Astamuse 分析農業氮循環技術趨勢：硝化抑制、生物固氮與精準施肥成為焦點

Astamuse 株式會社（總部：東京都千代田區，代表取締役社長：永井步）針對農業中的氮循環技術領域，全面分析了自有創新資料庫（包含論文、專利、新創企業、研究補助等創新與研發資訊），並彙整成趨勢報告。 農業中的氮循環技術，是指透過控制農業生產過程中的氮損失，同時解決溫室氣體排放、水質污染與施肥效率等問題的技術領域。氮是植物生長不可或缺的元素，但也會對地球環境造成重大影響。20 世紀初開發的哈柏-博施法使合成氮肥得以大量生產，大幅提升了農業生產力。然而，施用肥料中所含的氮，實際上約只有 50% 能被作物吸收，其餘一半會流失到環境中。 這種「氮損失」是農業中最大的未解課題之一。流失的氮有一部分會以一氧化二氮（N₂O）的形式排放到大氣中。農業被認為占人類活動造成的 N₂O 總排放量約 60% 至 70%，並會導致全球暖化與臭氧層破壞。此外，以硝酸態氮（NO₃⁻）流入水體的氮，會造成湖泊與沿岸海域優養化，也可能污染飲用水。 「農業氮循環技術」試圖透過控制這些氮損失，同時解決三項課題：（1）減少 N₂O 排放以因應暖化，（2）防止硝酸態氮淋洗以保護水質，（3）透過精準施肥最大化效率。這三項課題的共同根源，在於土壤微生物進行的「硝化」與「脫氮」代謝過程。硝化是肥料來源的銨離子（NH₄⁺）經微生物作用，透過亞硝酸態氮（NO₂⁻）轉化為硝酸態氮（NO₃⁻）的過程。脫氮則是 NO₃⁻ 階段性還原為氮氣（N₂）的過程，其間可能副產溫室氣體 N₂O。 有效方法之一是「硝化抑制劑」。這類物質可抑制 NH₄⁺ 轉化為 NO₂⁻，使 NH₄⁺ 在土壤中維持更久，進而同時抑制 N₂O 產生、防止硝酸態氮流出，並提升施肥效率。能以單一手段對應上述三大課題，是此技術的特徵。 政策面也正在加速推進。以歐盟 2020 年制定的「Farm to Fork 戰略」與日本 2021 年提出的「綠色糧食系統戰略」為代表，各國陸續將減少化學肥料使用與實現永續農業列為長期目標。技術開發與政策誘導雙軌並進，是此領域的重要趨勢。 本報告運用 Astamuse 獨自資料庫，分析與「農業氮循環技術」相關的技術趨勢，涵蓋專利、論文、研究補助與新創企業四大領域，並以 2015 年至 2024 年近十年資料為基礎。 在專利方面，Astamuse 從其專利資料庫中，抽取標題與摘要包含「固氮」「硝化抑制」「N2O 減少」「精準施肥」等關鍵字的 7,121 件專利母群進行分析。關鍵字趨勢顯示出三大技術潮流。 第一是硝化抑制技術的多樣化。與化學硝化抑制劑分子骨架相關的關鍵字集中出現在 2020 至 2022 年，其中「pyridine-4-carboxamide」涉及新化合物探索，「nitrapyrin」則與既有藥劑的製劑技術改良有關，例如聚合物複合體與微膠囊化。與植物根部分泌的生物性硝化抑制物質「sakuranetin」相關的專利，也自 2021 年後持續增加。研發重點已從新化合物探索，擴展到降低環境負荷的製劑與天然來源替代方案。 第二是生物固氮（BNF）技術的農業應用擴大。「nitrogen-fixation」「nitrogenase」等固氮基礎技術相關關鍵字，在十年間維持穩定申請量。尤其值得注意的是「endophytic（內生菌）」與「non-leguminous（非豆科植物）」相關關鍵字的成長，顯示市場對不依賴豆科植物與根瘤菌共生關係的新方法興趣升高。與「nosZ」「GmNAP1/GmNAS1/GmNFYC10a」等基因相關的關鍵字也開始出現，代表分子生物學基礎研究成果正被轉化為專利權利。 第三是 N₂O 減排與精準氮管理的萌芽。「variable-rate（變量施肥技術）」用於感測器與資料連動的智慧施肥、精準施肥農機專利，2015 年後呈緩慢增加。「n2o」「nitrous」等直接指涉溫室氣體 N₂O 的關鍵字在 2020 年後增加，顯示農業氮管理已被明確定位為氣候變遷對策。隨著碳權市場整備與各國政策推進，未來相關專利申請可望增加。 從國別來看，中國申請件數最多，於 2016、2017 年達高峰，2021 年觸底後，自 2022 年起轉為回升。高峰期專利主要由肥料業者主導，著重有機廢棄物再利用與肥料物理包覆等產品化技術。但 2022 年後，技術重心轉向使用無人機與 AI 的智慧精準施肥、以基因編輯強化 BNF，以及以 N₂O 減排為目標的碳管理系統。申請人也從單獨申請轉向大學與高科技企業的產學合作，顯示研發品質正在轉型。 排除中國後，美國申請件數最多，PCT 國際申請（WO）也接近同等水準，顯示以多國權利化為目標的國際申請正在活躍。近年中國以外的申請中，較突出的創新包括以基因改造微生物為非豆科植物固氮、運用生分解性聚合物的環境友善製劑，以及與碳權市場連動的 N₂O 排放量化系統。 報告也介紹了值得關注的專利案例，包括 Soilgenic Technologies 的生分解性聚合物液體肥料添加型硝化抑制劑、華盛頓大學設計的內生固氮菌微生物群以提升非豆科主要穀物固氮能力，以及南京農業大學結合 CLUMondo 土地利用變化模擬模型與機器學習的農地 N₂O 排放動態預測系統。 Astamuse 表示，本次僅公開部分分析結果。該公司除氮循環技術外，也持續分析各種尖端技術與先進領域，並提供給企業與投資人。透過研究補助、新創企業、專利與論文等資料來源，Astamuse 可從多種時間軸與參與者視角進行綜合分析，協助制定 R&D、M&A 與事業策略，並以回溯方式掌握中長期機會與威脅。