固氮微生物功能及肥料研究現(xiàn)狀

固氮微生物功能及肥料研究現(xiàn)狀

食品安全、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)利用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的三大問題，也是中國國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的重要問題。生物固氮是指自然界中一些原核微生物在常溫常壓下利用自身的固氮酶系統(tǒng)將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的過程。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),生物固氮占全球植物所需氮素的四分之三,因此開展生物固氮研究對緩解我國糧食、能源、環(huán)境等重大問題具有重要意義。根際聯(lián)合固氮微生物是一類保持土壤肥力、促進(jìn)作物生長,抑制土傳病害的重要農(nóng)業(yè)微生物,在水稻、玉米等非豆科作物節(jié)肥增產(chǎn)和提高品質(zhì)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力,已成為生物固氮領(lǐng)域的前沿和發(fā)展方向之一。但另一方面,根際聯(lián)合固氮基因的表達(dá)調(diào)控以及固氮菌與宿主植物相互作用的分子機(jī)理十分復(fù)雜,如氮信號是如何傳遞的,保持最佳固氮水平的作用機(jī)制是什么等問題還不清楚。這些問題的揭示將為根際固氮微生物制劑的研制和田間應(yīng)用提供重要的理論指導(dǎo)。目前國際上對固氮菌及其宿主植物的基因組、功能基因組和蛋白質(zhì)組研究工作正在蓬勃開展。因此加強(qiáng)以上關(guān)鍵問題的研究很有必要,同時也是提高我國固氮領(lǐng)域知識產(chǎn)權(quán)和科技競爭力的需要。作為生物肥料的核心產(chǎn)品,基于固氮微生物開發(fā)的微生物制劑具有固氮、促生等能力,是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的農(nóng)業(yè)投入品。生物肥料又稱接種劑、菌肥或微生物肥料,是一類以微生物生命活動及其產(chǎn)物導(dǎo)致農(nóng)作物得到特定肥料效應(yīng)的微生物活體制品。相對于化學(xué)肥料,生物肥料具有較少的能耗、較高的資源化利用率、較少的使用量以及可提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、降低污染物等特點(diǎn),在最近二十年來發(fā)展迅速。我國微生物肥料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用,自20世紀(jì)50年代開始形成并發(fā)展,迄今已有60多年的歷史。目前我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)已形成了具有800多家生產(chǎn)企業(yè)、菌劑和菌肥兩大類11個品種、800萬t產(chǎn)能、超百億產(chǎn)值的規(guī)模,并已成為我國農(nóng)業(yè)生物產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。目前登記的微生物肥料產(chǎn)品數(shù)量達(dá)1200余個,應(yīng)用面積666.7萬hm2以上。特別是近年來,生物有機(jī)肥發(fā)展迅猛,在蔬菜保護(hù)地、綠色和有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品、藥品種植中已成為微生物肥料應(yīng)用的主流產(chǎn)品類型。不但其應(yīng)用功能多樣,還享受國家減免稅收政策的優(yōu)惠,其用量超過400萬t,約占我國生物肥料年產(chǎn)量的50%,且這一數(shù)字還呈不斷上升趨勢。生物肥料的功能多樣,大量的研究和應(yīng)用已經(jīng)表明在培肥土壤肥力,提高化肥利用率,降低農(nóng)作產(chǎn)品中硝態(tài)氮、重金屬、農(nóng)藥的含量、提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全,凈化和修復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境,提高農(nóng)作物抗逆性,以及促進(jìn)農(nóng)作物秸稈和城市垃圾的腐熟利用等諸多方面表現(xiàn)出不可替代的作用,發(fā)展前景良好。預(yù)計(jì)我國的微生物肥料將在2012-2013年總產(chǎn)量達(dá)到1000萬t以上,在肥料家族中占據(jù)著越來越重要的位置,發(fā)揮著不可替代的作用。農(nóng)業(yè)微生物的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展為發(fā)揮微生物在維持與提高土壤肥力、保持土壤質(zhì)量及健康、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全提供了重要支撐。1世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢的分析1.1發(fā)酵生物酶nb和雙溶劑生物肥料pa國際上,適用于豆科作物或豆科牧草產(chǎn)區(qū)的根瘤菌劑依然是主要的生物肥料品種。大豆是巴西第一大作物,無論在種植面積、產(chǎn)量還是出口量在全球都排在前列。巴西種植大豆幾乎全部接種根瘤菌而不施用化學(xué)氮素,不僅實(shí)現(xiàn)了大豆高產(chǎn),而且每年節(jié)約的氮肥價值達(dá)到了25億美元之多,是根瘤菌應(yīng)用最成功的國家。在阿根廷,大豆的種植面積達(dá)到了1600萬hm2,其中約有90%的大豆接種了大豆根瘤菌,實(shí)現(xiàn)了大豆種植主要依靠根瘤菌且得到了增產(chǎn)。印度每年根瘤菌劑的產(chǎn)量為4000t,據(jù)預(yù)測在未來的5~8年內(nèi),印度根瘤菌劑的產(chǎn)量每年將達(dá)到8000~10000t,將有50%~60%的豆科農(nóng)作物將接種根瘤菌劑。巴基斯坦生產(chǎn)了一系列商品名為“BIOPOWER”的根瘤菌劑,可以用于接種各種豆科植物。用根瘤菌劑后,最高可使農(nóng)作物增產(chǎn)60%以上。在提高土壤磷素與磷肥的利用率方面,鑒于泡囊叢枝狀菌根(VAM)對植物促生、抗干旱、磷吸收和碳代謝的影響,VAM菌根真菌是目前研究的重點(diǎn)。集多種功能于一體的多效工程菌株是當(dāng)前生物肥料研究的又一個熱點(diǎn),美國一些大學(xué)非常注重同時具有肥料效應(yīng)和抗病效應(yīng)的微生物的研究和應(yīng)用。在新型生物肥料的新產(chǎn)品研發(fā)方面,美國鹽湖城NPI公司已研究成功用溫室法生產(chǎn)高質(zhì)量的AM真菌接種劑,并研制了一整套保證純度的設(shè)施和方法。在美國Agbio公司、微生物總公司生產(chǎn)的內(nèi)生菌根菌肥Agbio-Endos、外生菌根菌肥Agbio-Ectos、固氮菌肥Azo-Gree以及芽孢桿菌類菌肥,加拿大的Jump-Start、GreenNitrogen、“根瘤菌+PGPR”復(fù)合菌肥,意大利的玉米用固氮接種劑“Zea-Nit”,巴西的PGPR(plantgrowthpromotingrhizobacteria,植物根際促生菌)生物肥料等,都已具有了相當(dāng)份額的市場占有率。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年以微生物菌劑形式生產(chǎn)的生物肥產(chǎn)量在500萬~800萬t,而生物有機(jī)肥的產(chǎn)量在10億t以上。1.2國外根瘤菌種選育以大豆根瘤菌為代表的共生固氮研究及其應(yīng)用已有一百多年歷史,但時至今日無論發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家在大豆生產(chǎn)中都十分重視這類菌劑的作用。根瘤菌接種技術(shù)應(yīng)用十分廣泛,實(shí)現(xiàn)了高效共生固氮,減少氮肥用量的目的。大豆是美國的四大作物之一,大豆接種面積占其種植面積的50%以上。通過根瘤菌的接種,美國根瘤菌固氮量約620萬t,占到美國當(dāng)年消耗氮肥1087萬t總量的57%以上。巴西是根瘤菌接種技術(shù)應(yīng)用成功的典范,2004年大豆種植面積為143.1萬hm2,單產(chǎn)平均為41.85kg/hm2,總產(chǎn)達(dá)5990.1萬t,占世界總產(chǎn)量的24.1%。阿根廷有90%的大豆接種了根瘤菌,實(shí)現(xiàn)了大豆生產(chǎn)過程中少施或不施氮肥,既能促進(jìn)大豆穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),又能達(dá)到節(jié)本增效的目的。上述國家近年來大豆的總產(chǎn)和單產(chǎn)都穩(wěn)居世界前列,有力地證明通過接種高效菌株充分發(fā)揮大豆—根瘤菌的共生固氮作用,完全可以滿足大豆高產(chǎn)的氮素需要。在優(yōu)良菌種的選育方面,國外數(shù)年前已經(jīng)開始選育超級固氮菌株,美國的選育目標(biāo)是根瘤菌的固氮能力在9000kgN/hm2;國際水稻所計(jì)劃目標(biāo)是在10年的時間內(nèi)構(gòu)建一種超級固氮細(xì)菌,能減少水稻50%的氮肥用量;在聯(lián)合固氮細(xì)菌方面,高效泌銨菌株的篩選成為研究重點(diǎn)與熱點(diǎn),更多研究注重于泌銨的自生固氮菌突變菌株,使其與水稻、玉米根系緊密結(jié)合以提供氮源。1.3巴西根瘤菌接種技術(shù)大豆是巴西第一大作物,大豆及其制品是巴西首個出口農(nóng)產(chǎn)品,在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。巴西是根瘤菌接種技術(shù)應(yīng)用最成功的國家,大豆所需的氮素都來源于生物固氮。我國與巴西同為發(fā)展中國家,根瘤菌菌劑的應(yīng)用技術(shù)在我國發(fā)展十分緩慢。因此借鑒巴西的成功經(jīng)驗(yàn),對推動我國根瘤菌的應(yīng)用具有重要作用。1.3.1生物固氮在大豆種植中的作用巴西在20世紀(jì)60年代大豆生產(chǎn)發(fā)展之初,便開始應(yīng)用根瘤菌接種技術(shù)。巴西最初使用美國的商業(yè)接種劑,但是由于菌株與品種匹配性差以及進(jìn)口過程中存儲不當(dāng)?shù)仍?效果都不明顯。因此開始實(shí)施優(yōu)良菌株篩選計(jì)劃,強(qiáng)調(diào)在大豆育種中必須將生物固氮作為一個重要指標(biāo),選擇好的菌株—大豆品種組合進(jìn)行田間應(yīng)用。生物固氮開始在大豆種植中發(fā)揮作用,大豆產(chǎn)量明顯提高。該項(xiàng)工作一直持續(xù)至今,使巴西選育的大豆品種與接種的根瘤菌都能良好結(jié)瘤固氮。1.3.2巴西高效根瘤菌株的篩選巴西在優(yōu)良菌株篩選工作中,根據(jù)環(huán)境和品種需求的變化不斷地調(diào)整篩選策略,堅(jiān)持不懈地進(jìn)行高效菌株篩選,從而使篩選到的高效菌株能夠適應(yīng)大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。最初的篩選策略是強(qiáng)調(diào)菌株與品種的匹配性,于1966年篩選到能夠與所有的巴西大豆品種都有效結(jié)瘤的高效根瘤菌SEMIA566,該菌株的應(yīng)用為巴西南部大豆的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但隨著大豆的種植區(qū)域不斷擴(kuò)大,一些地區(qū)由于土壤中放線菌產(chǎn)生過高的抗生素,導(dǎo)致篩選的高效菌株不能結(jié)瘤。因此這時菌株的耐抗生素能力是篩選工作的關(guān)鍵指標(biāo),在1979年耐抗生素的高效菌株29W被篩選出來,從而解決了這一問題。10年后,新選育出的高產(chǎn)大豆品種對生物固氮提出了新的要求,菌株要能夠固定更多的氮和適應(yīng)更多的脅迫環(huán)境。經(jīng)過多年的工作,篩選到的菌株CPAC15比以往的高效菌株提高了更多的大豆產(chǎn)量。現(xiàn)今,由于巴西大豆產(chǎn)區(qū)多年不斷地接種根瘤菌,土壤中根瘤菌數(shù)量已達(dá)103CFU/g?，F(xiàn)階段巴西篩選根瘤菌的目標(biāo)是篩選到競爭能力更強(qiáng)的、固氮時間更長的菌株。2中國的發(fā)展和存在的主要問題2.1中國微生物肥料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2.1.1產(chǎn)品登記和產(chǎn)品安排截至2010年12月底,我國微生物肥料生產(chǎn)企業(yè)登記產(chǎn)品共有1838家(次)(實(shí)際企業(yè)數(shù)量為800家左右)、近2000個微生物肥料產(chǎn)品,來農(nóng)業(yè)部相關(guān)管理部門進(jìn)行申請產(chǎn)品登記(包括臨時申請和正式申請)(詳見表1)。累積批準(zhǔn)頒發(fā)產(chǎn)品臨時登記證1195個,其中有541個產(chǎn)品臨時登記轉(zhuǎn)為正式登記,還有193個因一些原因(如產(chǎn)品質(zhì)量不合格、效果不顯著、企業(yè)破產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)等)造成登記證失效,占總數(shù)16.1%。從年度發(fā)展上來看,每年微生物肥料產(chǎn)品登記的申報(bào)數(shù)、企業(yè)數(shù)、獲登記證數(shù),均處于逐年穩(wěn)步上升趨勢,特別在最近兩年來的發(fā)展尤為迅猛,每年新增產(chǎn)品數(shù)量近300個。在產(chǎn)業(yè)化方面,以微生物肥料和生防微生物制劑為主導(dǎo)的產(chǎn)品已被國家列為生物產(chǎn)業(yè)的重要組成并得到支持。我國的微生物肥料年產(chǎn)量超過800萬t,產(chǎn)值超百億。農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展為發(fā)揮微生物在維持與提高土壤肥力、保持土壤質(zhì)量及健康,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全提供了重要支撐。2.1.2生產(chǎn)功能性微生物肥料經(jīng)過40多年的發(fā)展,我國微生物肥料品種和劑型繁多,產(chǎn)品類型達(dá)11個之多。包括菌劑類品種9個,分別是根瘤菌劑、固氮菌劑、硅酸鹽菌劑、溶磷菌劑、光合菌劑、有機(jī)物料腐熟劑、菌根菌劑、復(fù)合菌劑和土壤修復(fù)菌劑;菌肥類產(chǎn)品則有復(fù)合生物肥和生物有機(jī)肥2個品種。近幾年出現(xiàn)了一些促生、抗生和土壤修復(fù)菌劑的制品,以及促進(jìn)秸稈腐熟為目的的各種制劑。在劑型上表現(xiàn)出多種多樣,諸如液劑、固體劑型、粉末劑型、顆粒劑型等,由此帶動了眾多相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。在產(chǎn)品組成特點(diǎn)上,除了傳統(tǒng)的菌+載體材料用作接種劑外,各種功能菌+氮、磷、鉀化學(xué)肥料,硅、硫等中量元素,以及與各種有機(jī)物料混合應(yīng)用大量出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代后期,多菌株復(fù)合生物肥料(即多菌株復(fù)合)逐漸成為我國微生物肥料研究與應(yīng)用的主流,呈現(xiàn)出單一菌種的生物肥料有被含有不同功能的多菌株復(fù)合微生物肥料所取代的趨勢;微生物肥料的使用從過去單純的糧食作物擴(kuò)展到蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物、中藥材等領(lǐng)域;菌種資源范圍由著重解決作物氮、磷、鉀元素營養(yǎng)問題,轉(zhuǎn)向解決土傳病害、污染土壤修復(fù)等突出問題;其中,多菌株(固氮、解磷、解鉀、抑病)混合的微生物肥料在國內(nèi)的生產(chǎn)中占較大的比例,目前已經(jīng)形成良好格局。2.1.3農(nóng)業(yè)微生物資源及其組我國微生物肥料的研究始于20世紀(jì)50年代,從最初的根瘤菌研究逐漸發(fā)展到溶磷、解鉀、促生、抑病等多種菌種資源的研究,用于微生物肥料應(yīng)用和生產(chǎn)的菌種資源逐漸豐富。表現(xiàn)在所應(yīng)用的不同種類微生物在分類歸屬、培養(yǎng)特性、產(chǎn)品性能指標(biāo)、代謝產(chǎn)物,以及對于土壤等環(huán)境因素、作物品種的適應(yīng)性等方面均有研究。目前農(nóng)業(yè)微生物資源的收集、保藏也有了較好積累,菌株數(shù)量已經(jīng)達(dá)到4000多株。此外,利用基因工程手段,我國水稻聯(lián)合固氮工程菌、玉米耐銨聯(lián)合固氮菌方面取得了重要進(jìn)展。目前,生命科學(xué)研究已全面進(jìn)入基因組時代?；蚪M學(xué)研究的一個重要特征就是高通量和大規(guī)模的篩選平臺,這個平臺已經(jīng)在微生物制藥工程、發(fā)酵工業(yè)及微生物能源等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在國家863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,根際固氮微生物功能基因組方面的研究取得了重要進(jìn)展。完成了4株根際固氮微生物的基因組測序,并開展了比較基因組和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究,克隆了多個固氮、抗逆相關(guān)基因,并構(gòu)建了新型的耐銨、泌銨工程菌株。這些研究結(jié)果對于進(jìn)一步加強(qiáng)生物固氮微生物的環(huán)境適應(yīng)性及遺傳改造具有重要的推動作用。2.1.4發(fā)酵過程的放近年來,我國微生物肥料的發(fā)酵技術(shù)水平開始大幅度提升。利用基因工程和現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)構(gòu)建新型工程菌株、優(yōu)化發(fā)酵工藝和提高發(fā)酵水平,改進(jìn)后處理和劑型加工工藝等方面都取得較大進(jìn)展。微生物肥料發(fā)酵生產(chǎn)中的一個難題在于,從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化大生產(chǎn)過程中的發(fā)酵放大,其原因就在于放大時不可能同時做到幾何相似、流體運(yùn)動學(xué)相似和流體動力學(xué)相似。當(dāng)在小試研究時如果某一個對生產(chǎn)產(chǎn)生影響的重要因素沒有被注意到,而這個因素恰恰在放大時成為關(guān)鍵因子時,就會造成整個發(fā)酵放大過程的失敗。為此,在研究發(fā)酵過程放大時,一些學(xué)者提出了在以代謝流分析與控制為核心的發(fā)酵過程裝置技術(shù)上進(jìn)行研究,由此可得到用于過程放大的狀態(tài)參數(shù)或生理參數(shù),因而提出了發(fā)酵過程參數(shù)調(diào)整的放大技術(shù)。通過對表征細(xì)胞宏觀代謝流特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過程的放大,是近年來新興的一種放大方法,此方法將在小試研究中宏觀代謝流特征參數(shù)獲得后,在工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐上重現(xiàn),也即數(shù)據(jù)驅(qū)動型的放大方法。2.2生物肥料生產(chǎn)技術(shù)的研究尚不成熟我國的生物肥料產(chǎn)業(yè)近年來雖然發(fā)展迅猛,但與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際面臨的重大問題和國際先進(jìn)水平相比照,還存在著一些問題或不足,主要表現(xiàn)在:2.2.1基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究明顯落后于生產(chǎn)需求由于國家對微生物肥料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究支持不足,涉及微生物肥料產(chǎn)品中微生物本身,如作用機(jī)理、產(chǎn)品制造過程中最佳、最合理的工藝,微生物肥料施用后在土壤和植物根部的定居、存活和數(shù)量消長,以及影響微生物肥料作用發(fā)揮的其他制約因素等研究得極少,深度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。使得生物肥料生產(chǎn)及應(yīng)用經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)用效果不穩(wěn)定、保質(zhì)期相對較短等一些問題。2.2.2產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新不足目前我國微生物肥料產(chǎn)品存在較多的質(zhì)量問題,如:菌種的有效性篩選差,生產(chǎn)菌種組合缺乏依據(jù),工藝配方不合理,包裝材料簡陋,產(chǎn)品的有效活菌含量低,雜菌率偏高,有效期短。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出應(yīng)用效果不穩(wěn)定,適用作物或適用地區(qū)不盡合理,以致于微生物肥料的綜合效益難以充分表現(xiàn)或發(fā)揮。2.2.3檢測技術(shù)和評價方法存在不足目前我國對產(chǎn)品的檢測主要采用常規(guī)技術(shù),費(fèi)時費(fèi)力且準(zhǔn)確性差,尤其是缺少一些必要的分子生物學(xué)手段和一些分子生態(tài)學(xué)(諸如基因標(biāo)記技術(shù))技術(shù),影響了對產(chǎn)品檢測手段的提高和應(yīng)用效果的確定。對于微生物肥料中的微生物進(jìn)入土壤后在植物根際是否能夠定殖、存活、繁殖的不確定性使應(yīng)用效果的穩(wěn)定帶來了不小的困難,需引入和建立先進(jìn)、快速、準(zhǔn)確的質(zhì)檢技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。2.2.4使用菌種的選育和改進(jìn)嚴(yán)重滯后我國微生物肥料生產(chǎn)中使用的菌種缺少創(chuàng)新,雖然近十年來有較大的研究和篩選,但距離我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需要差距很大。長期以來生產(chǎn)菌種缺乏更新,復(fù)壯和遺傳改造就更少了,不能為我國當(dāng)前糧食和食品安全提供穩(wěn)定的支撐。2.3新產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和應(yīng)用效果所具有的一些基本經(jīng)驗(yàn)我國微生物肥料近期發(fā)展的重點(diǎn)有以下幾個方面:①加強(qiáng)固氮微生物、固氮基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及與宿主互作機(jī)制的研究;開展基于功能基因組學(xué)平臺的大規(guī)模新型功能基因篩選、鑒定;在上述研究基礎(chǔ)上構(gòu)建性能優(yōu)良的應(yīng)用菌株(包括采用常規(guī)遺傳方法育種、基因工程技術(shù)構(gòu)建),以提供植物更多養(yǎng)分供給(如固氮、溶磷、解鉀、抗逆、抗病等),節(jié)約化肥和農(nóng)藥施用量。其中根瘤菌制劑和各類PGPR制品仍然是研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。②利用植物根際促生細(xì)菌(真菌),維持正常的土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤微生態(tài)的多樣性發(fā)育,減少土傳病害的發(fā)生,增強(qiáng)作物抗病、抗逆能力,降低農(nóng)藥的用量。③調(diào)節(jié)土壤生物活性和土壤結(jié)構(gòu),將微生物與有機(jī)肥配合,化肥配合施用,提高化學(xué)肥料利用率,特別是氮、磷化學(xué)肥料的利用率。④利用微生物的腐熟、無害化功能,促進(jìn)秸稈、畜禽糞便等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物和生活垃圾的利用,促進(jìn)元素的循環(huán)利用和土壤肥力水平的持續(xù)提高。⑤利用現(xiàn)代發(fā)酵工程理論、裝備和自動控制技術(shù),提高發(fā)酵物中功能菌種密度,進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能;采用新型功能菌株保護(hù)劑和新包裝材料,延長菌劑的貨架期,有效保證該類產(chǎn)品的應(yīng)用效果。⑥利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段,實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的快速、準(zhǔn)確控制和安全性評價;采用分子生態(tài)學(xué)技術(shù),對微生物肥料的效果和作用條件進(jìn)行監(jiān)測和評價,解決微生物肥料產(chǎn)品應(yīng)用中的一些問題。從全世界范圍來看,我國的微生物肥料產(chǎn)業(yè)經(jīng)過60多年來的發(fā)展,已經(jīng)形成了自己的特點(diǎn)并在一些領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。具有產(chǎn)品多樣、產(chǎn)品適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn),尤其在功能微生物與有機(jī)物料、功能微生物與無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷、鉀與中、微量元素)的分別復(fù)合,以及功能微生物、有機(jī)、無機(jī)營養(yǎng)三者復(fù)合方面,處于世界領(lǐng)先的地位。目前這些產(chǎn)品在我國應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模很大,已經(jīng)成為生物肥料的主流產(chǎn)品,且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中評價良好。這類產(chǎn)品在提高化肥利用率、降低化肥使用量和減少化肥過量(尤其在氮、磷、鉀元素)使用導(dǎo)致環(huán)境污染方面,已取得了較好的效果,具有廣闊前景。然而必須認(rèn)識到,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,穩(wěn)定應(yīng)用效果仍是微生物肥料行業(yè)面臨的急需解決的問題。我國微生物肥料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用已有近70年的歷史,雖經(jīng)歷了幾次大的反復(fù),近10多年來又處于一個穩(wěn)定發(fā)展階段。目前,我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)基本形成。微生物肥料企業(yè)已遍布我國的30個省、自治區(qū)和直轄市。從企業(yè)數(shù)量上看,2008年以前以山東、河北、北京的企業(yè)最多,但此后,微生物肥料企業(yè)逐步向南部(江蘇、福建、廣東、廣西)和中部(湖南、湖北、四川)等地域發(fā)展。目前我國微生物肥料產(chǎn)品種類繁多,功能菌種種類不斷擴(kuò)大。在農(nóng)業(yè)部登記的產(chǎn)品種類引分為2大類11個品種。在已獲登記產(chǎn)品中,菌肥類產(chǎn)品數(shù)量占登記總數(shù)的40%左右,菌劑類產(chǎn)品占60%;在應(yīng)用面積和總產(chǎn)量方面,菌肥類產(chǎn)品要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過菌劑產(chǎn)品。微生物肥料使用菌種方面,目前涉及細(xì)菌、放線菌、真菌、酵母菌等150多個菌種。微生物肥料的應(yīng)用效果不僅表現(xiàn)在產(chǎn)量增加上,而且表現(xiàn)在產(chǎn)品品質(zhì)的改善,提高肥料利用率,降低病(蟲)害的發(fā)生,保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境等方面,其應(yīng)用效果逐漸被社會各界使用者認(rèn)可。隨著我國加入WTO,國外產(chǎn)品已開始進(jìn)入我國市場,目前有20個國外產(chǎn)品在國內(nèi)示范和推廣,同時,我國也有十多個產(chǎn)品出口至澳大利亞、日本、美國、越南、匈牙利、波蘭、泰國等國家和地區(qū)。按現(xiàn)在的發(fā)展勢頭,今后5年我國的微生物肥料總產(chǎn)量可望達(dá)到1200萬~1500萬t。可以預(yù)計(jì),我國微生物肥料產(chǎn)業(yè)正在開始步入良性循環(huán),并向健康、有序方向發(fā)展,在新的科技革命興起的形勢下,將會在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。3未來生物制劑的開發(fā)3.1未來發(fā)展的概念3.1.1研發(fā)生物過程,確保農(nóng)業(yè)良性發(fā)展在基于功能基因組學(xué)平臺的大規(guī)模新型功能基因篩選和鑒定的基礎(chǔ)上,堅(jiān)持菌種安全的前提下,采用常規(guī)菌種選育、遺傳重組等技術(shù)研發(fā)安全、多功能、綠色的微生物肥料是保證我國農(nóng)業(yè)良性發(fā)展的根本保證。保證國民身體健康、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國長期努力的目標(biāo)。3.1.2我國知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的對策隨著我國國際化進(jìn)程加劇,國外的產(chǎn)品陸續(xù)進(jìn)入我國市場,知識產(chǎn)權(quán)問題越來越受到關(guān)注。開發(fā)自有知識產(chǎn)權(quán)、自主創(chuàng)新性的高品質(zhì)產(chǎn)品,提高國際競爭力,才能使企業(yè)立于不敗之地。3.1.3加強(qiáng)人才培養(yǎng),奠定基礎(chǔ)人才是科技發(fā)展的基礎(chǔ)與推動力,項(xiàng)目的實(shí)施既要保證有高水平的成果,更要注重人才隊(duì)伍的培養(yǎng)與建設(shè),為我國微生物肥料持續(xù)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。并且要鼓勵企業(yè)參與立項(xiàng)、實(shí)施及中試等多個環(huán)節(jié),使產(chǎn)品技術(shù)從立項(xiàng)開始就有市場前景。3.2發(fā)展方向和重點(diǎn)任務(wù)3.2.1生物處理技術(shù)的應(yīng)用以水稻、玉米、花生、大豆等重要農(nóng)作物為主要應(yīng)用對象,選擇性狀優(yōu)良的微生物菌株,開展基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及與宿主互作機(jī)制的研究,同時構(gòu)建和選育具有高效固氮、高抗逆性能的生產(chǎn)菌株,并開發(fā)液態(tài)高菌體密度含量的菌劑產(chǎn)品。選育和構(gòu)建具有高效聯(lián)合(或共生)固氮、抗逆性能的生產(chǎn)菌株;采用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)完成生產(chǎn)菌株的高密度、低成本、短周期發(fā)酵工藝優(yōu)化;配合研制生產(chǎn)菌株保護(hù)劑、穩(wěn)定劑、包裝材料,形成高效固氮性能、高抗逆能力的菌劑產(chǎn)品。3.2.2菌株選育和高效發(fā)酵采用高通量方法篩選土壤中難溶態(tài)磷、低品位磷礦石、非水溶鉀礦的高效生物轉(zhuǎn)化菌株;克隆、鑒定具有良好應(yīng)用價值的重要功能基因;構(gòu)建和選育具有高效生物轉(zhuǎn)化土壤中難溶態(tài)磷、低品位磷礦石、非水溶鉀礦的生產(chǎn)菌株;采用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)和代謝調(diào)控技術(shù),完成生產(chǎn)菌株的高密度和芽孢高成率發(fā)酵工藝優(yōu)化;研制生產(chǎn)菌株相配合的保護(hù)劑,形成適應(yīng)性良好、貨架期長的產(chǎn)品。3.2.3微生物復(fù)合系統(tǒng)的建立定向篩選、構(gòu)建秸稈和畜禽糞便快速腐熟的功能微生物復(fù)合系;克隆得到脫蠟、纖維素酶基因和木質(zhì)素酶等與腐熟過程直接相關(guān)的功能基因;利用建立和應(yīng)用的分子生態(tài)學(xué)評價和分析秸稈和畜禽糞便腐熟過程的作用因子和腐熟條件;補(bǔ)充具有抗土傳病害、穩(wěn)定微生態(tài)系統(tǒng)等功能的微生物,形成高活性而穩(wěn)定的功能微生物復(fù)合系;以該復(fù)合系為主體研制形成快速分解制作有機(jī)肥的生產(chǎn)工藝過程,結(jié)合篩選的微生物復(fù)合系,開發(fā)形成具有抗土傳病害、穩(wěn)定微生態(tài)系統(tǒng)生物有機(jī)肥產(chǎn)品。3.2.4顯、對土傳病原菌的高效菌根真菌菌株篩選與果、菜、中草藥類作物親和力高、促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收明顯、對土傳病原菌競爭力強(qiáng)的高效菌根真菌菌株;加強(qiáng)高效菌根真菌菌株生物學(xué)特性和生態(tài)適宜性研究、高效菌根真菌制劑的大規(guī)模生產(chǎn)工藝研究和菌根產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)的相關(guān)技術(shù)研究。3.2.5微生物組合和配套技術(shù)尋找特定耕作方式下的生物障礙因子,并根據(jù)生物障礙因子的類型,篩選和評價利用能夠改善根際微環(huán)境的微生物組合和配套技術(shù);完成改善根際微環(huán)境的生物、控制土傳病害、促進(jìn)作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用的相關(guān)基因克隆和功能評價;與有關(guān)技術(shù)配合,研制出有效打破或削弱作物特定耕作方式下的生物障礙因子、控制土傳病害的發(fā)生的微生物肥料產(chǎn)品,并完成其產(chǎn)業(yè)化。3.2.6功能微生物的構(gòu)建針對當(dāng)前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要污染物,篩選和評價利用能夠降解、修復(fù)污染物,提高和恢復(fù)土壤肥力、活力的功能微生物;完成其相關(guān)重要功能基因的克隆和鑒定;構(gòu)建并篩選競爭性、抗逆性強(qiáng),降解底物濃度范圍廣泛、環(huán)境釋放安全的工程菌株;以功能菌株為核心,優(yōu)化其生產(chǎn)工藝研究,配合保護(hù)劑和助劑的研制,完成生物修復(fù)制劑的產(chǎn)業(yè)化。3.2.7固體發(fā)酵研究針對固氮施氏假單胞、膠胨樣芽胞桿菌、根瘤菌等開展液體深層高密度發(fā)酵研究、芽孢桿菌和放線菌等的固體發(fā)酵研究和新型復(fù)合生物肥料、生物有機(jī)肥的研制。3.2.8研制生物芯片針對一些存在潛在或已經(jīng)具備生物危險(xiǎn)性的病原微生物研制生物芯片,實(shí)現(xiàn)對生物肥料生物安全的快速、準(zhǔn)確評價;基于免培養(yǎng)技術(shù)的生物肥料中目標(biāo)菌種的快速鑒定以及定量檢測技術(shù)的建立。4對策和建議4.1微生物資源的收集和利用這項(xiàng)工作是微生物肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用的基礎(chǔ)。從微生物肥料菌種資源的應(yīng)用層面上來看,固氮菌(及根瘤菌)、溶磷菌、解鉀菌、PGPR、光合細(xì)菌、菌根真菌、木質(zhì)纖維素腐解菌、各種土壤修復(fù)降解菌、重金屬耐性菌等有益微生物是微生物種質(zhì)資源的收集重點(diǎn)。從自然界分離篩選得到的優(yōu)