冯烁, 李红娜, 宋婷婷, 颜蒙蒙, 李路瑶, 朱昌雄

中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

随着人口增长、经济快速发展及城镇化进程的推进，大量污染物进入环境中，当超过环境的自我恢复能力时，会出现环境污染现象[1]。生物修复技术是利用培育的植物或培养接种的微生物的生命活动，对污染物进行转移、转化与降解作用，从而使污染物得到净化[2]。与物理、化学等技术相比，生物修复技术具有成本低、简洁高效、对环境影响小等特点，因而成为环境污染修复技术领域的研究热点[3-4]。

近年来，越来越多的企业和科研院所开始重视专利分析的价值。通过专利分析，可以帮助制定正确的科研创新方向，避免科研重复，以便集中力量开展特定领域的科技研发。Innography是Pro Quest Dialog公司旗下最新的专利检索与分析平台，其收录来自90多个国家和地区，超过 8 000 万件的同族专利、法律状态和专利全文[7-8]。通过Innography独有的专利强度指标可以判断专利价值，其中气泡图分析可以反映专利申请人的经济实力和技术综合实力，根据聚类分析还可以实现相关技术领域的专利分析，为科研和开发工作的高效开展提供帮助[5-6]。如汪丽娅[9]利用Innography平台搜索了废水处理技术领域的专利情报，分析了我国废水处理技术与美国、日本等发达国家之间的异同点；陈蔚丽[7]从专利的年度发展趋势、专利权人、专利技术热点和核心专利等方面，分析了全球固体废物综合利用技术情况及中国、日本、美国等技术重点国的详细情况；孙秀良等[10]对全世界生物质能源专利进行了分析，揭示了生物质能源领域的专利布局、技术来源、主题分布、竞争态势、发展趋势等，进一步挖掘了核心专利，并剖析了我国的专利现状；Saini等[11]对地下污染物，特别是石油碳氢化合物的污染专利进行了研究和分析，特别是对利用生物修复和电动力学对地下水环境进行修复等方面的专利进行了分析整合；Dhar等[12]针对厌氧条件下PAHs的微生物降解等专利进行研究，为环境中PAHs的降解提供重要依据和有效手段；刘小平等[8]针对青蒿素类和抗抑郁药物的技术专利情报进行了分析，提出全球青蒿素类药物研发正处于快速发展时期，中国拥有该领域大量专利，但绝大多数核心专利均掌握在美国等西方国家手中。目前鲜见作为解决土壤、水体(包括地下水)、海滩的污染治理以及固体废物处理的主要途径之一的生物修复技术专利分析的研究报道。为了探索国内生物修复领域新技术、新方法的研究热点和方向，笔者以Innography平台为基础，开展以生物修复为主题的技术专利评价，掌握该领域相关技术的发展现状和未来趋势，以期为我国环境修复工作提供研究思路和理论指导。

1 数据来源与研究方法

数据来自Innography专利检索与分析平台，检索时间为2020年12月30日，检索式为@(abstract, claims, title) (bio remediation or bioremediation)。由于从专利申请到公开有18个月的滞后期，因此截至检索日还存在大量未公开的专利，故通过引用文献对近3年的研究内容和论点进行补足。共检索到 1 656 件专利，来自804个组织机构。对这些专利进行数据清洗、同族扩增处理后，得到 1 125 件专利。其中，授权专利693件，授权专利中的有效专利(截至检索日，已经授权且仍处于维持状态的专利)为608件。

采用Excel软件对数据进行分析，通过专利申请数量变化、专利第一申请人所属国家/地区、专利技术应用国、国际专利分类法(IPC)分类、专利申请人、来源区域以及竞争态势等分析，得到生物修复相关技术在中国以及全球的专利发展情况。

2 全球生物修复技术专利分析

2.1 专利数量变化趋势

不同国家/地区生物修复技术专利申请数量存在着很大的差异。全球生物修复技术专利申请数量从1972年的1件逐渐上升到2020年的129件，顶峰出现在2017年(144件)。可见，生物修复技术逐渐得到全球的关注，且关键技术的创新和研发有了很大的发展。专利技术的发展历程可以分为萌芽、生长、成熟和衰老4个阶段：萌芽阶段，基本发明、核心技术和基本专利产生；生长阶段，基本发明纵深发展和横向转移，逐渐普及至各相关领域；成熟阶段，技术日趋成熟并且不断改良和完善；衰老阶段，专利数量逐渐减少，但外观设计和商标的申请数量却相对升高[13]。以此为依据，从全球来看，2000年前，生物修复技术专利处于萌芽阶段，数量变化不明显；2002年后，专利数量迅速上升，进入生长和成熟阶段，并在2015年达到顶峰。值得一提的是，在萌芽阶段，美国申请的专利授予数量从1990年的2件增加到了1999年的6件，表现出上升趋势，这与美国作为发达国家较早开展生物修复技术的研发和使用并利用相关技术进行环境改善的状况是相吻合的[14]。我国在2015年发布的《中国环境状况公报》是促进我国生物修复技术快速发展的重要原因之一。

利用Innography专利状态筛选功能，得到生物修复技术有效专利608件。不同国家/地区生物修复技术有效专利情况也有所不同。中国生物修复技术有效专利数量在2002年前较少，自2007年开始逐渐增长，在2015年达峰值(21件)。近10年中国专利申请数量保持高度增长的态势，授权且处于有效状态的专利数量基本上与之相匹配。大部分有效专利的公开时间都在2010—2016年，在此之前公开且目前有效的专利数量较少，仅有1999年申请的6件专利当前仍处于维持阶段，包括澳大利亚Terralift International, Ltd.的“A method for remediating a medium”(专利号AU4689999 A)和美国Lane, Kerry Scott的“Method and system for assay and removal of harmful toxins during processing of tobacco products”等，其针对烟草制品加工过程中有害毒素的测定和去除方法提出了新的技术工艺，相关的产品和设备现在仍在全球范围内广泛应用，因此专利权人一直在维持着这些核心专利。中国最早的1项生物修复有效专利是在2002年申请的，近年来中国的有效专利数量迅速增加，到2015年已经达21件。

2.2 专利所属国家/地区

对申请的专利数量按照第一发明人所属国家/组织进行分析，结果如表1所示。由表1可知，生物修复技术专利数量排名前6的国家分别是中国(543件)、美国(511件)、韩国(76件)、日本(69件)、英国(59件)和德国(53件)。中国申请的专利数量最多，美国紧随其后；韩国、日本和英国分别位居第三、第四和第五，但其专利数量远远低于中国和美国[15]。

表1 生物修复相关专利申请人所属国家/组织分布Table 1 Distribution of countries/organizations of bioremediation related patent applications

2.3 国家/地区应用专利权限范围

专利技术应用国家/组织权限反映该发明未来可能实施的国家或地区，其结果如表2所示。由表2可知，生物修复技术申请专利数量排名前5的国家/组织分别是中国(557件)、美国(314件)、世界知识产权组织(142件)、欧洲专利局(104 件)、德国(100件)。在中国被设定权限的专利授予量最多，表明中国是生物修复相关技术专利应用的主要国家。

表2 生物修复相关专利应用国家/组织分布Table 2 Distribution of application countries/organizations of bioremediation related patents

2.4 IPC分类分析

IPC是目前全球通用的对专利文献进行技术分类的一种方法，主要用于分析专利结果中的主题分布，通过特定领域专利信息IPC的统计，可以直观地统计专利的技术领域分布情况。将生物修复技术专利进行IPC统计分析，结果如图1所示。由图1可知，全球申请的生物修复技术专利主要集中于A610 0/00(医学、兽医学、卫生等方向)、C120 0/00(生物化学、啤酒、微生物学、酶制剂工程或基因突变工程等方向)、C020 0/00(废水、污水处理和污泥等方向)、G010 0/00(测量测试方向)和B090 0/00(固体废物处置、污染土壤复垦方向)几大领域。

2.5 专利申请人竞争态势

Innography的专利申请人气泡图分析能直观体现专利申请人之间的技术差距和综合经济实力。利用不同颜色的气泡代表不同的专利申请人，根据气泡的大小由横坐标体现其专利数量、技术性强弱、专利数量占比、专利被引用情况以及专利分类等相关因素；由纵坐标体现专利申请人所在企业或机构的实力，包括专利申请人的收入、专利国别、专利涉案情况等，专利申请人的经济实力越强，纵坐标值越大[17]。在生物修复行业中专利申请数量排在前50名的机构专利申请与收入情况见图2。由图2可知，日本Roche Holding公司的气泡最大，表明其申请专利的数量最多(17件)，该公司主要从事制药行业，在无机化学、有机化学和高分子化学方面申请的专利数量最多，其最具影响力的1件专利涉及苯并三唑衍生物类的CDK调节剂(专利号2007780033449)；同时，该公司的气泡在图的最右但高度有限，说明Roche Holding公司在该领域的综合技术创新能力强大，但是综合经济实力相对薄弱。

图2 生物修复专利申请人气泡图(排名前50)Fig.2 Bubble diagram of bioremediation patent application(Top 50)

3 生物修复技术核心专利分析

专利强度是直观体现专利价值的综合性判断指标，专利权利要求数量、专利引用与被引用频次、专利家族、专利诉讼数量、专利年龄、专利申请时长等多个专利价值衡量要素。Innography将相关技术领域中专利强度大于80%的定义为核心专利，专利强度为30%～80%的定义为重要专利，专利强度小于30%的定义为一般专利。同族去重后生物修复相关的核心专利共有42件。

3.1 专利第一发明人所属国家/地区

对核心专利第一发明人所属国家/地区进行统计分析，排名前5位的结果如图3所示。由图3可知，80.0%的生物修复技术核心专利都掌握在美国手中，其拥有33件专利，遥遥领先于第二名的中国(占比5.7%，2件)，而荷兰、英国、欧洲等的核心专利数量相同，均为1件。这表明美国在该领域拥有较为雄厚的技术创新实力，在全球的生物修复技术和资源化利用的市场中占有重要的位置[18]，而中国尚需加大在该领域的技术研发和产业的推广应用。

图3 核心专利数量占比排名前5的国家/组织Fig.3 Distribution of the number of core patents in different countries/organizations(Top 5)

3.2 专利权人竞争态势

对生物修复技术核心专利的专利权人的分析结果表明，42件核心专利分布于35个专利权人手中，其中，排名前20的专利权人如图4所示。由图4可知，排名前3的专利权人拥有相同的专利申请数(3件)，这说明排名靠前的专利权人竞争态势较为激烈。

图4 核心专利数量排名前20的专利权人专利数量占比Fig.4 Proportion of Top 20 patentees in the number of core patents

将核心专利按照其所属专利权人进行气泡图分析，专利权人拥有核心专利数量排名前20的气泡图如图5 所示。由图5可知，处于第一象限(横纵坐标均较高)的专利权人数量为0，表明综合实力与技术创新能力均较强的专利权人不存在。International Game Technology PLC公司和Intel Corporation公司的位置最靠右，表明其拥有的核心专利数量最多(分别为11和9件)，但综合实力相对薄弱；Amazon.com Inc.公司在整个气泡图中的高度是最高的，表明其具有最高的综合实力，但其气泡大小并不突出，技术创新能力有待提高，其拥有的核心专利数为3件。此外，分布在气泡图左下角象限的专利权人是最多的，包括Tersus Environment, LLC公司，METAQOR LLC，Mard Continental Inc.等，表明核心专利的分布仍较为分散，大多数专利权人仅拥有1～2件专利，综合实力和技术创新能力都有待进一步加强。

图5 核心专利的专利权人气泡图(Top 20)Fig.5 Bubble diagram of the patentees of the core patents(Top 20)

3.3 专利技术主题分析

对强度大于80%的42件核心专利进行文本聚类分析，进行当前领域的技术热点统计，结果如图6所示。由图6可知，当前生物修复技术领域的核心技术热点主要集中于remediation(13件)、contaminants(8件)、organic compounds(4件)、power consumption(2件)和water treatment(2件)5个领域。美国、中国和日本等在以上领域较为领先，污染、有机复合污染、能源消耗、水处理等是当前这几个国家研究的热点方向，如美国的石油污染场地修复案例中超过50%采用生物修复技术[19]，日本将污染物生物修复技术列入国家重点发展领域。目前，污染物生物技术的应用涵盖水体中污染物的降解和土壤中有机污染物的降解等诸多方面[20]，其成为生物修复技术中需要关注的重点问题，也是专利保护的核心方向[21]。

图6 核心专利技术热点文本聚类分析Fig.6 Text cluster analysis of core patent technology hotspots

4 中国生物修复技术相关专利分析

4.1 专利权人

将 1 125 件专利按照source(inventor location)定位中国专利，得到399件专利。按照专利权人申请的专利数量对这些专利进行统计分析，结果如图7所示。由图7可知，专利权人申请的专利数量排名前5的分别是马鞍山新洲葡萄酒公司(4件)、中国科学院(3件)、南京大学(3件)、哈尔滨工业大学(3件)和西安建筑科技大学(2件)，中国石油化工集团公司排名第6(2件)，江南大学、四川大学、上海交通大学各拥有2件专利。中国的生物修复技术相关专利申请人比较分散，其中马鞍山新洲葡萄酒公司主要致力于废水处理的专利研究；中国科学院近年来主要的专利方向为地下水资源和污染处理等；而哈尔滨工业大学和南京大学主要研究和申请专利的方向在有机复合污染和能源消耗等方面。

图7 中国不同专利权人申请的生物修复专利数量占比Fig.7 Proportion of the number of bioremediation patents applied by different patentees in China

4.2 专利竞争态势

中国生物修复技术相关专利数量排名前20的专利权人气泡图如图8所示。由图8可知，马鞍山新洲葡萄酒公司、中国科学院和中国石油化工集团公司3个专利权人的气泡最大，马鞍山新洲葡萄酒公司和中国科学院较靠右，表明马鞍山新洲葡萄酒公司拥有最高的技术创新能力，而中国科学院拥有较强的综合实力。

图8 中国生物修复相关专利的专利权人气泡图(Top 20)Fig.8 Bubble diagram of Chinese bioremediation related patents(Top 20)

对中国生物修复技术领域的专利进行文本聚类分析，结果如图9所示。由图9可知，当前中国生物修复技术研发的热点主要集中于生物标记(bio marker，121件)、医学(medicine，154件)、废水(waste water，67件)、生物可用性(bio availability，64件)和重金属(heavy metal，48件)5个领域，这与全球领域的生物修复技术污染治理和资源化利用的主要方向基本相一致[22]。1996年我国在地下水的修复中首次出现利用生物修复技术手段的专利。

图9 中国生物修复相关专利的文本聚类分析Fig.9 Text cluster analysis of Chinese patents related to bioremediation technology

5 结论

(1) 2002年后全球生物修复技术专利数量迅速上升，该领域技术专利进入了生长和成熟阶段。中国是生物修复技术专利申请数量最多的国家，2015年以后申请的专利数量呈快速增加趋势，这与我国近年来对专利保护的重视以及加大对环境污染修复的投入力度密不可分。

(2) 42项生物修复技术核心专利中，美国占80.0%，但综合实力与技术创新能力均较强的专利权人较少；中国占5.7%，实力较美国还存在很大的差距。

(3) 中国的生物修复技术专利中，排名前5的专利权人(马鞍山新洲葡萄酒公司、中国科学院、南京大学、哈尔滨工业大学和西安建筑科技大学)均拥有较强的综合实力和技术创新能力。但含金量、市场优势和竞争力还有待进一步提升。因此，中国专利权人应积极挖掘自身的技术创新潜力，不断提高科研人员对专利知识和技术应用有效结合的能力，不断优化申请专利的质量。

(4) 全球生物修复技术专利的热点主题分布在有机污染物、能耗、水处理等方向，中国专利的热点主题细化到生物标记、医疗、废水、生物可用性、重金属和地下水等重要领域。土壤重金属和有机污染物污染修复、城市水环境和地下水环境污染问题将会是未来的热点研究领域。