微生物安全產業發展策略研究

宋仲戩，李曼，胡梁斌，王春明，魯曦，劉開輝， 張麗佳，宇巖，吳清平

（1. 廣東省科學院微生物研究所，華南應用微生物國家重點實驗室，廣東省微生物安全與健康重點實驗室，廣州 510070；2. 陜西科技大學食品與生物工程學院，西安 710021；3. 廣東省科學院信息研究所，廣州 510070）

一、前言

微生物安全是以病原微生物為對象，利用現代科學技術方法，對其在人類生活與健康、國家安全、經濟社會、生態環境等方面已產生或潛在存在的各種危害和風險進行檢測、診斷、防控（見圖1）。微生物安全問題成為全世界、全人類面臨的重大生存與發展威脅，對糧食安全、公共衛生、社會穩定構成嚴重影響。例如近20年來，嚴重急性呼吸綜合征（SARS）病毒、埃博拉病毒、甲型H7N9禽流感病毒、新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）等接連出現，單增李斯特菌、致病性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等導致臨床感染，具有致病性和耐藥性的“超級細菌”不斷涌現，這些都嚴重威脅著人類健康。

圖1 微生物安全產業的基本構成

我國同樣面臨嚴峻復雜的微生物安全形勢，新發、再發傳染病威脅不容忽視。針對于此，國家加強微生物安全體系建設，制定《病原微生物實驗室生物安全管理條例》《“十三五”生物技術創新專項規劃》《“十三五”國家食品安全規劃》《中華人民共和國生物安全法》《新型冠狀病毒預防用疫苗研發技術指導原則（試行）》等一系列涉及微生物安全產業的政策、法律、規劃；加快建設生物安全國家戰略資源平臺，建成中國科學院武漢國家生物安全實驗室、國家昆明高等級生物安全靈長類動物實驗中心、國家動物疫病防控高級別生物安全實驗室等生物安全四級實驗室，體現了微生物安全體系建設進展。

國際微生物安全產業快速發展，呈現出巨頭主導的競爭格局，市場集中度較高，聚集了一批著名跨國企業。在我國，受制于生物醫學、機電一體化應用水平相對落后，微生物安全產業發展比較緩慢，與國際先進水平存在差距。隨著國家產業發展政策有所側重，疊加新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情防控的推動效應，相關產業近期取得了較快增長。為加快構建微生物安全體系，應對重大新發突發傳染病、動植物疫情、不明原因的生物安全事件，亟需強化重大創新研究，推進基礎平臺、人才隊伍、科學大數據庫建設。本文旨在開展微生物安全產業發展路徑研究，以期為行業創新發展和宏觀管理提供基礎參考。

二、微生物安全產業的發展需求

（一）重大傳染性疾病檢測的迫切需求

病原微生物造成重大傳染性疾病，發生頻率和危險等級均較高。2002—2003年，涉及世界30多個國家和地區的SARS疫情，累計臨床報告病例為8400多例 [1]。2013年，甲型H7N9禽流感病毒流行造成經濟損失約800億元，給我國食品行業帶來了極大的負面影響。非洲西部地區至今尚未完全從2014—2016年暴發的埃博拉病毒疫情中恢復過來，影響范圍甚至擴散到了歐洲、北美洲 [2]。自2018年非洲豬瘟在我國暴發后，我國銷毀豬只約1.2×106頭，直接經濟損失較大 [3]。在全球范圍內仍在肆虐的COVID-19疫情，對人類發展、各國社會穩定影響深遠，造成的經濟損失難以估量 [4]。

傳染性疾病監測可有效防止病原微生物的傳入和傳出，早期預警可有效應對突發公共衛生事件，做到早識別、早防控，為降低患病率、死亡率提供基礎保障。傳染病監測系統獲得良好發展后，將增強對傳染病暴發的早期察覺能力、早期識別能力，提高公共衛生信息資源的共享質量。針對重大傳染性疾病檢測需求，微生物安全產業需加速研制體外診斷相關的儀器、設備、試劑等新產品，推動高特異性分子診斷、生物芯片等前沿技術的發展與應用。

（二）保障食品安全的基礎需求

食品受微生物污染可造成消費者食物中毒，微生物成為影響食品安全最重要的因素。食物中毒類型與不同區域人群的飲食習慣有著密切關系：美國居民多食肉、蛋、糕點類，葡萄球菌食物中毒最多；日本靠海，居民喜食生魚片，副溶血性弧菌食物中毒最多；我國居民食用畜禽肉、禽蛋類較多，以沙門氏菌食物中毒最多。針對食源性疾病嚴重威脅人類健康的客觀實際，微生物安全產業需增加微生物檢測產品的供給量，合理增設食品安全檢測機構以加強食品安全監管力度。

微生物安全研究有助于掌握食源性致病微生物的危害形成及遺傳變異規律。高通量、高靈敏度的新檢測技術與裝備研發體系建立后，將推動我國食品安全檢測、監測與風險預警、溯源及控制技術水平邁上新臺階。

（三）建立微生物防控體系的重大需求

在COVID-19疫情防控工作中，核酸檢測儀器和生物安全三級、四級實驗室成為世界病原微生物防控體系的關鍵支撐。我國亟需完善已有的微生物防控體系，研制更為先進的微生物防控裝備及核心元器件，以有效應對突發性疾病的暴發、高致病性微生物的流入。

三、我國微生物安全產業的發展現狀

（一）微生物檢測與診斷市場容量擴能、產業能力升級

微生物檢測與診斷指運用微生物學理論與方法，從原液樣本中進行取樣，在體外無菌環境中進行擴大培養，鑒定或檢驗微生物的種類、數量、性質對人體健康的影響，輔助臨床判斷病人致病機理與用藥科學性，測定食品質量情況。2017年，世界微生物檢測與診斷產業的市場規模約為162億美元， 增速為4.75%；自COVID-19疫情暴發以來，重大需求推動了產業規模的快速發展，2020年全球SARS-CoV-2病毒檢測費用超過1000億美元。

1. 傳統微生物檢測與診斷進入成熟期

傳統微生物檢測與診斷通過病原學診斷、藥物敏感性分析，為臨床傳染性疾病的預防、診斷、治療、療效觀察等提供依據；可細分為菌種培養、鑒定、藥敏試驗，應用場景主要是感染科室常用菌種的鑒定及用藥指導，如肺部感染、腸炎、陰道炎等場景下的菌群確定。該方向經過多年發展進入了成熟期，產業態勢相對平緩。

傳統微生物檢測與診斷方向的發展主要表現在改進培養基，以研發新型的特異性顯色培養基為代表。不同致病菌在代謝過程中能夠產生特異性的酶，通過一定方式觀察菌落的熒光/顏色，可一次性完成檢測、計數、鑒定；顯色培養基技術將傳統的致病菌分離與生化反應鑒定結合起來，檢測結果直觀，成為微生物快速檢測的主流技術。國內企業和機構開發了常見食源性致病菌特異性的生化顯色培養基，顯著簡化了檢測與鑒定流程（所需時間從7~15 d縮短為1~2 d）。

載體培養法以顯色培養法為基礎，近年來發展迅速；利用無毒的高分子材料作為培養基載體，將特定的培養基和顯色物質附著在上面，通過微生物在培養基上面的生長特征、顯色反應來鑒定微生物。國產微生物測試片系列產品，包括菌落總數、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌/大腸菌群、酵母/霉菌、沙門氏菌等測試片，適用于GB 4789食品微生物學檢驗國家標準，檢測靈敏度高、特異性強、結果準確，可在24~48 h內完成檢測。

2. 核酸檢測與診斷形成完善的應用體系

核酸檢測技術經過數十年的發展，整體較為成熟，為核酸檢測產品及服務提供了關鍵支撐。核酸檢測技術適用于對病原體感染的早期診斷，病原體的檢測品類豐富。相較于傳統的微生物檢測，核酸PCR、新一代測序（NGS）檢測平臺均處于發展期；盡管NGS技術起步晚、價格貴、普及度低，但具有高通量、高精度、快速等突出優勢，未來應用前景廣闊 [5]。

COVID-19疫情等感染性疾病的新發、再發，對微生物臨床診斷的準確性、實效性提出了更高要求 [6]。目前，核酸檢測試劑盒主要采用的是對SARS-CoV-2特征核糖核酸（RNA）序列進行逆轉錄PCR擴增反應，平均檢測時間2~3 h，特異性強、靈敏度高，在疫情精準防控方面發揮了重要作用。2019年我國核酸檢測市場規模為106億元（約占全球的18%），增速超過15%，是全球最具潛力的市場。2020年以來隨著COVID-19疫情防控的需求而出現了爆發式增長。

也要注意到，國內相關企業聚集在技術門檻低、研發投入低的試劑產品生產環節，核酸檢測設備仍然依賴進口；亟需加大對核酸檢測一體化設備的研發投入，快速增強檢測設備的自給能力。一些企業基于早期的檢測試劑研發業務，逐步拓展到PCR分析儀、基因測序儀等核酸檢測設備的研發，國產一體化設備已有產品上市。

3. 微生物免疫學檢測與診斷的規模化、集約化程度一般

免疫學檢測與診斷指通過抗原與抗體相結合的特異性反應進行測定的方法，在微生物安全方向主要是檢測傳染性疾病。微生物檢測產品的消費需求來自食品安全檢測、醫學臨床檢驗、血液篩查等。各類醫學臨床檢驗、食品安全檢測是微生物檢測及診斷產品的主要應用領域，包括數量龐大的醫院、體檢中心、獨立實驗室、疾病預防控制中心、計劃生育指導站、食品企業、食品安全檢測機構等。

在我國，免疫診斷是規模最大的體外診斷細分行業，將繼續保持快速發展。雖然中低端診斷設備、診斷試劑方面的國產化進展良好，但高端免疫診斷市場仍由國際巨頭企業主導，國產化程度不高。特別是在屬于核心技術方向的免疫診斷原材料方面，診斷用配對抗體研發生產技術始終是制約國內企業取得突破的瓶頸環節。以免疫診斷最大的板塊即化學發光市場為例，2017年國產品牌的市場占有率僅約為5%；大多數體外診斷試劑企業的生產規模較小、集約化程度較低，產品質量參差不齊、低水平重復生產現象較為突出。

4. 微生物檢測與診斷裝備技術水平穩步提升

科技進步帶動了微生物檢測技術的發展，新型、先進、簡便的微生物檢測技術不斷出現，在逐步替代傳統方法的同時，促使檢測技術與標準的更新與完善。新型檢測技術的出現，配套應用與器械的更替，人員業務水平的提升，共同推動了微生物檢驗事業的穩健發展。

微生物檢測與診斷設備主要分為：檢測必須裝備，如生物傳感器、顯微鏡、接種儀、培養基自動化分裝系統等；微生物鑒定系統裝備，如質譜檢測系統裝備、實時檢測系統等；微生物脂肪酸分析（鑒定）系統。相關設備的國內生產商主要有鄭州安圖生物工程股份有限公司、湖南長沙天地人生物科技有限公司、山東鑫科生物科技股份有限公司。另外，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所自主研發的三重四極桿質譜儀，在離子源、四極桿、射頻電源、控制系統等多個核心技術方面獲得突破，整機性能指標達到國內領先水平。

（二）微生物防控對人類健康和社會經濟的重要性不斷提高

流感病毒持續威脅人類健康，埃博拉病毒致人死亡的病例時有發生，這些都引發了國際社會的高度關注；SARS、COVID-19疫情凸顯了微生物防控的重要性。目前，微生物防控技術種類豐富多樣、手段相對齊全，按作用原理主要分為物理防控、化學防控、生物防控。

物理防控主要指醫用口罩 [7]、防護服、無菌濾膜、紅外測溫儀、紫外發光二極管、護目鏡等產品，通過加熱、過濾、超高壓、紫外線、微波、磁力、超聲波 [8]、冷殺菌、X射線，γ射線等物理方法去除物料內有害微生物的方法。我國在物理防控方面具有較強的實力，專利獲取數量排名世界第一，產品制造體系持續升級。例如，在COVID-19疫情暴發后，國內的口罩產能迅速提升，產值從2015 年全年的60多億元增長到2020年上半年的130億元。

化學防控主要指食品/化妝品防腐劑、消殺劑（氧化、酸堿、離子液體）、農用/獸用殺菌劑等。近年來，我國相關產能增長態勢良好，基本滿足了以COVID-19疫情防控為代表的社會需求；相關防腐劑企業在滿足國內市場的同時，積極開發國際市場，出口的防腐劑在世界市場中占有重要份額。

生物防控主要指利用噬菌體、細菌、真菌和微生物代謝物等生物手段來消除或減少致病微生物的方法。我國在微生物防控理論研究方面與世界一流水平仍存在明顯差距，亟需加大理論基礎研究以保障技術追趕；當前亟需建設高通量噬菌體合成和編輯平臺，開展耐藥細菌的噬菌體臨床試驗，以期突破超級細菌臨床感染的難題。

四、我國微生物安全產業發展面臨的問題

（一）具有自主知識產權的檢測控制技術相對缺乏

大型跨國公司通常全面掌握了致病微生物檢測與控制技術，以法國生物梅里埃公司、美國賽默飛世爾科技公司為代表。我國企業或研究機構在致病微生物檢測與控制科技研發方面起步較晚，技術創新資源的傳統積累較少，應用研究仍存在一定的不足；同時缺乏具有自主知識產權的檢測與控制技術，如現有的檢測靶標因缺乏自主知識產權而阻礙了分子檢測新技術及新產品的研發與應用。

（二）微生物安全專業技術人才不足

我國微生物安全方面的高水平科研人員數量不多，缺乏具有國際影響力的高水平科研團隊與機構，尚未形成一流的微生物安全研究環境，相比國際微生物前沿創新差距明顯。例如，微生物專業A+學科主要分布在清華大學、北京大學、上海交通大學等知名高校，但多數高校的微生物安全專業設置不足，專業人才培養路徑、基礎與應用研究培訓流程等均待完善。根據Web of Science統計，全球從事微生物安全（含農業、畜禽安全）相關的研究人員約有70萬人，其中從事人類病原微生物安全研究的約有5萬人；我國相關研究人員數量的占比約為10%（居世界第二位），但從事人類病原微生物安全研究的人員數量遠低于美國、英國等發達國家。此外，國內相關企業的微生物安全專業技術人才使用不合理，復合型微生物安全人才稀缺，普遍存在工作壓力大、人才易流失等現象。

（三）微生物安全產業政策尚不完善

微生物檢測的工作量繁重，檢測樣本的構成也比較復雜，對于檢測結果的準確性要求很高；通過各種物品傳播的病原微生物種類繁多，可能導致多種傳染性疾病，也對檢測技術提出了新要求。微生物安全涉及食品、醫藥、臨床、化妝品、環境衛生、農業等諸多領域，加之微生物種類繁多，導致我國具體指向微生物安全的市場標準化體系尚不完善；微生物安全產業在市場層面缺乏健全、成熟的制度規范體系，需合理加強對微生物安全的市場監管與規范。此外，微生物安全技術創新或產品研發活動，可能觸及生命科學的倫理道德，需加強必要的約束監管。

（四）高等級生物安全實驗室體系亟待補強

微生物安全與人類社會群體健康福祉有著密切關系，微生物安全技術研究和產品開發均需要高水平、高等級的實驗室條件以及系統性、高質量的基礎數據。國內專業開展微生物安全研究的機構有中國科學院武漢病毒研究所分子病毒學實驗室、省部共建華南應用微生物國家重點實驗室、軍事醫學科學院微生物流行病研究所、病原微生物生物安全國家重點實驗室等，但針對高致病性微生物安全防控目前僅有3個生物安全四級實驗室 [9]，不適應全面開展微生物安全研究的要求。

（五）具有國際競爭力的大型企業數量極少，產業聚集程度不足

國際微生物檢測市場發展成熟、集中度較高，知名大型企業集聚。相比之下，國內企業在微生物檢測與診斷方面基礎薄弱、受重視程度不足，因而產業營收與利潤率均不高；行業集中度偏低，缺乏具有國際競爭力的龍頭企業，沒有形成比較優勢。北京博奧生物有限公司、廈門艾德生物醫藥科技股份有限公司、上海之江生物科技股份有限公司等代表性企業，在微生物安全領域的市場份額普遍較小，產品未能進入國內外高端市場。

五、我國微生物安全產業的發展構想

系統規劃國家生物安全風險防控和治理體系，有助于促進微生物安全產業發展，全面提高國家生物安全治理能力。從發達國家經驗看，微生物安全的研究積淀離不開先進的實驗室條件、成熟的數據資源平臺。微生物大數據時代已經到來，微生物及其基因資源數據呈現爆發式增長，微生物學研究逐漸從以數據為支撐向以數據為中心轉變，因此海量數據的整理整合與開放共享變得至關重要 [10]。

我國微生物菌種資源豐富，為研究微生物安全科學、開發高新技術及產品提供了良好的基礎條件；《中華人民共和國生物安全法》明確了生物安全風險防控基本制度，為國家生物安全風險防控與治理體系建設提供了依據。這些因素為微生物安全產業發展創造了良好的外部環境，提供了巨大的市場機遇。瞄準微生物安全產業高質量發展目標，需要研制世界一流的微生物檢測防控產品和儀器設備，孕育一批具有國際競爭力的高新技術企業，建立國際化、高層次人才的集聚與培養高地，通過 15年時間成長為萬億元規模的市場。

到2025年，基于國家生物安全頂層設計，串聯組學核心要素，建成“病原微生物、農業微生物、工業微生物、人體微生物”一體化的微生物安全科學大數據庫，完善入庫數據標準、數據共享與數據融合新機制；建成多軟硬件支撐、多運行環境、用戶管理統一、支持生命科學與交叉學科應用軟件運行的高性能計算平臺，融入新型信息化技術（如人工智能、基因學習等），提供核酸序列比對、蛋白質結構預測、分子動力學模擬、基因組可視化等高性能科研計算服務；成立國家微生物安全信息中心，統籌實施微生物安全信息共享。

到2030年，建立微生物安全重大基礎設施平臺，圍繞“環境–工業–食品–動物–人群–臨床”全流程，完善“基礎研究–應用基礎研究–成果轉化”全鏈條，形成國際先進的創新技術群；建立創新技術研發中心，開展生物芯片、微生物質譜鑒定、宏基因組測序等前沿研究，自主研制檢測防控產品與儀器設備，突破國外企業的技術壁壘；按照實際需求擴建高等級生物安全實驗室，支持新發突發傳染病防控，拓展公共衛生防御體系能力，成為世界傳染病防控基礎與應用基礎研究的重要技術力量。

到2035年，針對微生物菌種保藏、科學研究、產業轉化三大主體功能，面向人口健康與醫藥、動物衛生、檢驗檢疫、生態環境安全四大領域，圍繞烈性、突發、外來、熱帶傳染病病原體的監測預警、檢測、消殺、防控、治療五大環節的需求，按照“統籌布局、網絡運行，應急優先、穩步推進，加強協調、科學管理”的原則，完成全國高級別生物安全實驗室的整體布局優化；建設世界一流的微生物安全產業基地，在構建國家高級別生物安全實驗室體系、微生物安全治理試驗區的基礎上，高質量建成微生物安全產業體系、微生物安全產業園區。

六、對策建議

（一）強化微生物安全創新研究平臺建設

基于現有的微生物菌種資源條件，研究和運用比較基因組學、蛋白組學、代謝組學、現代生物信息學等技術，自主發展標準菌種庫評價標準與檢測靶標；研制高通量芯片檢測技術和試劑盒，獨立構建全自動微生物生理生化鑒定系統；建設具有國際先進水平的致病微生物快速檢測技術平臺。

建設高性能數據運算與生物信息分析平臺，覆蓋基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等微生物組學研究需求，具備復雜數據的挖掘能力；合理建設高等級生物安全實驗室體系，具備開展高致病性病原微生物的研究能力；創建生物高新技術成果孵化基地，自主發展微生物安全的高新技術產品。

（二）構建微生物安全科學大數據庫，以人才建設驅動能力提升

針對自主知識產權缺乏、核心試劑與產品依賴進口等致病微生物檢測靶標方面存在的問題，充分運用現有的基因組等數據信息、新型生物信息學方法，積極研制有關危害物檢測與確證技術及產品；構建體現我國致病微生物特點的科學大數據庫，為致病微生物的快速檢測、有效溯源及危害控制提供新的契機。

以內生式人才培養為重點，加強微生物安全領域的創新科研團隊建設；不斷引進高層次的國際化人才，圍繞微生物安全產業核心問題，集聚科研院所和企業的優勢，帶動微生物安全產業關鍵技術的全面突破并支持微生物安全產業的穩健發展。

（三）設立“微生物安全重大創新專項”，突破關鍵技術瓶頸

瞄準產業國際前沿、立足國情和需求，科學論證“微生物安全重大創新專項”；找準微生物安全領域的重大系統創新、工程技術研究突破點，力爭掌握一批具有自主知識產權的種質資源、核心關鍵技術與產品；發展微生物先進制造工具體系，以關鍵核心技術的創新突破與產業化，保障微生物安全產業的高質量和可持續發展。

（四）壯大微生物安全龍頭企業，以標準規范保障產業發展

以微生物資源科學大數據庫為依托，建設微生物安全高新技術成果孵化平臺，產生一批重大科研成果，盡快轉化新型生物芯片、生物監測診斷等前沿技術并形成產品系列。支持微生物安全龍頭企業發展壯大，提升產品體系的高端化水平，形成國際市場競爭力和知名度。推動形成微生物安全企業聚集示范區，發揮龍頭企業的輻射帶動作用。

微生物安全產業的健康發展離不開標準規范。針對不同病原物的核酸檢測試劑，建議適時頒布相對應的技術審評政策、明確的申報注冊指導標準，便于微生物企業在新產品研發、注冊、申報階段的規范化和標準化操作，降低企業申報成本并提高試劑注冊申報的成功率。