工程院院士吴清平解读我国微生物产业发展战略研究

（1）保障居民生命健康

• 微生物和人类的健康和疾病有着密不可分的关系，关系到人类的衰老和死亡，比如我现在比较热门的肠道菌群，被誉为人类的器官之一，也称肠道为第二大脑，还是保护身体健康的重要的免疫系统，随着着相关技术的进步，微生物健康产品得了广泛的应用。

• 微生态药物作为人体免疫系统的调节剂，适应症非常广泛，涵盖感染、炎症、糖尿病、肿瘤、营养保健等；因其安全性好、生产周期短、来源丰富的优势，未来有较大的发展空间。

• 微生物健康检测产品的市场前景也是非常巨大的。

（2）促进传统工业升级

• 生物发酵行业和石油化工生产相比，有安全性高，环境友好再生性强等优点。虽然发酵行业也有大量的尾气和污水的排放，但是相对于石油化工行业却好的多，通过技术手段可以有效控制。而且发酵行业的废弃物多为有机物，主要成分是C、O、N经过处理可以完全回归大自然。

• 目前随着合成生物学的兴起，微生物及发酵生产的酶制剂必将在促进产业化升级方面起到非常重要的作用。

（3）支持生态与环境保护

• 微生物好氧和厌氧发酵已经成为污水中COD和总氮的有效处理方法，微生物还在尾气处理，河道污泥处理等方面发挥着重要作用。

• 随着经济的发展，污染物的多样化、复杂化和顽固化，我们需要研发微生物组学的新方法、新技术。

（4）助力农业生产升级

• 微生物肥料，微生物饲料，已经成为非常重要的行业。

• 随着化学肥料的过度应用，土壤出现肥力降低，土壤板结等问题，发酵有机肥可以有效解决该问题。此外微生物肥料在植物病害防控方面也起到了非常重要的作用。其他一些比较专一的微生物肥料能够和植物共生，为其提供营养物质，比如根瘤菌。

• 微生物饲料和发酵饲料更成为非常重要的饲料发展方向，在替抗、保护畜禽健康方面有着重要的应用。

二、国际微生物产业发展现状及趋势

（1）产业布局和技术进展

• 生物产业是世界科技竞争的热点领域、各国争相布局的战略制高点，迄今为止发布了国家级生物经济相关政策的国家和地区超过 50 个。而微生物制造又是其中的关键方向。

• 美国、欧盟、日本、德国都出台了自己的相关规划，计划到2030年生物基产品替代有机化学品的比例有大幅度的增加。比如美国计划达到25%，欧盟计划达到30-60%，日本更是提出了生物技术产业立国的发展思路。

• 近年来，世界生物技术产业的发展速度保持在经济平均增速的 2 倍，相关社会投资积极性较高，如 2017 年的风险投资额超过 100 亿美元（仅次于信息技术产业），成为经济增长的重要驱动力。

• 从世界微生物产业链来看，上游以技术服务公司为主，包括宏基因组测序、微生物检测、鉴定与分析、临床诊断等，为行业提供产品研发支持；

• 中、下游公司以具体应用的场景为主，涉及人体健康的应用方向有微生物科研、微生物治疗与药物研发、健康管理等；

• 美国公司在微生物领域占有优势地位，技术先进且分布密集。

• 随着大数据技术的快速发展，微生物技术研发正转向数据化的科学发展模式，为微生物产业提供了新的技术支撑。基因编辑、单细胞、生命组学、测序技术突飞猛进，基因编辑、再生医学、增材制造、合成生物学等技术突飞猛进。相关技术专利也是逐年增长。我国作为主要的市场，其研发积极性也是最高的，在专利申请上表现比较突出。

• 微生物检测和防控作为最主要的技术手段，引领微生物安全产业进入快速发展期；

• 微生物健康经济快速发展，以现代生物技术为核心的微生物健康产品正在快速抢占市场；

• 组学、信息、前沿生物等技术与数学、物理等基础学科的融合交叉，将促进微生物制造体系的重大进步；

• 世界生物医药产业快速增长，微生物医药产业正快速由最具发展潜力的高技术产业向高技术支柱产业发展。

• 微生物检测行业产值持续上升，从 2010 年的 0.19 亿元增长至 2019 年的 4.67 亿元，复合年增长率超过40%；

• 微生物健康产品的供需保持快速增长，以益生菌为例，2017 年市场规模为 460 亿元，2022 年预计增长至 896 亿元，年均增速约为 14%；

• 我国生物药市场规模到 2025 年可达 8310 亿元，到2035 年将超过 8 万亿元；

• 发酵工程是微生物制造产业的重要组成部分之一，近年来我国相关产业发展平稳，正在向质量效益型转变，新型发酵产品及衍生新产品的品种持续增多；2018 年主要发酵产品产量为 2.962×107 t，总产值为 2472 亿元。

• 微生物安全产业包括微生物检测和诊断、微生物防控。有发展，但是起步晚，发展较慢，未形成优势产业；

• 微生物健康产业不断扩大，包括益生菌，食用菌，藻类等，但是菌株多数为国外的；

• 微生物制造行业已经趋于集团化，大型化，主要有各种氨基酸，抗生素，酶制剂等，但是同样面临技术转型升级的问题；

• 我国生物医药市场规模已位列世界第二，且创新药已明确为产业未来发展的“主旋律”，具有较大的发展空间。

• 微生物资源特别是工业化的菌株创新性不够，很多都是舶来品。

• 核心技术装备不够先进，对外依赖很高，比如精密的发酵罐还是进口的较好，各种电极，在线检测器都是进口的，自动控制的PLC和阀门，软件控制等仍然依赖进口。我国在该方面和国外的差距依然很大。

• 国外的竞争对我国相关企业的发展和升级不利。

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• 我国各种气候环境都有，微生物资源丰富，我们需要做的是怎么样利用好这些微生物资源。

• 提高微生物高通量筛选技术，鉴定评估技术，能尽快确定其产业化的价值。建立相关平台对微生物资源的开发利用是非常有益的。比如目前我们常用的基因数据库等大多是国外的。我们免费使用用，免费上传，自己的资源就这样拱手让人。因此建立自己的资源平台是非常急迫的。

• 建立微生物行业的标准化工艺、和标准化体系；

• 建设包括微生物制造装备开发、发酵工艺开发、中试放大生产在内的协同开发技术体系，解决科学研究中实验可重复、实验数据标准化；

• 实验设施开放共享、科学研究众包等问题，推动云端实验室平台向全国辐射。

• 微生物资源开发技术体系：运用基因组学、转录组学、蛋白质组学等技术手段，解析菌株的环境耐受、环境适应、益生功能的分子机制，建立微生物从分离、筛选、评价到相应终端产品所需的一系列技术设施，覆盖基础研究、功能研究、试验验证（含临床研究）、产业化应用等环节；

• 微生物资源工业化技术体系：发展菌株高密度发酵、冷冻保护、微胶囊化、活性保持等产业化应用技术，显著改善功能微生物制品的生产效率；

• 发酵工艺的精细化体系：实现对培养基原料及配料、温度参数、时间参数的严格配比，按照功能微生物菌株的差异来设定优化参数，实质性提升产业化能力；

• 设备开发：开发设备自动化程度较高的微生物仪器与设备，适应微生物菌种质量评价、功效评价、菌剂生产、可靠保存、精深加工产品调控、专用设施等需求。

• 以法规和标准推动功能微生物应用的安全性评价；

• 研制多元化剂型的微生物产品；

• 完善微生物产业创新生态。

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参考文献：

• 杜娟,马连营,马爱进,刘龙,于晴 & 吴清平.(2021).我国微生物产业发展战略研究. 中国工程科学(05),51-58. doi: