土壤中磷、鉀、硅、硅三元素的有機(jī)轉(zhuǎn)化與利用

土壤中磷、鉀、硅、硅三元素的有機(jī)轉(zhuǎn)化與利用

20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家亞歷山大普羅從土壤中分離并釋放可分解的正長(zhǎng)石和磷灰石，并將其稱為磷酸細(xì)菌。在中國(guó)，它也被稱為鉀細(xì)菌。分類主要包括環(huán)磷細(xì)菌、細(xì)菌菌、假單胞菌和多粘菌。我國(guó)地域遼闊,土壤類型眾多,包括黑土、褐土、黃土、紅土和紫色土等。這些土壤中均含有豐富的磷、鉀元素,它們多以穩(wěn)定的鋁硅酸鹽和磷灰石狀態(tài)存在,不能被作物直接利用,需要轉(zhuǎn)化成“可給態(tài)”才能利用,硅酸鹽細(xì)菌是土壤中一類特殊的細(xì)菌,它們能分解僅僅由硅酸鹽和鋁硅酸鹽組成的巖石礦物,不僅具有溶磷、解鉀等作用,亦有固氮能力。因此硅酸鹽細(xì)菌是一類具有使礦物質(zhì)形式的磷、鉀元素轉(zhuǎn)化成可給態(tài)的重要土壤改良微生物。本研究針對(duì)硅酸鹽細(xì)菌的分布、研究方法、應(yīng)用等方面對(duì)國(guó)內(nèi)外硅酸鹽細(xì)菌的研究概況作一簡(jiǎn)要綜述。1土壤類型及立地條件對(duì)土壤中聚合物細(xì)菌群落的影響在自然界中天然存在著一類能夠分解硅酸鹽類并釋放可溶性鉀到土壤中為植物所利用的微生物,這類微生物被稱為硅酸鹽細(xì)菌。硅酸鹽細(xì)菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)條件要求不高,世界各地分布十分廣泛。歐亞大陸山地土壤占1/3,灰化土和荒漠土分別占16%和15%,黑鈣土和栗鈣土占13%。地帶性土壤沿緯度水平分布由北至南依次為:冰沼土、灰化土、灰色森林土、黑鈣土、栗鈣土、棕鈣土、荒漠土、高寒土、紅壤、磚紅壤。俄羅斯是歐亞大陸的重要組成部分,土壤類型以黑鈣土為主,其中含有豐富的有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì),這類土壤中棲息的微生物種群繁多,最早的硅酸鹽細(xì)菌就是由原蘇聯(lián)學(xué)者亞歷山大洛夫從俄羅斯的土壤中分離得到的。我國(guó)是亞洲大陸的重要組成部分,地形復(fù)雜,土壤類型較多,沿緯度水平由北至南依次為:黑壤、黃壤、紅壤,土壤類型的多樣性造成了微生物種群的多樣性。土壤中硅酸鹽細(xì)菌的種群和數(shù)量不但與土壤類型有關(guān),而且與土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、pH等因素有關(guān)。盛下放從江蘇南京黃棕壤、安徽廬江黃棕壤、廣西都安水稻土中都分離出了硅酸鹽細(xì)菌,主要是環(huán)狀芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌和多粘芽孢桿菌,其中江蘇南京黃棕壤分離出的硅酸鹽細(xì)菌總數(shù)達(dá)1.21×107(個(gè)/g干土),是后二者硅酸鹽細(xì)菌總數(shù)的2～3倍,進(jìn)一步的分析表明江蘇南京黃棕壤有機(jī)質(zhì)含量最高達(dá)20.35g/kg,廣西都安水稻土全氮含量最高達(dá)1.86g/kg,三地土壤都呈酸性或微酸性,因此土壤類型及有機(jī)質(zhì)、全氮、pH等因素的差異會(huì)導(dǎo)致分離出的硅酸鹽細(xì)菌在種群和數(shù)量上有所差異,但無(wú)論哪種類型的土壤中分離到的硅酸鹽細(xì)菌均以芽孢桿菌屬的分布最廣。北美洲與歐亞大陸的土壤類型不同,前者以灰化土為主,約占23%,其西半部(灰化土帶以南,W95°以西,不包括太平洋沿岸地帶)由東而西的土壤類型依次為:濕草原土、黑鈣土、栗鈣土、荒漠土;而在東部因南北走向的山體不高,土壤又表現(xiàn)出緯度地帶性分布,由北至南依次為:冰沼土、灰化土、棕壤、紅壤、黃壤。CAMARGO等從美國(guó)加利福尼亞州的土壤中也分離得到了解鉀、溶磷的芽孢桿菌。由此可以看出硅酸鹽細(xì)菌的分布并不完全受地域的限制,由于南北半球土壤類型存在許多相似性,可以肯定在南半球的土壤中也存在硅酸鹽細(xì)菌,但這方面的報(bào)道較少。因此,硅酸鹽細(xì)菌普遍存在于包括黑鈣土、褐土、棕壤、黃壤、紅壤等眾多類型的土壤中,但不同土壤棲息的硅酸鹽細(xì)菌無(wú)論在在種群還是在數(shù)量方面均有所差異,但均以芽孢桿菌屬為主,而且呈微酸性或酸性的土壤更易于硅酸鹽細(xì)菌的棲息和分離。2土壤中硅細(xì)菌的研究方法2.1不同植物生長(zhǎng)性狀的比較自亞歷山大洛夫發(fā)現(xiàn)硅酸鹽細(xì)菌以來,其分離、純化方法一直是研究的重點(diǎn)。不同的硅酸鹽細(xì)菌在不同的選擇性培養(yǎng)基上具有不同的菌落形態(tài),其中李明等對(duì)硅酸鹽細(xì)菌在幾種不同的培養(yǎng)基上菌落生長(zhǎng)特征做了比較,如表1所示。大部分從土壤中分離得到的硅酸鹽細(xì)菌一般具有如下形態(tài)特征:呈短桿狀,長(zhǎng)3.5～5μm,寬0.6～0.8μm,革蘭染色陽(yáng)性,有芽孢,且芽孢為橢圓形,包囊膨大,一至多層肥厚莢膜。莢膜的產(chǎn)生、大小、層數(shù)與培養(yǎng)中的營(yíng)養(yǎng)成分有密切關(guān)系,營(yíng)養(yǎng)豐富時(shí),不形成莢膜或莢膜較小,反之莢膜大而肥厚,層數(shù)增多,莢膜的有無(wú)則是鑒別硅酸鹽細(xì)菌的重要形態(tài)特征,在硅酸鹽細(xì)菌培養(yǎng)基平板上菌落多為圓形,表面光滑濕潤(rùn),邊緣整齊,粘稠透明,富有彈性,可拉成絲。2.2酸鹽和銨鹽生理生化特征是微生物鑒定的基礎(chǔ),硅酸鹽細(xì)菌也不例外,研究發(fā)現(xiàn)土壤中分離得到的硅酸鹽細(xì)菌能夠很好利用葡萄糖、麥芽糖、甘露醇和淀粉為碳源,以硝酸鹽和銨鹽作為為良好氮源,且能在無(wú)氮培養(yǎng)基上生長(zhǎng);除此之外,研究還發(fā)現(xiàn)它們都具有水解明膠、還原硝酸鹽、使淀粉水解等特征,M.R、過氧化氫酶試驗(yàn)均為陽(yáng)性,不產(chǎn)生吲哚,V.P反應(yīng)為陰性。與16SrDNA測(cè)序鑒定相比,生理生化鑒定具有成本低、操作簡(jiǎn)單、不費(fèi)時(shí)等特點(diǎn),雖然16SrDNA測(cè)序鑒定方法已成為鑒定微生物的主要方法,但對(duì)于硅酸鹽細(xì)菌由于其特殊的代謝過程對(duì)其功能影響巨大,因此生理生化的鑒定是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。2.3其他聚合物類物質(zhì)硅酸鹽細(xì)菌的溶磷、解鉀能力與它的代謝產(chǎn)物有著密切關(guān)系。其重要的與硅酸鹽分解有關(guān)的代謝產(chǎn)物主要有三大類:多糖、有機(jī)酸和氨基酸類物質(zhì)。第一為多糖:硅酸鹽細(xì)菌的發(fā)酵液中多糖的測(cè)定一般采用紅外光譜儀分析法進(jìn)行測(cè)定。目前已經(jīng)清楚,硅酸鹽細(xì)菌可以合成葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、甘露醇、蔗糖、果糖、乳糖、麥芽糖、棉子糖、山梨醇和肌醇等多種糖醇類物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)硅酸鹽細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的多糖官能團(tuán)-COOH能有效絡(luò)合金屬離子,從而使發(fā)酵液中的K+含量增加。MALINOSKAYA等認(rèn)為硅酸細(xì)菌的解鉀作用,不但與硅酸鹽細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的某些低分子量酸性代謝產(chǎn)物(乙酸、乳酸等)等有關(guān),也與該菌產(chǎn)生的胞外多糖有關(guān)。第二為有機(jī)酸:分泌有機(jī)酸是許多微生物代謝活動(dòng)常見的現(xiàn)象,有機(jī)酸的釋鉀作用主要是依靠有機(jī)溶液中解離的H+和有螯合能力的有機(jī)配位體作用的結(jié)果。席琳喬等研究表明在硅酸鹽細(xì)菌的發(fā)酵液中均可檢測(cè)到4種有機(jī)酸:草酸、乙酸、酒石酸和檸檬酸。在這些有機(jī)酸中,鄰位帶羥基和羧基的小分子有機(jī)酸很容易與礦物結(jié)構(gòu)中的金屬離子形成金屬-有機(jī)復(fù)合體,從而加速礦物的分解。而H+的作用,一方面依靠酸溶作用促進(jìn)了難溶性礦物的溶解,另一方面由于水合氫離子的大小與鉀離子相似,可以取代礦物晶格中的鉀,而使K+釋出。具有溶磷能力的有些硅酸鹽細(xì)菌能大量產(chǎn)生乳酸、羥基乙酸、草酸、延胡索酸、琥珀酸和檸檬酸等有機(jī)酸,使土壤中難溶性的磷酸鹽得到溶解;而羥基乙酸中的氫氧根離子能與鈣離子形成螯合物,從而磷酸鈣中的磷得到有效釋放。第三為氨基酸類物質(zhì):硅酸鹽細(xì)菌可以合成各類型的氨基酸,包括酸性氨基酸、堿性氨基酸、中性氨基酸。目前可以進(jìn)行定性、定量分析的氨基酸主要有:賴氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸和谷氨酸。氨基酸中的-COOH和-NH2具有絡(luò)合金屬離子的作用,對(duì)土壤中的礦物同樣具有一定的溶解性。有關(guān)硅酸鹽細(xì)菌解鉀、溶磷機(jī)理的研究較少,除了上面提到的三大產(chǎn)物外,也有研究表明pH值下降與溶磷、解鉀呈正相關(guān),但菌株的溶磷、解鉀能力與pH降低的程度并不一致,說明菌株溶磷、解鉀能力還應(yīng)與其他因素有關(guān),酸解應(yīng)該不是硅酸鹽細(xì)菌解鉀的唯一途徑,而是多方面因素綜合影響的結(jié)果。3鹽藻硅菌肥在施肥中的應(yīng)用價(jià)值隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,化肥施用量越來越多,我國(guó)的化肥使用量已占全世界的35%,平均施用量達(dá)到368kg/hm2,大大超出發(fā)達(dá)國(guó)家為防止化肥對(duì)土壤和水體造成危害所設(shè)置的225kg/hm2的安全上限?；实拇罅渴褂脮?huì)引起土壤酸度變化、降低土壤微生物活性、導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降。而硅酸鹽細(xì)菌具有的解鉀、溶磷、固氮作用能很好地維系土壤養(yǎng)分平衡,恢復(fù)土壤有機(jī)狀態(tài),因此如果很好地將硅酸鹽菌肥進(jìn)行深入的研究和廣泛地應(yīng)用必將會(huì)給世界施肥領(lǐng)域帶來一次革命。下面將硅酸鹽細(xì)菌在解鉀、溶磷和固氮等方面的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。3.1不同類型農(nóng)作物中聚合物菌肥的使用效果由于硅酸鹽細(xì)菌具有解鉀、溶磷的作用,國(guó)、內(nèi)外學(xué)者對(duì)其作為生物肥料的應(yīng)用開展研究,在ABOUEL以巨大芽孢桿菌制備的硅酸鹽菌肥的溶磷、解鉀實(shí)驗(yàn)中,其磷和鉀的溶解率達(dá)到了117%和82%,在玉米田中施用該菌肥后,可使玉米對(duì)磷、鉀的吸收率提高140%;雖然在同樣的玉米地里施用化肥后可使玉米對(duì)磷、鉀的吸收率達(dá)到204.5%,但化肥作用時(shí)間短,并且需要不斷追肥,而硅酸鹽細(xì)菌肥料作用時(shí)間長(zhǎng),一般可不再需要追肥。在不同磷、鉀水平的土壤中施入硅酸鹽菌肥,磷、鉀的釋放率也不同,CAROLYN等將假單胞菌肥施入磷水平不同的土壤中,研究發(fā)現(xiàn)它在低磷土壤中釋磷率可達(dá)22%～33%,但在高磷土壤中作用效果不明顯或無(wú)作用。吳洪生等在缺鉀土壤中施入硅酸鹽菌肥,發(fā)現(xiàn)土壤中速效鉀可提高128.6%,但在含鉀豐富的土壤中,作用效果不明顯。在不同的農(nóng)作物中施入硅酸鹽菌肥,其作用效果也不同。北京世紀(jì)阿姆斯生物技術(shù)有限公司研制開發(fā)成功“阿姆斯”世紀(jì)生物肥料,在施入蔬菜、棉花農(nóng)作物的田地中,發(fā)現(xiàn)蔬菜增產(chǎn)13%～21%、棉花增產(chǎn)28%。不同的硅酸鹽菌肥對(duì)同一種農(nóng)作物的增產(chǎn)效果也不同。在同樣滅菌的土壤盆栽試驗(yàn)中,董昌金等發(fā)現(xiàn)對(duì)照組(無(wú)菌)番茄和油菜作物的產(chǎn)量不增加,復(fù)合菌劑組(PlKlNl)番茄和油菜的增產(chǎn)量分別達(dá)65.9%和68.4%,復(fù)合菌劑組(P2K2N2)番茄和油菜的增產(chǎn)量分別達(dá)36.1%和38.3%。以上研究說明硅酸鹽菌肥能促進(jìn)作物生長(zhǎng),增加產(chǎn)量,但不同菌株間差異較大,在應(yīng)用硅酸鹽菌肥的過程中,應(yīng)注意選擇高效菌株,才能得到較好的增產(chǎn)效果。硅酸鹽細(xì)菌具有解鉀、溶磷的作用,但在不同磷、鉀水平土壤和不同農(nóng)作物施入硅酸鹽菌肥,其作用效果不同,因此應(yīng)依據(jù)土壤和農(nóng)作物的類型,有選擇地使用硅酸鹽菌肥。不同的硅酸鹽菌肥對(duì)農(nóng)作物的作用效果不同,應(yīng)篩選高效菌株制作菌肥,才能使農(nóng)作物的增產(chǎn)效果良好。在農(nóng)田施入硅酸鹽菌肥后,一般不需要追加施肥,但化學(xué)肥料通常需要追加施肥。一般而言,硅酸鹽菌肥成本較化學(xué)肥料成本低50%以上。隨著對(duì)硅酸鹽菌肥的研究逐步深入,其應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。3.2土壤中硅酸細(xì)菌的利用絕大多數(shù)硅酸鹽細(xì)菌不僅具有解鉀、溶磷的作用,亦有固氮的能力。凱氏定氮法檢測(cè)表明硅酸鹽細(xì)菌每利用1g糖,可固定1～3mg氮。氮元素是農(nóng)作物生長(zhǎng)的必需元素。農(nóng)田分別施入化學(xué)氮肥和硅酸鹽菌肥后,化學(xué)氮肥的氮元素利用率為30%～41%,硅酸鹽菌肥的氮元素利用率則為10.4%～57.9%?；瘜W(xué)氮肥中含有重金屬,施肥后易造成重金屬污染,硅酸鹽菌肥則具有利用率高、無(wú)污染等特點(diǎn)。有學(xué)者研究表明,硅酸鹽細(xì)菌配合一定量的化肥施用,可以更好地發(fā)揮化肥的作用,進(jìn)一步的研究表明:N、P、K的比例一般以1︰2︰2為好。雖然硅酸細(xì)菌具有提高農(nóng)作物吸收氮元素的能力,但這方面的報(bào)道并不多。土壤中的硅酸鹽細(xì)菌除了能把土壤中難溶的磷、鉀解離出來以外,還能提高植物對(duì)氮元素的吸收,以供植物利用,促進(jìn)植物生長(zhǎng)。硅酸鹽菌肥雖然在挖掘土壤潛在肥力、提高作物產(chǎn)量等方面具有明顯的作用,但固氮效果不穩(wěn)定,因此在應(yīng)用的過程中,應(yīng)注意選擇高效穩(wěn)定的固氮硅酸鹽菌株,才能在硅酸鹽菌肥應(yīng)用方面取得良好的效果。4聚合物生物復(fù)合培養(yǎng)中的應(yīng)用隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們對(duì)健康食品的需求量必將與日俱增,硅酸鹽細(xì)菌不僅可以增加土壤肥力、降低農(nóng)作物生產(chǎn)成本、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì),而且還對(duì)人體無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染。雖然硅酸鹽細(xì)菌具有以上優(yōu)點(diǎn),但仍面臨著作用范圍有限、解鉀、溶磷及固氮能力弱,起效周期長(zhǎng)的缺點(diǎn),因此高效、穩(wěn)定的硅酸鹽菌