生物固氮是农业绿色转型中备受关注的方向。但决定它能否走向大田的，不是″能不能固氮″，而是″能否在正确的时间和位置高效固氮″。围绕这一问题，Switch Bioworks、拜耳、Pivot Bio、先正达、以色列化工（ICL）等企业分别从基因开关、基因编辑、菌株改良、制剂保护和营养信号调控等路径切入，推动固氮效率迈上新台阶。
固氮效率的关键矛盾：定殖与生产难以兼得
美国Switch Bioworks公司指出，生物固氮是生物学中耗能最大的反应之一，每固定一个氮气分子至少要消耗16个ATP分子。对固氮菌而言，过早启动固氮会妨碍其在植物根部定殖；只顾定殖，不启动生产，又无法提供有农艺价值的氮素。1 定殖和生产都需要能量，微生物难以兼顾，同时进行只会让两件事都做不好。
因此，传统思路下″持续开启″的固氮菌株看似勤奋，实则可能在根部竞争中处于劣势：能量大多耗在固氮上，菌株占据根际空间的能力随之下降，最终能为植物提供的氮素反而有限。谁能解决″先活下来、再多产氮″的时序问题，谁就有可能在下一代生物肥料的竞争中占据主动。
基因开关：把固氮变成″可编程″的过程
Switch Bioworks的突破口是基因开关。公司通过引入这一开关，把定殖与生产两个阶段分开，让微生物能够″感知时间″：先在环境中定殖，再启动生产。由于细胞数量呈指数级增长，开关一旦开启，产出量也随之成倍增加。其工程菌先在植物根部定殖，再按需启动氮素合成，生产直接在根部完成。在生长室试验中，该技术使氮素产量比持续开启的对照菌株高出五倍。2
这一平台的价值不止于固氮。Switch表示，其策略并不局限于氮素，凡是工程菌需要先存活、后发挥功能的场景，都可以使用这一开关机制。公司的核心基因开关技术已获得七个专利族保护，应用范围还可拓展到能源、工业生物技术和人类健康微生物组等领域。
在商业化方面，Switch计划在两到三年内推进产品商业化，但最终目标并非完全取代合成氮肥。公司创始人兼首席执行官Tim Schnabel表示，如果能在保持产量的前提下将氮肥用量减少25%，就已是重大突破，而生物固氮技术的上限预计约为50%。2 因此，公司的目标是替代市场上25-50%的化学合成氮肥，并计划把这项技术延伸到磷及其他作物营养元素。
融资与监管方面：公司2024年宣布获得1700万美元种子轮融资，2025年获得200万美元联邦资助，用于加快和扩大研发。2026年6月，Switch宣布其新型微生物肥料获得美国农业部和环保署批准，开始田间试验；2026年9月，公司又获得巴西批准，可在当地开展田间试验。巴西农资需求旺盛，两熟制种植体系也便于更快开展试验、进入市场，因此成为公司的首个关键市场。
拜耳与Switch的战略合作，进一步印证了这一方向。2026年10月，双方宣布共同开发Switch的基因开关技术，首先聚焦固氮。拜耳作物科学洞察、创新与合作负责人Benoit Hartmann表示，种植者需要更多选择来应对难以预测的环境条件，生物制剂是应对这些挑战的途径之一；拜耳将把自身在产品开发、配方设计、田间试验和商业化方面的专长，以及对作物遗传学的认知，与Switch的专业能力结合起来，实现这一目标。
基因编辑与菌株改良：让固氮菌更″能干″
在基因开关之外，另一条路径是改良微生物自身的固氮能力，Pivot Bio的做法颇具代表性。该公司评估了数十亿种编辑方案，对微生物自身的基因组进行改造，以增强其固氮能力；公司称不引入其他生物的基因，所有修改均在微生物自身基因组内完成。播种时施用后，这些微生物会自然附着在根部，将大气中的氮气固定为氨，并在整个生长季持续供氮，不受天气影响。其产品PROVEN 40可把土壤中天然存在的细菌转化为高效的″固氮工厂″，在玉米生长旺盛期持续供氮。
伊利诺伊大学研究团队的多年研究表明：施用该产品的植株在关键生长阶段表现出更高的氮积累、更健康的生物量和更强的营养生长；处理后植株中的15N同位素丰度明显降低，说明玉米确实吸收了PROVEN 40微生物所固定的氮；在生长早期，PROVEN 40每英亩可提供高达35磅来自大气的氮素，虽然生长季后期氮素供应逐渐减少，但在作物关键营养生长期仍能持续支持作物健康、保持稳定，且并未影响产量。首席研究员Logan Woodward指出，玉米生长常受限于土壤氮和化肥，而PROVEN 40使植株氮积累显著增加，其中相当一部分氮来自大气，这些改善与籽粒数量的增加同步出现。
以色列化工（ICL）则通过菌株的适应性进化来提升固氮效率。2025年，ICL在巴西推出面向大豆的新一代生物接种剂Actibio X EVO53，首次采用巴西固氮螺菌HM053菌株，取代其目前大部分产品所用的Ab-V5和Ab-V6菌株。田间试验表明，与传统菌株相比，Actibio X EVO53平均可使根瘤增加17%，植株氮积累增加11%，每公顷产量最多可提高3袋。该产品目前推荐用于大豆种子处理，并纳入ICL的活性根瘤方案（Active Nodulation），与Actibio X Brady和UP! Seeds配合使用，以确保根瘤形成效果最佳。
抗逆保护：让固氮菌在田间"活得久、站得稳"
固氮效率不仅取决于菌株本身，还取决于菌剂能否在种子、根际和叶片上稳定存活。先正达的RIZOLIQ UHC于2024年在巴西亮相，是一款用于大豆种子处理的液态长效接种剂，富含慢生型根瘤菌，使用方便，且不易受天气影响。据先正达介绍，这是一款可提供长达90天预接种处理期的接种剂，浓度达4×1010 CFU/mL，并采用细胞渗透保护技术（TOP）和细菌外部保护技术（PREMAX）：TOP在制剂配制过程中让细菌在不同温度和压力下经受可控的应激，从而强化微生物，提高浓度，带来更好的种子处理效果；PREMAX则在不利条件下保护细菌，为其营造有利于生存的环境。使用后无需再次处理作物，既降低了运营成本，也改善了种植物流。
先正达在英国推广的Vixeran，则展示了叶面施用固氮产品的潜力。该产品含独特的盐居固氮菌（Azotobacter salinestris）菌株CECT 9690，适用于英国和北欧的典型气候，可提高作物在极端天气时期的适应力。叶面喷施后，菌株可在叶片和根部大量繁殖，并进入植物体内，从空气中固定氮，将其转化为作物可吸收的铵态氮；由于固定的氮位于植物体内，不会被淋溶或挥发。这些细菌还能在根部形成生物膜，抵御土壤病害。据先正达介绍，Vixeran有两个独特之处：
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一是盐居固氮菌属于可自由生活的细菌，而非内生菌。市面上一些产品含有的内生菌只能在植物体内存活，如果无法经气孔进入叶片，或气孔关闭，它们既无法在土壤中活动，也无法抵达根系并在植物体内定殖。Vixeran中的菌株则既能在土壤中生存繁殖，又能进入植物体内，让种植者同时获得两方面的优势。
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二是这种强效细菌在不利条件下能够形成包囊，这是一种让细菌进入休眠状态，以帮助其存活的保护机制。例如，温度低于0°C时，盐居固氮菌不会活跃生长，但凭借形成包囊的能力，低温杀不死它；不具备这种能力的细菌则会死亡。
荷兰试验表明，在甜菜5—8叶期施用一次Vixeran，与标准的140公斤氮/公顷施肥量相比，可使产量增加4吨/公顷，糖含量提高0.7%；当合成氮肥用量减少40公斤/公顷时，施用Vixeran的作物，其产量和糖含量足以弥补这一损失。
巴西Biosphera Agro Solutions于2025年推出的Nitrosphera Dualtech，则把慢生根瘤菌与微粉化泥炭藓结合起来。该产品含有日本慢生根瘤菌SEMIA 5079和SEMIA 5080菌株，以及微粉化泥炭藓，是一款便于处理和使用的液体产品，可帮助作物抵御干旱和极端高温。Biosphera农艺师兼技术主管Joatan Clamer表示，泥炭藓由透明细胞（hyalocyst）构成，可吸收自身重量20倍的水分，形成湿润、稳定的微环境，有利于慢生根瘤菌的存活、活力和繁殖，同时抵御脱水等非生物胁迫；泥炭藓加工成泥炭后，还可作为生物投入品的载体，确保产品对种子的覆盖和附着。
营养信号与辅助技术：从″补菌″走向″调系统″
固氮效率还受到植物生理状态和信号传导的制约。ICL于2025年在巴西推出的Bioz Tônus，相比此前的Tônus方案采用了创新技术，可增强氮代谢和生物固氮，并在整个作物周期内保持植物的生理活性。其关键创新是添加了硒：硒能调节植物的氧化应激，并参与信号传导，从而吸引启动固氮的细菌；ICL称，这一添加物可增强作物对不良天气的抵抗力，并有助于提高产量。Bioz Tônus还采用了当时尚在专利申请中的DuoSpiral技术，该技术基于天然化合物，能够螯合或结合配方中的金属微量营养素，使其只在植物体内被利用，避免在喷液中或叶片表面过早反应，从而高效输送养分。该产品主要针对大豆，对其他豆类以及玉米、小麦、水稻同样有效。
同年，ICL还推出了Active Nodulation项目，把UP Seeds、Actibio X EVO53、Actibio X Brady和Bioz Tônus四款产品整合起来，分别作用于植物的不同生长阶段。ICL农艺师Lucieli Leolato指出，生物固氮效率通常只有50%左右，农民每公顷可能面临高达200公斤的氮素缺口，这不仅影响大豆产量，也会影响后续作物的生长。Active Nodulation项目通过生物与营养相结合的方案，促进结瘤、微生物活性和植物生理活动，使根瘤从发芽到收获始终保持活力，持续发挥功能。
巴西Revella公司2024年推出的纳米硒产品Sylos W-Se，则从抗氧化和养分利用效率切入。公司技术经理Alexsandra Valério介绍，扩大纳米硒的应用，可以增加大豆等作物的结瘤和生物固氮，减少对氮肥的需求：产品能刺激黄酮和糖的合成，促进根瘤形成并为固氮细菌提供底物，同时促进酰脲的生产和运输，从而提高固氮效率。公司首席执行官Gabriel Nunes强调，该成分还能提高抗逆性，尤其在严重干旱的季节，可帮助作物应对极端气温、盐度、重金属毒害等非生物胁迫，以及有害生物侵袭。
结语：多路径叠加，减氮而非替氮
生物固氮的竞争已经从"找到一株能固氮的菌"，转向"让它在对的时间、对的位置、对的环境里发挥作用"：基因开关解决的是时序，基因编辑与菌株进化提升的是能力，抗逆保护保障的是存活，营养信号调控则通过改善结瘤和氮代谢，为固氮菌创造更好的工作条件。这些路径并不互斥，ICL的组合方案、拜耳对基因开关的布局，都说明未来的产品更可能是多种技术的叠加。
不过，热度之下，行业的预期并不激进：Switch把替代化学氮肥的目标区间设定在25-50%，ICL也坦言生物固氮效率通常只有50%左右。生物固氮短期内不会取代合成氮肥，而是与之配合，逐步减少用量。能否在不同气候、土壤和作物体系中稳定重复田间表现，并顺利通过各国监管，将是各家企业接下来面对的考验。谁能把"时机"变成可复制、可规模化的产品能力，谁就有机会定义下一代固氮产品。
参考：
1. https://www.agnavigator.com/Article/2026/10/01/brazils-ag-biologicals-powerhouse-inside-switch-bioworks-nitrogen-fixing-microbes/
2. https://agfundernews.com/switch-bio-partners-with-bayer-to-advance-switchable-tech-for-biofertilizers
其他信息参考自近三年上述各企业资讯及其官网技术介绍。
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