肥料對全球糧食供應至關重要，但其生產過程耗費大量能源並產生大量排放。一些公司希望微生物能有所助益。

越來越多的研究顯示，在作物根部周圍的土壤中接種有益微生物，可以幫助餵養植物，提供關鍵的氮來幫助其生長。這有助於減少對化學肥料的需求，因為化肥生產約佔全球溫室氣體排放量的 2%。這也能降低農民的成本，尤其是在近期伊朗戰爭導致能源和肥料價格飆升的情況下，這將是一大福音。

人類數千年來一直使用人畜糞便等生物肥料，公司也長期致力於開發微生物肥料，其中一些依賴基因工程。然而，要工程化出能夠可靠地為作物提供氮，同時又能讓自身茁壯成長的微生物，卻非常困難。

一家名為 Switch Bioworks 的新創公司採取了一種新方法，基本上是讓微生物在轉為氮生產模式之前，先建立自身並成長為健康的菌落。「我們必須重新發明肥料，」該公司創辦人兼執行長 Tim Schnabel 表示。

空氣中近 80% 是氮氣，但植物無法直接利用這種「免費」的氮，因為它不易與其他元素反應。相反地，它們依賴所謂的固定氮，也就是已轉化為更具反應性的化合物，如氨。在自然界中，微生物可以進行這種固氮作用。有些植物，如豆科植物，甚至與固氮細菌有共生關係，將它們寄生在根部的根瘤中。合成肥料本質上是通過哈柏-博許法進行工業固氮，該方法使用天然氣製造氨，然後施用於田間。

生物肥料旨在用能夠幫助植物固氮的微生物來取代部分合成肥料。但微生物肥料公司遇到的挑戰之一是，微生物製造和釋放氨的能量成本很高。將所有能量投入固氮作用會阻礙它們的生長。

Schnabel 解釋說，在根部周圍需要一定程度的定殖。將所有這些微生物施加到植物上成本太高且後勤挑戰大，因此必須依靠少數微生物來生長和分裂，建立種群。

Switch Bioworks 押注基因開關是解決方案。基因開關是 DNA 的一部分或多部分，控制基因的開啟和關閉。在此情況下，它通過激活有助於觸發細胞內氨的產生和釋放的基因來工作。該公司正在研究幾種啟動其微生物這種變化的選項。領先的選項是讓微生物對土壤中的氮水平做出反應：一旦氮水平下降到一定程度，它們就開始產生氨。

「這是一種固有的生物現實，微生物固氮的成本非常高，」Breakthrough Institute 食品與農業總監 Dan Blaustein-Rejto 表示。他補充說，這需要大量能量，如果它們進行固氮，它們會想將其用於自身，以構建蛋白質和生存。添加基因開關可以幫助微生物生長和茁壯成長，然後幫助為作物施肥。

Schnabel 表示，Switch 目前正在美國六個州試用其產品，但距離商業化產品還有兩到三年時間。該公司最初專注於玉米，這是美國種植面積最大的作物，2026 年種植面積超過 9000 萬英畝。

「現在判斷它在田間的實際效果還為時過早，」Schnabel 說。該公司計劃在 10 月下旬或 11 月初收穫作物，但截至 8 月，一些經過 Switch 微生物處理的玉米植株看起來比未處理的植株明顯更健康。他還說，公司仍在開發最終將進入市場的產品。

Blaustein-Rejto 表示，Switch 的產品可以顯著幫助農業的淨化。「這些公司和產品有很大的潛力幫助農民減少排放。這可能是一個非常重要的解決方案，用於一個相當難以減排的行業。」

Blaustein-Rejto 指出，雖然實驗室結果一直很樂觀，但田間試驗是證明產品的關鍵步驟：「這是它們進入市場並向農民做出有力聲明之前的最後幾個步驟之一。」他補充說，獨立試驗也很重要，因為公司報告的數據與獨立研究人員的發現之間可能存在很大差距。

Pivot Bio 是另一家致力於將微生物帶入田間的公司。自 2011 年成立以來，其產品已用於數百萬英畝的作物。該公司現在生產一系列產品：一些版本可以在播種時添加，而另一些則在種子還未到達農場之前就施用於種子。該公司最近還擴展到玉米以外的領域，為棉花、小麥以及高粱和大麥等小麥生產微生物肥料。

Pivot 最初的挑戰是試圖讓微生物產生氮，無論它們是否在土壤中感知到氮。該公司首席技術官 Travis Frey 表示，現在公司正努力研究如何在任何環境下都能培育出更健康、更強壯的菌落。

Frey 表示：「從農場經濟學的角度來看，種植者目前正經歷雙重打擊。」肥料成本不斷上漲，而玉米等大宗商品的價格卻下跌了。他認為，這對 Pivot 和該行業的其他人來說是一個巨大的機會：「未來十年，農場上的生物製劑將成為主流。」

北卡羅來納州立大學作物與土壤科學系教授 John Havlin 表示，肥料和種子是許多種植者最大的成本之一，因此減少對合成肥料的依賴可能對農業大有幫助。

Havlin 表示：「我對這些產品的未來使用感到非常興奮。它們最終將在減少施氮量方面發揮作用。」

然而，我們期望微生物能夠取代的肥料量存在一個上限。該公司表示，Switch 的模型表明，大約 50% 是可能的上限，儘管初始產品可能只能取代農場約 25% 的合成肥料。Pivot 表示其產品可以取代目前約四分之一的肥料用量。

這意味著合成肥料將長期存在。「在可預見的未來，沒有明確且可行的方案可以完全取代它，」Blaustein-Rejto 說。「因此，減少排放和減少農場其他類型的氮污染的其他方法仍然非常關鍵。」