解磷微生物在农业上的应用

2010-04-13王俊宏王梦亮

山西农业科学 2010年9期

王俊宏，张蕊，王梦亮

（山西大学应用化学研究所，山西太原030006）

磷是植物生长发育的重要物质基础，是植物体内核酸的重要组成元素，而核酸又是形成核蛋白的重要组成部分，广泛地参与原生质及细胞器的组成。磷同时是各种磷脂、多种酶及辅酶A等的重要组成成分，而这些物质对于细胞来说非常重要[1-2]。植物缺磷会影响核酸、核蛋白合成，使细胞形成和增殖受到抑制，导致生长发育停滞，根系发育不良，植物矮小，各类作物分蘖将减少或延迟，抽穗推迟，开花晚，成熟迟，穗粒数减少，籽粒不饱满，玉米果穗秃顶，马铃薯块茎变小等。因此，磷对农业生产来说是非常重要的[3]。

土壤含有丰富的磷素，既有无机态磷，也有有机态磷，一般以无机态磷为主。在土壤中，绝大部分磷以矿物态形式存在，只有小部分存在于土壤溶液中或被土壤胶体吸附，有效态磷数量很少。我国缺磷土壤面积很大，尽管多年来不断施用磷肥，仍有74%左右的土壤缺磷，所以如何提高土壤磷素利用率一直是农业科技工作者的研究热点之一[4-5]。由于土壤磷主要存在于土壤矿物质或有机质中，在自然状况下其释放速度很慢，很难满足植物生长发育的需要。大量研究表明，某些微生物具有很强的解磷功能，通过其分泌物或吸收作用把土壤中无效态磷转化成有效态磷。因此，筛选解磷微生物，生产含有解磷功能的微生物有机肥料对解决植物磷素供应问题是一条很好的途径[6]。

1 解磷微生物

解磷微生物或溶磷微生物（Phosphate-solubilizingMicroorganisms，PSM）是土壤中能够将难溶性磷转化为植物能吸收利用的可溶性磷的一类特殊的微生物功能类群[7-8]。土壤中具有解磷能力的微生物种类很多，包括细菌、真菌和放线菌。

解磷微生物即能够分解难溶性磷化合物的微生物种类很多，亦很复杂。根据作用对象的不同，解磷菌可分为有机磷微生物（能够矿化有机磷化合物的微生物）和无机磷微生物（能够将植物难以吸收的无机磷酸盐转化为可直接吸收利用的可溶性磷的微生物）。但节杆菌属的一些种（Arthrobacter sp）、链霉菌属的一些种（Streptomycessp）和曲霉属的一些种（Aspergillus sp）既能分解无机磷，也能分解有机磷[9]。

目前报道的解磷细菌主要有芽孢杆菌属（Bacillus）、假单孢菌属（Pseudomonas）、埃希氏菌属（Escherichia）、欧文氏菌属（Erwinia）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、沙雷氏菌属（SerratiaBizio）、黄杆菌属（Flavobacterium）、肠细菌属（Enterbacter）、微球菌属（M icrococcus）、固氮菌属（Azotobacter）、沙门氏菌属（Salmonella）、色杆菌属（Chrom obacterium）、产碱菌属（Alcaligenes）、节细菌属（Arthrobacter）、硫氧化硫功菌（Thiobacillus thioox idans）和多硫杆菌属（Thiobacillus）等。解磷真菌主要是青霉属（Penicillium）、曲霉属（Aspergillus）和根霉属（Rhizopus），放线菌有链霉菌（Streptom ycetaceae）、AM菌根菌，绝大部分为链霉菌属[10-11]。其中，解磷巨大芽孢杆菌是发现最早、解磷效果最好、使用国家多、推广面积大的菌株，它具有溶解磷酸三钙的能力。

2 微生物转化磷化物的机理

参照相关研究文献，将解磷微生物溶解难溶性磷化物的机制归结为以下几类。

2.1 产生有机酸

通过生命代谢活动产生有机酸（细菌一般分泌乳酸、氨基酸、草酸、延胡索酸、琥珀酸和柠檬酸等，真菌主要分泌草酸、丙二酸和乳酸等），这些酸一方面直接溶解土壤中难溶性磷酸盐，另一方面则是通过螯合作用释放出土壤磷素。

2.2 释放出质子

通过呼吸作用释放出CO2，NH+4同化作用释放出质子，降低环境pH，从而引起磷酸盐的溶解。解磷细菌释放H2S，与磷酸铁进行化学反应产生硫酸亚铁和可溶性磷酸盐。

2.3 螯合

腐解植物残体而产生胡敏酸和富里酸。这2种酸既能降低pH，又可与复合磷酸盐中的钙、铁、铝螯合，从而释放出磷酸根离子。它们也能与铁、铝及磷酸盐形成稳定的可溶性复合物，这些复合物可以被植物吸收利用。

2.4 矿化作用

生物矿化作用，即通过分泌植酸酶、核酸酶和磷酸酶物质，将磷酸酯等有机磷降解[12-14]。

3 微生物解磷的影响因素

3.1 氮源影响

Sen和Paul研究了不同氮源对4种细菌溶磷作用的影响，发现菌株的溶磷效果受氮源的强烈影响，有的菌株在硫酸铵供应时溶磷能力强，有的菌株供应尿素时溶磷效果好，不同菌株对氮源有不同的要求。Asea等在石灰性土壤中研究了Penicillium bilaji和P cf juscum溶磷菌株的溶磷条件及不同氮源对溶磷作用持续时间的影响，结果证明，铵态氮是必需氮源，溶磷与pH下降直接相关。Cerezine等研究了Asperg illusniger溶磷的影响条件，发现溶磷与pH下降相关，葡萄糖、果糖、蔗糖效果最好，NH4-N优于NO3-N和有机氮，使用NH4-N使pH下降。赵小蓉等以不同的氮源（NH，NO，尿素）为培养基研究不同氮源对微生物溶磷的影响，结果发现，曲霉2TCiF2和4TCiF6在以NO为氮源的培养基中表现出强的溶磷活力，而节杆菌1TCRi7和1TCRi4的溶磷活性则在NO存在时降低，青霉1TCRiF5、青霉2TCRiF4、肠杆菌1TCRi15和欧文氏菌4TCRi22则只有在供给NH时才具有溶解磷矿粉的能力[15]。

3.2 水分比例

周鑫斌等研究发现，磷细菌肥发挥作用的最适宜土壤水分是15.5%～16.5%，发挥作用的土壤水分下限为10.5%～11.5%。

3.3 肥料措施

罗明等研究发现，有机肥合理配施氮、磷、钾肥能有效促进磷细菌活力，从而增强土壤磷的有效性，改善土壤的供磷性能。Venkateswarlu等研究了沙漠土中溶磷微生物的数量，发现溶磷微生物的数量与土壤有机质成正比，难溶磷对溶磷菌的溶磷能力没有促进作用。Tomar研究了溶磷细菌和厩肥对绿豆产量的效果，发现厩肥对溶磷细菌的溶磷效果有促进作用。

3.4 微生物间的互作

林启美等发现，接入纤维分解菌的培养基质砂中的水溶性磷含量明显增加，这是利用纤维素分解菌将培养基质中的纤维素类物质转化为单糖或其他解磷菌能够利用形态的特性，为无机磷细菌生长繁殖提供碳源，从而大幅度地提高无机磷细菌溶解磷矿粉的能力[16-17]。

4 解磷微生物的其他优点

4.1 促进农作物对其他营养元素的吸收

解磷微生物可以吸附作物根系周围的锌、铜、钙等微量元素，改善植物营养；而且还可分泌作物生长调节物质，促进根系生长。

4.2 增强植物的抗病能力

某些磷细菌肥的菌种接种后，在植物根际大量生长繁殖，在一段时间内成为植物根际的优势菌。由于它们的繁殖，抑制或减少了病原微生物的繁殖机会，有的具有拮抗病原微生物的作用。

4.3 肥效高

施用化学磷肥则有相当一部分由于土壤的固定作用损失肥效，而解磷微生物可溶解难溶性磷素，从而提供给植物可以直接吸收利用的优质磷素营养。

4.4 减少环境污染

由于采用从土壤中直接分离优质解磷微生物作为肥料的生产菌种，故不存在生产过程中向环境排放污染物。解磷微生物的生命活动还对土壤有修复作用，可以说，解磷微生物是一种真正意义上的环保型肥料。另外，解磷微生物肥料的生产工艺简单，投资少，见效快，效益好，具有极强的市场竞争力[18-19]。

5 结语

解磷微生物肥料生产成本低，应用效果好，不污染环境，施用后不仅能使农作物增产，而且能提高农产品质量和减少化学磷肥施用量，因此，在农业持续发展中占有重要地位。随着我国人口日益增长，人们生活水平的不断提高，对农产品的数量和质量提出了更高的要求。同时，由于耕地不断减少，化学磷肥施用量增大，使生产成本直线上升，环境不断恶化，在这种情况下，解磷微生物肥料和其他微生物肥料的综合作用更显示出它们在农业生产中的应用优势和良好前景。此外，城市、农村对废弃物消纳的压力愈来愈大，要求废弃物无害化、肥料化，解磷微生物肥料在这方面同样也显示出良好的应用前景[20]。

［1］鲁如坤.土壤-植物营养学原理和施肥[M].北京：化学工业出版社，1998：456-459.

［2］李阜棣，胡正嘉.微生物学[M].5版.北京：中国农业出版社，2000：22-81.

［3］ Richardson A E.Soilmicroorganism and phosphorusavailability[C]//Double B E，Gupta V，et al.Eds.Soil Biota Management in Sustainable Farming System.CSIRO：Melbourbne，1994：50-62.

［4］梁绍芳.解磷微生物肥料的作用和应用[J].土壤肥料，1994（2）：45-48.

［5］ Illmer P，Schinner F.Solubilization of inorganic phosphates by microorganisms isolated from forestsoils[J].Soil Biology&Biochemistry，1992，24（2）：389-395.

［6］ Gaind S，Gaur A C.Thermo tolerant phosphate Solubilizationmicroorganismand their inter-action withmung bean[J].Plant and Soil，1991，133：141-149.

［7］ Chabot R，Antoun H，Cescas M P.Growth promotion ofmaize and lettuce by phosphate-solubilizing Rhizobium leguminosarum biovar phaseoli[J].Plant and Soil，1996，184：311-321.

［8］赵小蓉，林启美.微生物解磷的研究进展 [J].土壤肥料，2001，5（3）：7-11.

［9］尹瑞龄.我国旱地土壤的溶磷微生物 [J].土壤，1988，20（5）：243-246.

［10］林启美，赵小蓉，孙焱鑫.四种不同生态环境中解磷细菌的数量及种群分布[J].土壤与环境，2000，9（1）：34-37.

［11］林启美，王华，赵小蓉.一些细菌和真菌的解磷能力及其机理初探[J].微生物学报，2001，28（2）：26-29.

［12］陆文静，何振立，许建平，等.石灰性土壤难溶态磷的微生物转化和利用[J].植物营养与肥料学报，1999，5（1）：7-11.

［13］陈廷伟.解磷巨大芽孢杆菌分类名称、形态特征及解磷性能评述[J].土壤肥料，2005（1）：7-11.

［14］冯瑞章，姚拓，周万海，等.溶磷菌和固氮菌溶解磷矿粉时的互作效应[J].生态学报，2006，26（8）：2764-2769.

［15］郝晶，洪坚平，谢英荷，等.石灰性土壤磷细菌的分离、筛选及解磷效果[J].山西农业科学，2005，33（4）：56-59.

［16］ Kennedy A C.The rhizosphere and spermosphere[C]//Principlesand applications of soilmicrobiology.New Jersey：Prientice Hall，1998：389-407.

［17］ Lynch JM，Whipps JM.Substrate flow in the rhizosphere[J].Plantand Soil，1990，129：1-10.

［18］ Rmn.Kucey，Hh.Janzen，Me.Legett.Microbially mediated in creases in plant available phosphorus [J].Adv Agron，1989，42：199-228.

［19］郜春花，王岗，董云中，等.解磷菌剂盆栽及大田施用效果[J].山西农业科学，2003，31（3）：40-43.