解磷細菌的功能及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用

解磷細菌的功能及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用

磷酸是植物生長發(fā)育所必需的礦質(zhì)因素之一。然而，中國74%的耕地土壤中沒有磷，95%以上的土壤中的磷是無效的，植物很難使用。在生產(chǎn)中多施用高水溶性磷肥滿足植物對磷的需求,但是磷肥施入土壤后易形成難溶性的磷酸鹽并迅速被土壤礦物吸附固定或為微生物固持,其當季利用率僅為10%~25%。如何提高土壤磷素利用率已成為目前科學研究的熱點問題之一。研究發(fā)現(xiàn),微生物對土壤中磷的轉(zhuǎn)化起關鍵作用。科學家們從土壤中分離出了能夠?qū)⒅参镫y以吸收的磷轉(zhuǎn)化為可利用狀態(tài)磷的解磷細菌。大量試驗證實,向土壤中施用解磷細菌,不僅能夠增加作物磷素吸收量,提高作物產(chǎn)量,還能大大提高磷肥利用率,減少農(nóng)業(yè)面源污染。因此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用解磷細菌是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文綜述了近些年來國內(nèi)外對解磷細菌的種類、數(shù)量、生態(tài)分布、解磷機制、解磷能力和菌體篩選分離的研究以及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用和研究前景,以期為解磷細菌的進一步研究和應用提供參考。1關于磷細菌的研究1.1對土壤、土壤微生物物種多樣性的認識土壤中能夠分解磷素的微生物很多,以解磷細菌為主。目前報道的解磷細菌有芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、腸細菌屬(Enterbacter)、微球菌屬(Micrococcus)、固氮菌屬(Azotobacter)、根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、沙門氏菌屬(Salmonella)、色桿菌屬(Clromobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(Alcali-genes)、節(jié)細菌屬(Arthrobacter)、多硫桿菌屬(Thiobacillus)、硫氧化硫功菌屬(Thiobacillusthiooxidans)、埃希氏菌屬(Escherichia)、歐文氏菌屬(Erwinia)和沙雷氏菌屬(Serratia)。但是,不同的土壤、不同作物根際中解磷細菌的數(shù)量和種群分布都存在一定的差異。有研究發(fā)現(xiàn),黑鈣土中解磷細菌最多,為4.89×l07cfu/g,瓦堿土最少,僅有2×104cfu/g。尹瑞玲調(diào)查了我國旱地土壤中的解無機磷菌,發(fā)現(xiàn)平均1g土壤中約有1000萬個,占土壤微生物總數(shù)的27.1%~82.1%,其中以黑鈣土中解磷菌數(shù)量最多,而紅壤、磚紅壤中數(shù)量最少。林啟美等通過分析農(nóng)田、林地、草地和菜地4種土壤有機磷細菌和無機磷細菌的數(shù)量及種群結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)有機磷細菌數(shù)量比無機磷細菌多;有機磷細菌主要是芽孢桿菌屬,其次是假單胞菌屬;而無機磷細菌主要是假單胞菌屬;菜地土壤解磷細菌的數(shù)量和種類最多。解磷細菌有強烈的根際效應,不同土壤中,解磷微生物的數(shù)量差異較大,在植物根際的數(shù)量要遠遠高于其周圍土壤中的數(shù)量。趙小蓉等通過研究玉米根際與非根際解磷細菌的分布特點,進一步得出根際微生物的數(shù)量可能主要受根系分泌物數(shù)量的控制,而根際微生物群落結(jié)構(gòu)則可能主要受根系分泌物類型的影響的結(jié)論。1.2土壤微生物對磷的氧化作用早在19世紀初就有土壤學家指出土壤微生物對磷的轉(zhuǎn)化作用。解磷細菌的解磷機理復雜多樣,目前多數(shù)學者認為解磷細菌的解磷機制主要有兩方面。1.2.1解磷細菌的作用一般認為,磷細菌降解無機磷化物的機理有:(1)解磷細菌在生命活動中會產(chǎn)生可以溶解土壤中難溶性磷酸鹽的有機酸,如乳酸、氨基乙酸、草酸、鹽胡索酸、琥珀酸、2-葡糖酮酸和檸檬酸等。(2)解磷細菌釋放出的H2S與磷酸鐵反應產(chǎn)生硫酸亞鐵和可溶性的磷酸鹽。(3)解磷細菌的呼吸作用放出CO2,降低環(huán)境pH值,引起磷酸鹽的溶解。(4)解磷細菌能夠吸收鈣離子,使磷酸根離子進入土壤溶液。(5)植物殘體腐解能產(chǎn)生胡敏酸和富里酸,并與復合磷酸鹽中的鈣、鐵和鋁螯合釋放出磷酸根。另外,它們也可以與鐵、鋁及磷酸鹽形成穩(wěn)定的可溶性復合物而被植物體吸收利用。(6)解磷細菌通過NH4+的同化作用放出質(zhì)子,降低pH值,從而引起磷酸鹽的溶解。國外研究發(fā)現(xiàn)一些解磷菌只有在介質(zhì)中有NH4+存在時,才具有溶解無機磷酸鹽的能力。(7)當某些異氧型解磷細菌的生存環(huán)境氧化狀況發(fā)生改變時,它們能夠?qū)⒉蝗軕B(tài)磷酸鹽轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)的亞磷酸鹽和次磷酸鹽。如丁酸梭狀芽孢桿菌(Clos-tridiumbutyricum)在極其潮濕厭氧狀態(tài)的土壤中,能將磷酸鹽轉(zhuǎn)化為亞磷酸鹽和次磷酸鹽,從而被植物吸收利用。此外,有人發(fā)現(xiàn)解磷細菌在根際土壤中能否解磷,可能與根際存在的營養(yǎng)物質(zhì)種類及根際環(huán)境pH值變化有密切關系,如磷細菌在堿性基質(zhì)中同樣產(chǎn)酸,但由于堿性反應而不能發(fā)揮有機酸作用,表現(xiàn)為不解磷。但是,有研究證明解磷量雖然與培養(yǎng)液中的pH值存在一定的相關性,但培養(yǎng)介質(zhì)中的pH值的下降不是微生物解磷的必要條件。1.2.2對磷細菌的控制作用一般認為,磷細菌對有機磷酸酯的分解是通過分泌胞外磷酸酶進行解酶而實現(xiàn)的。但是研究發(fā)現(xiàn),當有效磷濃度低于某一閾值使微生物和植物感到低磷脅迫時,微生物和植物就會分泌胞外磷酸酶,將有機磷水解,釋放出有效磷。已證實在土壤中接種解磷的巨大芽孢桿菌(Bachillusmegatheriumvar.phosphaticum)后,土壤無機磷質(zhì)量分數(shù)提高了15%以上;在含有有機磷較高的松軟土壤中接種巨大芽孢桿菌效果更顯著。主要原因是解磷細菌把有機磷釋放出來,轉(zhuǎn)化為可利用的無機磷。另外,梁錦鋒通過試驗發(fā)現(xiàn),有機磷化物對于磷細菌菌體的生長存在著抑制作用,同時對于磷細菌利用有機磷又存在誘導作用。此外,解磷細菌細胞對磷素有固定與釋放作用?？扇苄粤姿猁}進入細菌細胞后被固定,當細胞死亡后,又重新釋放并被植物吸收利用。微生物對土壤磷素的固定與釋放,主要受土壤中可降解有機物含磷量的影響。1.3培養(yǎng)基及微生物活性不同種類的解磷細菌,其解磷能力差異較大。宮占元等以氧化樂果和水胺硫磷為唯一磷源,接種4株細菌,發(fā)現(xiàn)同一菌屬的不同菌株解磷能力差異較大,且4株細菌不僅能分解有機磷類物質(zhì),還具有降解農(nóng)藥的功效,這一發(fā)現(xiàn)對環(huán)境保護和農(nóng)藥污染治理等方面具有重要價值。有專家認為微生物的解磷能力首先取決于微生物本身的特征,如分泌質(zhì)子、有機酸和其他物質(zhì)的數(shù)量和種類,其次與難溶性磷酸鹽的結(jié)構(gòu)和組成成分有關。趙小蓉等發(fā)現(xiàn),解磷細菌的解磷量與培養(yǎng)液中的pH值存在一定的相關性(r=-0.732)。國內(nèi)的一些研究也發(fā)現(xiàn)解磷能力與pH值和菌體數(shù)量存在相關性,菌體數(shù)量增多、酸度降低時細菌的解磷能力提高。細菌的解磷能力不僅與pH值有關,而且還很可能受到底物的誘導作用。環(huán)境中過高的有效磷對磷細菌的解磷能力存在抑制作用。但是,有許多研究發(fā)現(xiàn),真菌的解磷能力高于細菌。目前,測定磷細菌解磷能力的方法主要有3種:一是將磷細菌接種在特定的培養(yǎng)基上進行培養(yǎng),培養(yǎng)后測量其周圍較透明的溶磷圈的直徑,通過比較直徑大小來確定菌種的解磷能力;二是將解磷細菌接種至含有磷養(yǎng)分的培養(yǎng)液中,用未接種過解磷細菌的培養(yǎng)液作對照,同時進行培養(yǎng),一段時間后,用鉬藍比色法間接測出培養(yǎng)液中可溶性磷素的含量,從而反映磷細菌的解磷能力;三是采用同位素示蹤法。趙小蓉等采用熏蒸、消煮等方法,測定沙培過程中細菌分解出來的磷,這是目前較為準確地測定細菌分解磷能力的方法。1.4在生物活性成分上的應用土壤類型、肥力、耕作方式等均會對磷細菌在土壤中的分布和數(shù)量產(chǎn)生影響。1950年,我國前東北農(nóng)科所從東北黑土和灰化土中分離出能分解有機磷的巨大芽孢桿菌。20世紀80年代又推出了多種芽孢桿菌,如臘狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)、短芽孢桿菌(B.brevis)、堅強芽孢桿菌(B.firmus),但同時發(fā)現(xiàn)由于解磷細菌的遺傳穩(wěn)定性差,這些菌劑在生產(chǎn)上的應用并不理想。有一些研究主要進行了解磷細菌的分離和篩選,目的是為了得到解磷能力強的菌株,從中克隆出與解磷有關的基因,為構(gòu)建固氮和解磷的復合工程菌提供基本資料。李繁等從200多個可以在蒙金娜有機磷水平上生長的菌落中,篩選分離出了7株有機磷細菌,通過生理生化試驗、16SrDNA序列測定、G+C含量、DNA-DNA雜交等研究方法,得出了這7個解磷細菌分屬于假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動桿菌屬和寡養(yǎng)單胞菌屬。這一研究結(jié)果與國外研究相一致。近來,有人利用基因工程技術將Bacillus.sP.DS11中的Phytase基因phy導入Escheerichiacili構(gòu)成基因工程菌,以應用于降解釋放無機磷。一般認為,生物有效磷對生物固氮作用非常重要,在一定濃度范圍內(nèi),生物有效磷水平限制了生物的固氮能力。目前多采用稀釋平板培養(yǎng)法對土壤中的解磷細菌進行劃線分離篩選。在牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基(液培時不加瓊脂)上適當加入含有磷素的物質(zhì)(有機磷細菌的培養(yǎng)基加入蛋黃或卵磷脂,無機磷細菌培養(yǎng)基加入磷酸鈣),初培養(yǎng)后,根據(jù)菌落的大小、形狀、顏色及生長速度等特性挑選出優(yōu)質(zhì)菌株,將其接種到特定的有機或無機磷細菌培養(yǎng)基上進行再培養(yǎng),后測量其周圍較為透明的溶磷圈直徑,溶磷圈直徑大說明此種菌的解磷能力強。2應注意消除磷細菌對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響2.1解磷細菌對作物中磷的吸收國外解磷細菌的研究開展得比較早。前蘇聯(lián)學者蒙基娜于1935年從土壤中分離到的一種解磷巨大芽孢桿菌能夠分解核酸和卵磷脂,該菌種于1947年大量生產(chǎn)并廣泛應用于前蘇聯(lián)和東歐各國。據(jù)報道,接種后的土壤中五氧化二磷提高了15%以上。Chabot等人研究了幾株溶磷菌對農(nóng)作物生長的影響,發(fā)現(xiàn)其能促進西紅柿、洋蔥、馬鈴薯、香蕉、柑橘、咖啡及其他可栽培作物吸磷的提高,解磷菌株BurkholderiacepaciaIS-16已被用作生物菌肥,施用于多種作物。我國的解磷細菌研究始于20世紀50年代。前東北農(nóng)科所首先從東北黑土和灰化土中分離出了具有很強解有機磷能力的解磷大芽孢桿菌,并將其制成了菌肥在黑鈣土和非黑鈣土上施用,發(fā)現(xiàn)不同作物增產(chǎn)幅度不同,黑鈣土平均增產(chǎn)13.5%,非黑鈣土為11.7%,幅度為6.1%~22.8%。同期,北京市農(nóng)業(yè)科學院進行了解磷細菌肥料的研究和應用,開展了有效施用條件、解磷作用、刺激作用及土壤微生物對解磷細菌的影響等試驗,得到了很多有價值的數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。李淑高在盆栽和大田試驗中將磷肥和解磷細菌混合使用,在大豆生產(chǎn)中增產(chǎn)36.9%;在施用磷菌肥之后,作物對磷的吸收也有顯著增加,解磷細菌與過磷酸鈣或與鋼渣混合施用,比對照組的大豆吸磷量分別增加12.3%和6.2%。目前有研究人員篩選出B2和B67菌株研制的解磷菌劑,進行盆栽和大田試驗,發(fā)現(xiàn)解磷細菌除了能顯著提高土壤速效磷含量、培肥土壤外,同時還有改善作物農(nóng)藝性狀、提高作物產(chǎn)量的功效。孫華等在山東省的砂姜黑土中分別加入有機肥和一定量的溶磷細菌的肥料,發(fā)現(xiàn)解磷細菌不僅提高了土壤中的中等活性有機磷和活性有機磷含量,還促進了土壤中Ca8-P、Ca10-P向Ca2-P、Al-P、Fe-P等形態(tài)無機磷的轉(zhuǎn)化,從而提高土壤有效磷的含量。國內(nèi)外的大量試驗和研究表明,將解磷細菌施入土壤不僅可以提高磷肥的有效性,還可以活化土壤中的固定態(tài)磷,提高磷素利用率。2.2配合使用,發(fā)揮解磷能力目前關于解磷細菌的研究比較多,但將解磷細菌應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還有一些應注意的問題。研究發(fā)現(xiàn),解磷細菌在缺磷而有機質(zhì)較豐富的土壤中使用效果更好,因此在使用之前應了解解磷范圍和環(huán)境。同時研究表明,解磷細菌與磷礦粉配合使用更能發(fā)揮其解磷能力。解磷細菌制成的菌肥結(jié)合堆肥使用比單施效果明顯,即在堆肥中接入磷細菌,進行分解,然后將堆肥翻入土壤,如果不同類型的解磷菌種互不拮抗,即可以復合使用。此外,在使用中還應注意解磷細菌在不同作物上的施用量,以便使解磷細菌最大限度地發(fā)揮解磷功效。云霄縣農(nóng)科所早在20世紀70年代就鑒定了磷菌肥的肥效,認為磷菌肥不宜與殺菌劑同時混用,而且在施用中要注意避強光曝曬和過干過熱。北京市農(nóng)業(yè)科學院同期也得到了一些實踐經(jīng)驗,他們認為在施用磷菌肥時,土壤濕度以20%左右為宜;晚播小麥施用磷菌肥的效果不如早播小麥;用磷菌肥拌種時,不宜與樂果、敵百蟲等同時使用,也不宜用硫銨作種肥。3解磷細菌與微生物的相互作用解磷細菌在我國研究已有多年,但發(fā)展并不快,主要是由于磷細菌種類繁多,解磷機制復雜且不盡相同。以前研究多局限于解磷細菌的篩選和解磷能力的比較,對于解磷細菌在土壤中的活動和消長動態(tài)等研究較少。因此,對于解磷細菌的研究工作可從以下幾個方面加強。(1)研究解磷細菌與其他功能微生物之間的關系,如與自生固氮菌、根瘤菌、硅酸鹽細菌等的相互作用,特別要注意解磷細菌與病原菌發(fā)生發(fā)展的關系,并深入探討解磷細菌代謝產(chǎn)物與植物生長的關系,為研制多功能的高效復合菌劑奠定基礎。(2)從分子生物水平