微生物固氮，全球领先合成生物学公司Pivot Bio｜熊猫农业研究

熊猫说

Pivot Bio是一家全球领先的合成生物学公司，致力于农业领域，通过从作物营养层面来创新研发出颠覆性产品以消除合成肥料的不良影响，即通过从空气中提取氮并将其用作于作物来改善微生物组。通过生物学研究、机器学习和计算建模的方法，Pivot Bio公司技术唤醒了微生物的天然能力，让微生物可以从空气中转化氮元素满足作物日常氮需求，为提供清洁的合成氮肥替代品提供了解决方案。

熊猫资本关注微生物、合成生物行业发展，正在寻找中国的Pivot Bio，欢迎各位创业者联系我们，也欢迎业内朋友、投资人多多交流，一起参与中国农业做大做强的进程！

微生物、合成生物项目BP投递邮箱：Andrew.wu@pandavcfund.com

本期，熊猫君将与大家分享针对对全球领先合成生物学公司Pivot Bio的的公司深度研究。在这个研究中，你将看到如下几个部分：

一、行业背景

二、公司简介

三、团队情况

四、技术情况

五、产品管线

六、历史融资

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行业背景

氮肥，是指以氮（N）为主要成分，施于土壤可提供植物氮素营养的单元肥料。氮肥是世界化肥生产和使用量最大的肥料品种，适宜的氮肥用量对于提高作物产量、改善农产品质量有重要作用。化学氮肥生产的主要原料是合成氨（生成合成氨的哈伯法装置于1909年建成，并在德国首先实现工业化，成为氮肥工业的基础），20世纪四五十年代，硫酸铵是最主要的氮肥品种；60年代，增加了硝酸铵；70年代以来，尿素成为主导的氮肥品种。世界上一半的食物供应都依赖各种各样化学氮肥。

若缺乏氮肥，作物会出现植株矮小细弱；叶呈黄绿、黄橙等非正常绿色，基部叶片逐渐干燥枯萎的情况；此外，作物的根系分枝将减少；禾谷类作物的分蘖显著减少，甚至不分蘖，幼穗分化差，分枝少，穗形小，作物显著早衰并早熟，产量降低的情况。因此，氮肥在日常的农业实践中是必不可少的。

然而，大量使用氮肥对环境造成了严重影响：污染海洋、升高全球气温、破坏土壤微生物天然产氮素能力等...如今，农民正寻找新方法，一方面为作物提供必需的氮肥，而另一方面考虑到环境问题，希望采用更稳定和可持续发展的方式，进行农业实践。

相比化学氮肥，生物肥料对环境更加友好，通过微生物进行固氮，是更加稳定和可持续的化肥替代方案。联合国预测，在接下来的几十年中，到2050年，世界人口将达到97亿。要在30年内为这一不断增长的人口生产足够的粮食，就需要农业研究和生产领域的重大转变。在人口增长、气候变化、保护生物多样性和自然资源以及维持或提高农民的盈利能力的背景下，了解整个植物群落和微生物的运作模式，对于确保未来几十年的可持续全球粮食安全至关重要。

根据 Grandview Research 数据，随着有机农业的发展、政府部门与法规机构对生物肥料生产的支持与推广，全球微生物肥料市场规模保持稳定增长的态势。2020 年全球生物肥料市场规模达 11.7 亿美元，同比增长 13.6%，预计 2026 年市场规模将达 24 亿美元。近年来，与生物固氮产业相关的巨头公司面对机遇也在不断进行调整。美国固氮菌生产厂家 Becker Underwood 被顶级跨国公司巴斯夫收购，加拿大固氮菌生产厂家 Philom Bios 公司被拜耳公司收购。英国农业技术公司 Azotic Technologies 采用生物工程和种衣剂技术，研发固氮技术产品 Envita 并面向全球市场销售。国际固氮微生物产业出现新一轮的技术升级与产业革命。

我国对生物肥料产业也十分重视，《中国生物产业发展 告 2020-2021》指出，我国微生物肥料产业近 20 年总体处于快速稳定的发展阶段，产业规模已经形成。

2020 年，中国农业科学院创新工程联合攻关重大科研任务 “高效固氮生物学基础与农业应用” 正式启动。该重大科研任务围绕国家农业生产的重大需求，针对天然生物固氮体系的能力缺陷和我国固氮微生物产业发展的瓶颈问题，系统开展生物固氮系统的前沿理论、生物固氮模块的适配性、人工固氮线路的系统优化以及高效固氮体系的田间应用等研发工作。

然而，我国微生物肥料目前仍存在一些问题，全国政协委员、红杉中国创始及执行合伙人沈南鹏今年在 “两会” 的提案中指出，微生物肥料成本偏高、市场接受度较低、见效需要一定时间、农民对生物菌肥接受度和施用积极性不算太高等。针对上述问题，他也给出了如下建议：

加强农业微生物学科研突破，拓展专项支持范围

加大微生物产品应用推广和固碳菌株研发支持

政企共建充实菌种保藏力量，以资源摸底和知识产权保护促开发利用

优化财税和肥效评价政策，“肥药双减” 缓解对土壤微生物的伤害

熊猫资本希望通过研究全球领先的农业科技公司，为中国的农业企业发展提供方向和参考，助力我国生物化肥科研突破与创新发展。

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公司简介

Pivot Bio是一家全球领先的合成生物学公司，成立于2010年，总部位于美国加利福尼亚州伯克利市，由Karsten Temme和Alvin Tamsir联合创办，目前CEO为Karsten Temme。Pivot Bio 致力于农业领域，通过从作物营养层面来创新研发出颠覆性产品以消除合成肥料的不良影响，即通过从空气中提取氮并将其用于作物来改善微生物组。Pivot Bio凭借专有的计算和微生物组技术、多尺度自动化测试和深厚的科学专业知识，成为世界上唯一一家大规模生产合成氮肥替代品的公司，其性能足以满足农民严苛要求。在2019 Fast Company（致力于商业、创新和设计的交汇处的著名媒体品牌）评选的年度创新公司中，Pivot Bio凭借自身强大的实力，在众多公司中脱颖而出，成为年度最具创新力的公司之一，在食品类别中排名第八位。

Pivot Bio的诞生是为了能让农民有一种更可持续、更安全的工具取代合成氮肥。联合创始人Karsten Temme和Alvin Tamsir在研究生院期间作为实验室伙伴开始了他们的工作，专注于创造一种可靠、更安全的方式给谷类作物施肥。

2011年，在盖茨基金会早期拨款的支持下，在帮助提高农业生产率和可持续性的不懈承诺的推动下，他们建立了一个可扩展的专有技术平台，使微生物能够可靠地为谷物作物产氮——这一发现几十年来一直被科学家们追逐，直到现在才在商业上获得。Pivot生物微生物从空气中获取氮，并将其提供给植物，从而取代对合成氮的需求。

经过多年的实验室、温室和农场试验，Pivot Bio于2019年向美国农民发布了第一款玉米商用产品Pivot Bio PROVEN。该产品在六周内销售一空，表明农民对一种新技术的强烈需求，以改善他们的操作，同时最大限度地减少他们的环境足迹。需求持续增长，该公司在2020年扩大了产品组合，推出了用于小麦的Pivot Bio RETURN，并在2021年推出了用于高粱的产品。

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团队情况

创始人兼CEO Karsten Temme毕业于加州大学旧金山分校，师从合成生物学先驱 Christopher A. Voigt 教授。多年来，Karsten Temme一直对生活在我们这个世界上看不见的微生物的无限潜力着迷。在旧金山加利福尼亚大学获得博士学位期间，他的研究生研究专注于提高土壤微生物的固氮潜力。他不仅寻求发表科学 章，更是希望在世界上创造有意义的变化。Karsten Temme曾在Chris Voigt的实验室从事固氮工作。50年来，该实验室致力于从微生物学和遗传学角度研究固氮问题，成绩斐然。2010年Karsten Temme拿到了他的博士学位以后就投身商界。Temme说：“我一听说合成生物学的潜力，它可以像计算机一样为微生物和DNA编程，我就知道自己想要用活的微生物作为“积木”来制造新产品。”

公司的另一位创始人，Alvin Tamsir在加州大学伯克利分校获得了分子和细胞生物学学士学位，随后又在加州大学旧金山分校获得了生物学博士学位。作为Pivot Bio科学团队的联合创始人和领导者，他将公司的研究团队从两名科学家扩大到50多名科学家。Alvin Tamsir对分子生物学和工程原理有着深刻的理解。他领导微生物菌株的开发，管理跨学科研究团队，是监督合成生物学、计算生物学、分析化学和植物生物学方面的专家。他在Nature等杂志发表了多篇论 著作。在上学期间，阿尔 首次将前沿工程原理应用到生物学中，探索如何在微生物水平上放大自然发生的过程。也就是在这段时间里，Alvin Tamsir与Karsten Temme建立了深厚友谊，完成学业后，共同创办了Pivot Bio。

公司的首席技术官Richard Broglie领导Pivot Bio的研发项目，通过倡导科学专业之间强有力的跨学科联系，创造充满活力和创新的研发 化。除了领导内部研究团队和管理与外部合作伙伴的合作关系外，他还专注于获取新技术、建立强大的知识产权组合、将产品推向市场、与领导团队合作制定长期技术战略，以及指导年轻科学家。在加入Pivot Bio之前，他曾在杜邦和杜邦先锋担任过30年的研究和全球领导职位，并拥有管理公私部门合作伙伴关系和监督全球多作物研发项目的丰富经验。在他的任期内，他领导了几项项目，使大豆和油菜作物具有更健康、更稳定的籽油成分。他还开发了大豆、玉米、小麦、水稻和甘蔗的抗病虫害特性。Richard 在罗格斯大学获得生物学学士学位和微生物学博士学位后，在洛克菲勒大学担任博士后研究员和助理教授，该大学是他生物技术研究生涯的基础。他获得了众多奖项和研究金，并应邀在包括美国国家科学院在内的众多国际科学会议上发表演讲，撰写了30多篇科学出版物，是多项重要专利的发明人。

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技术情况

生物固氮是指微生物自生或与植物共生，通过体内固氮酶的作用，将大气中的氮还原成氨的过程。自生固氮的细菌有固氮菌、巴氏梭菌、克氏杆菌、光合细菌等；与豆科植物共生固氮的有根瘤菌；非豆科植物共生固氮的有放线菌。蓝绿藻如念珠藻、项圈藻等能自身固氮，也能与其他植物如满地红共生固氮。此外茜草科、紫金牛科和薯蓣科中某些植物叶片上有固氮微生物共生的叶瘤。生物固氮存在天然固氮体系宿主范围窄和固氮活性受环境影响大等问题，还有固氮生产菌株竞争力弱和田间应用效果不稳定等问题，这些仍然是全世界需要继续攻克的技术难题。

图1：谷物作物固氮微生物的商业化

图2：技术平台为农民制造微生物固氮

Pivot Bio产品的具体技术流程如下：

1. 识别

团队绘制了土壤中数以万亿计的生物体之间的相互作用，用合适的内部DNA软件来识别稀有微生物，从而产生氮。

2. 重新编程

对每个微生物产生的DNA软件进行逆向工程，评估了数十亿种重新编程基因蓝图的方法，以提高每个微生物产生的氮量。

3. 产生氮

重新编程的微生物能够感知作物对养分的需求，在任何天气和整个生长季节都能可靠地产生合适水平的氮。

4. 按比例分发

通过数百万种土壤类型、耕作方式和天气模式的组合，Pivot Bio的产品推动了可扩展的低碳农业。

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产品管线

Pivot Bio 在 2019 年发布了第一款产品，名为 “Pivot Bio Proven”，微生物粘附在玉米植物的根部，与玉米形成共生关系，类似于豆科植物与根瘤菌的共生，微生物将空气中的氮转化为植物生长所需的氨，并且在恶劣天气条件下，微生物不会流失，可以稳定地为作物提供营养。Proven是全球唯一上市的合成生物学驱动的微生物氮肥产品，2021年，已在超过 100 万英亩的农田上使用；同比增长超过 300%。据官 统计，该产品一经上市，六周内迅速售罄，表明农民对农产品新技术的强烈需求。据Pivot Bio2020年绩效 告分析，Proven在农产品（玉米）生物量上的应用表现出显著优势，使玉米生物量整体增加了 9%。

有了Pivot Bio PROVEN，种植者可以与他们的土地建立更紧密的合作关系，充分利用他们的土壤和微生物。Pivot Bio微生物是通过发酵生产的。给他们喂养糖，然后让它们生长，直到它们达到足够高的浓度，然后卖给农民。发酵取代传统的Haber-Bosch Process技术，这是一种生产合成氮的高能耗生产工艺，可减少98%的潜在温室气体排放。

Pivot Bio估计，如果将Pivot Bio PROVEN产品用于35％的玉米田，将减少近20000公吨的一氧化氮排放，相当于减少150万辆汽车的行驶。Temme补充说，这可以防止多达50万吨硝酸盐渗入水道。

Pivot Bio Proven是如何工作的：氮是构成生命的基本元素之一。它也是地球上最普遍的资源之一，构成了地球大气的80%。不幸的是，氮对作物来说是无法承受的。大气中的氮键非常强，使得将养分分解成适合植物生长的形式的过程更加复杂。一些土壤微生物可以分解大气中的氮，为植物创造一种可用的形式。然而，由于一个世纪的化学合成肥料的使用，这种与生俱来的能力已经休眠，削弱了这种与生俱来的能力。Pivot Bio能够提高微生物分解大气氮的能力，并通过激活它们自己的DNA将其转化为可用的形式。然后这些微生物变成了微小的氮工厂。Pivot Bio从寻找DNA中具有产氮代码的微生物开始。然后，利用微生物自身的基因，激活氮的产生并使之超负荷。Pivot Bio PROVEN微生物一旦被开发出来，就会吸收大气中三键结合的氮分子并将其折断，从而产生植物生长和生产所需的氮。把氮键想象成两片乐高，它们被绑在一起。仅仅把两块乐高积木分开是很困难的。但是，当更多的部件被添加进来时，它可以创造足够的杠杆，使分离成为可能。Pivot Bio PROVEN微生物包括这些专门的工具来分解分子，否则需要大量的能量才能分离。虽然微生物本身需要氮——就像所有生物体一样——但它们只能使用这么多。氮处于恒定的运动状态，很容易从一种状态流向另一种状态。当微生物产生过量的氮时，氮会从细胞壁渗出，由于离玉米根很近，氮会立即被植物吸收。微生物从不停止生产氮，确保有稳定的供应流出微生物膜，供植物使用。

Pivot Bio RETURN是Pivot Bio推出的第二款产品，用于高粱和小麦种植。通过直接附着在植物根部，Pivot Bio RETURN能够在作物最关键的生长阶段持续向高粱和小麦植株提供氮，从而使植株更大，植株干重增加。

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历史融资

表1：Pivot Bio历史融资情况

从2014-2021年，Pivot Bio获得众多投资机构支持，先后完成6轮融资，总融资金额超6亿美金。

本期，熊猫君与大家分享了Pivot Bio的公司研究。未来，熊猫君将会与大家共同分享更多的农业公司研究，欢迎大家持续关注。

参考资料：

1. Pivot Bio. (2022). https://www.pivotbio.com.

2. 35斗. (2020). 总融资超6亿元，微生物固氮创新公司Pivot Bio深度解析. 35斗.

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1657496037558623483&wfr=spider&for=pc.

3. 深波. (2021). 微生物氮肥企业: Pivot Bio获4.3亿美金D轮融资，抢占600亿美金市场. antpedia分析测试百科 .

https://ibook.antpedia.com/x/650707.html.

4. DeepTech深科技. (2022). 取之于土，用之于土，Pivot Bio释放土壤中微生物的固氮潜力. 腾讯新闻.

https://view.inews.qq.com/a/20220320A09T5D00.

5. 食品君. (2021). 氮足迹，你造吗？一 了解微生物固氮行业的过去、现在和未来. 贤集 .

https://www.xianjichina.com/special/detail_500012.html.

6. 企名片. (2022). http://pro.qimingpian.cn/#/.

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