻碍生物制品广泛采用的叶面施用问题。BVT的方法是利用蜜蜂的自然活动将生物制品直接输送到作物上，效率极高，只需使用叶面喷洒产品的一小部分（2%）就能达到全面处理的效果。BVT的技术使得原本对农业生产来说成本高昂的创新型生物制品（例如药物源生物制品）的应用变得经济实惠。

最成功的企业将预见再生农业的大趋势，并积极开发所需的生物制品和相应的服务。主要农化企业由于专注于现有技术（化学和生物技术），在预测革命性趋势方面能力有限。此外，这些企业厌恶风险，其管理结构（如建立共识）限制了其投资潜在利润丰厚但尚未证实的领域。因此，最有价值的发明可能来自于主要农化企业之外。除了在风险投资基金中有限的现有投资外，一旦技术风险被消除，主要的农化企业就会通过高额的溢价收购建立他们的产品组合，以参与生物制品的革命。

7. 结论

生物制品将取代很大一部分化学植保产品和肥料，其市场总价值超过2400亿美元。生物制品可控制虫害、病害和杂草，并直接用作作物肥料，且不伤害有益生物，这反过来又增强了生物制品的功能。生物制品的广泛使用将激发原生有益种群焕发生机，从而控制病虫害，增强作物抵抗生物和非生物作物胁迫（如气候变化带来的高温、干旱等）的能力，同时促进作物健康，提高产量，进而使农业发生革命性的变化。

每个层面的利益相关方都将从这场革命中受益。消费者将会确信他们的食物是以安全和可持续的方式种植的；农民将获得开展再生农业的新产品，并从可持续服务（如将碳封存作为应对气候变化的一种手段）中获得新的收入来源；而行业将迎来一个巨大的新市场，这一市场将保证未来生物制品可持续的渠道，而不仅仅是弥补由于化学品使用量下降而造成的收入损失。

原文作者：Claude Flueckiger

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