固氮蓝藻的农业应用研究进展*

包江桥, 周伊薇, 何璐茜, 李 琦, 黎华寿, 张定煌, 贺鸿志**

(1. 农业部华南热带农业环境重点实验室/广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心/华南农业大学资源环境学院广州 510642; 2. 中山市农业科技推广中心 中山 528401)

蓝藻(Cyanobacterium)又称蓝细菌, 是地球上最早出现的一类能进行光合作用的原核微生物, 而固氮蓝藻是指具有固氮能力的蓝藻的总称。目前已发现20多个属150余种, 固氮蓝藻具有极强的生态适应能力, 可在许多生境中以游离态存在或与某些生物形成共生体, 是热带亚热带地区重要的微生物资源[1-2]。近年来国内外研究表明其在生物肥料、生物农药、功能食品、新药物、新能源、新材料、污染修复等方面具有广阔的应用前景[3]。关于固氮蓝藻在农业生产上的应用始于 1939年印度首次报道用固氮蓝藻肥田[4], 之后许多研究证明稻田接种固氮蓝藻可增产。而国内黎尚豪[5]的研究表明接种固氮蓝藻后水稻(Oryza sativa)平均增产超过 15%, 最高达 33%, 是很有发展前景的晚稻肥源。稻田放养固氮蓝藻不但能为作物提供氮素和有机质、提高磷酸盐溶解度、减少水土污染, 还能向作物根部供氧、分泌植物激素及抑制杂草生长等, 起到维持生态平衡和促进农业可持续发展的目的[3-6]。特别是在全球变暖和农业面源污染严重的今天, 可固氮固碳的蓝藻在农业生产和生态环境保护中的价值愈加凸显[7]。随着蓝藻固氮农业应用基础研究的发展, 其在农业生产中的应用潜力正在得到更全面和深入的认识。同时,固氮蓝藻在农业环境污染修复、农业病虫害防治、农业废弃物利用等方面的应用也成为当前的热点[2-3],但国内的相关应用和应用基础研究滞后很多。论文就国内外近 5年(2013—2017年)固氮蓝藻的农业应用进展进行了全面综述, 并就存在的问题和今后的发展方向做了展望, 以期为国内相关领域的发展提供借鉴。

1 作物生长调节剂

研究表明很多微藻可以产生植物激素, 而且高等植物的激素生物合成路径起源于微藻[8]。蓝藻产生的植物激素主要是生长素和细胞分裂素, 这两类物质在植物细胞中的功能和代谢已经基本清楚, 但对于蓝藻的相关信息较少。Žižková等[9]分析了20种微藻的内源性细胞分裂素和生长素, 结果表明两者的代谢和活性调控路径复杂, 与维管束植物差异明显。关于固氮蓝藻产植物激素的能力及其在农业上的应用已经有不少研究报道, 比较多的研究关注的是生长素, 特别是吲哚乙酸(IAA)。Boopathi等[10]研究发现在红树(Rhizophora apiculata)植物根部定殖的固氮蓝藻—席藻(Phormidiumsp.)MI405019可以生产IAA, 提高盐度可使IAA产量升高。用该藻的培养液处理可使烟草(Nicotiana tabacum)种子萌发率提高 40%, 并诱导烟草愈伤组织产生多重根。Mazhar等[11]研究也发现从农田土壤分离到的4种固氮蓝藻可以产生生长素。添加250 mg·L-1的L-色氨酸时产生IAA的浓度范围为0.20～1.63 mg·L-1, 说明蓝藻具有调节其L-色氨酸依赖型生长素生物合成的能力。同时, 在水培生长系统中, 固氮蓝藻可以促进小麦(Triticum aestivum)‘Uqab-2000’的营养生长。小麦的内源生长素含量与固氮蓝藻产生的外源性生长素产量显著正相关。当与植物共存时, 固氮蓝藻产生更多的内源和外源生长素。因此, 固氮蓝藻具有直接在田间作为生物肥料和生物调节剂使用的潜力。Hussain等[12]发现念珠藻(Nostocsp.)OS-1具有编码IAA合成的关键酶ipdC的基因。野生型胞内和胞外的生长素随培养时间的增加而升高, 到第 3周达最大值21 pmol·mg(Chla)-1。藻可定殖于水稻和小麦根部促进植株生长, 同时藻-植物处理诱导了ipdC基因的表达。而敲除ipdC基因的突变株的IAA释放量、体外生长、根内定殖和促植物生长能力均显著低于野生型。说明ipdC基因和/或 IAA合成是念珠藻 OS-1有效定殖和促植物生长所必需的。此外,Hashtroudi等[13]发现 2株鱼腥藻(Anabaena vaginicola)和 1株钙生念珠藻(N. calcicola)对几种蔬菜和草本植物具有显著的促长作用, 其产生的生长素主要为吲哚丁酸(IBA), 而IAA含量较低, 这与一般微藻主要产生IAA不同。

在细胞分裂素方面, Hussain等[14]发现从水稻根部分离的内共生念珠藻能累积和释放细胞分裂素。敲除其合成限速酶——异戊烯基转移酶基因后, 突变株玉米素急剧下降(80%), 在水稻和小麦根部的定殖能力也显著降低。这说明细胞分裂素合成是内共生念珠藻在植物根部定殖和产生促生作用的手段之一。另外, Frébortová等[15]研究发现念珠藻 PCC 7120的内源细胞分裂素合成受到光照的影响: 在暗期生长中被激活, 从而使光期开始时细胞分裂素含量增加。细胞分裂素代谢物组成和含量随时间和光照的变化表明该藻对细胞分裂素的代谢方式与植物存在一定差异。

2 生物肥料

从经济和环保角度来看, 在农业生产中应尽量减少价格较高和对环境不利的物质投入, 特别是在当前我国要求农药化肥“双减”的背景下, 化肥的减量化是必然趋势。温室大棚和大田试验结果表明长期施用生物肥料的积极影响大于其负面效应[16]。固氮蓝藻固定的氮通过分泌、细胞破裂和降解等途径为植物提供氮, 可以促进植株生长和提高产量, 因此, 具有替代化学氮肥的潜力。同时, 固氮蓝藻还可以改善土壤结构, 并在吸收和封存大量 CO2实现碳减排和增加土壤有机质方面发挥重要作用。因此,有人认为藻生物肥料的工业化势在必行[7]。近年国内外既有盆栽试验研究报道, 也有大田试验研究报道, 在固氮蓝藻规模化生产、接种技术优化等方面都做了有益的探索。

2.1 固氮蓝藻藻肥生产

在农业生产中应用固氮蓝藻替代氮肥需要进行规模化生产, 常规的方法就是室外开放式培养和光反应器培养。如 Barminski等[17]在田边水沟中培养固氮蓝藻作为有机农场的生物氮肥。但光生物反应器的生产效率更高, Silva等[18]发现在实验室规模的光生物反应器中, 光照显著影响小单歧藻(Tolypothrix tenuis)的生物质产量。研究结果表明在短光程高光强反应器中, 藻细胞密度和体积产率较高, 但是在正常光强度下5 cm光程反应器的总面积生产力则更高。而使用卤素灯和离子絮凝增强了干燥和研磨后藻的生存能力, 显著高于使用荧光管干燥。由于使用化学培养基成本太高很难大规模应用,需寻找成本较低的生长基质。一个替代的方法是利用废料和废水(W&WW), 特别是来自工农业富含氮、磷等物质的W&WW, 可以在去除污染物的同时生产生物质。因此, 用 W&WW 培养固氮蓝藻用于生物肥料生产的潜力巨大。Renuka等[19]研究发现本地丝状微藻团具有很强的初级污水处理能力, 而处理产生的藻生物质可以用作生物肥料。Mukherjee等[20]研究表明鞘丝藻(Lyngbyasp.)KF644563和席藻KU740239可以用于处理蒸米厂的重污染废水, 收获的生物质可以作为生物缓释磷肥。同时, 固氮蓝藻还可作用于固液混合物甚至固体废弃物处理, 提高其营养元素含量从而作为生物肥料使用。而Chintagunta等[21]先利用马铃薯(Solanum tuberosum)皮和泥状废物生产乙醇, 随后对剩余的残渣分别用5种固氮蓝藻进行接种处理。结果发现接种多变鱼腥藻(A. variabilis)使氮磷钾含量分别比初始含量增加7.66倍、21.66倍和15倍, 可用作肥料使用。因此, 采用生物乙醇和生物肥料技术相结合的综合生产模式可以完全利用固体废物, 从而实现固体废物零排放。

另外, 若要在认证的有机农业生产中使用蓝藻生物肥料, 需要使用经过有机认证的培养基。Barminski等[17]比较了常用的固氮蓝藻培养基AA和组分经过有机认证的培养基 RB对鱼腥藻的生长和固氮作用的影响。田间试验结果则表明, 虽然RB中微量元素浓度较低, 但两种培养基中藻的生长速率没有显著差异。说明 RB可用于固氮蓝藻生物有机肥料的生产。

2.2 固氮蓝藻农田应用方式

固氮蓝藻农田应用一般有两种方法: 规模化培养获得大量藻生物质投放和接种少量藻种通过其在农田生长固氮原位提供氮源。但两者缺点都很明显,前者需要培养、收获、干燥和保藏等一系列设备和场所, 水源和培养基投入大, 成本高; 而后者受生态环境因素影响很大, 导致成活率低、生长缓慢、固氮效果差等。在大田实际应用中, 固氮蓝藻的使用面临很多挑战, 包括藻株不能与本地植物竞争、难以维持较长的生长时间及在化学氮肥出现时不能有效固氮[6]。在盆栽试验基础上, 近年来已有很多进行大田小区和大区试验的报道。发展方向既有完全替代化肥应用于有机农业生产, 也有部分替代化肥、减量增效环保的生产模式。

2.2.1 单独接种固氮蓝藻

Kumar等[22]通过盆栽试验发现接种固氮蓝藻可以促进香料植物的生长。研究结果表明经宽松鱼腥藻(A. laxa)处理的茴香(Foeniculum vulgare)种子的萌发率比对照高 25%, 而艾伦型眉藻(Calothrix elenkinii)显著提高了茴香、孜然(Cuminum cyminum)和胡荽(Coriandrum sativum)等 3种植物根长/芽长比。植物的干重以及根与芽中的过氧化物酶活性都提高5～10倍, 最大值出现在艾伦型眉藻处理的胡荽幼苗中。Shariatmadari等[23]通过盆栽试验发现, 从麦田土壤分离的鱼腥ISB42、钙生念珠藻ISB43和眉藻(C. michailovskoense)ISB45提取物可以促进洋薄荷(Mentha piperita)的生长和精油产生。孔德柱等[24]对比了固氮鱼腥藻(A. azotica)、尿素和羊粪作为盆栽小麦和西红柿(Lycopersicon esculentum)肥料的效果,结果表明生长50 d的小麦, 藻肥处理的鲜重和干重分别为对照的3倍和2倍; 生长50 d的西红柿, 藻肥处理鲜重是对照的15倍, 是羊粪和尿素处理的2倍多, 干重是对照的14倍; 施用藻肥的土壤在90 d后含氮量可提高416%, 维持在0.075%左右。

大田研究方面, Renuka等[25]评估了两种含固氮蓝藻的混合藻团(单细胞藻团MC1和丝状藻团MC2)作为小麦的生物肥料潜力。处理T5 (75%N+全量磷钾+MC2)使土壤可利用氮、磷、钾含量和固氮潜力达到最高。两种藻处理与对照相比微生物生物量中的碳含量显著增加, 达31.8%～67.0%, 其中, T4处理(75%N+全量磷钾+MC1)达到最高值。施用含微藻的配方肥显著增加了小麦根、芽和谷粒的氮、磷和钾含量。在收获阶段的测定结果表明, T4和T5接种使植株干重提高7.4%～33.0%, 穗重提高10%。与常规施肥对照相比, 千粒重增加 5.6%～8.0%。微藻联合施用可节省 25%的化学氮肥并提高小麦产量。Dash等[26]研究发现与不施用化学氮肥对照比较, 每公顷分别施加 30 kg和 60 kg尿素处理后两种接种于稻田的固氮蓝藻生长速率和乙炔还原活性依次降低。说明化学氮肥的应用会对稻田蓝藻的生长和固氮作用产生不利影响。Babu等[27]研究了接种固氮蓝藻对小麦生长的影响, 研究结果表明培养 2周后, 与不接种藻的对照相比, 小麦鲜重增加 30%～60%, 干重增加14%～40%。接种宽松鱼腥藻RPAN8后固氮潜力(乙炔还原活性)比对照增加 20倍。接种眉藻(Calothrixsp.)RPC1使小麦根部叶绿素含量增加超过 90%。Prasanna等[1]评估了大田条件下蓝藻的定殖及其对土壤微生物和作物植株参数的影响, 结果表明在添加 75%化学氮肥和全磷全钾条件下, 混合接种固氮蓝藻在显著提高土壤微生物活性和促进植物生长、提高产量的同时, 节省 25%的化学氮肥。说明固氮蓝藻除了分泌植物生长促进物质影响植物生产力和土壤肥力, 还可以通过提供氮和碳在水稻-小麦耕作系统中起到有机输入源的作用。

2.2.2 与其他有益生物混合接种

固氮蓝藻与其他有益微生物的混合接种可能比固氮蓝藻单独接种更具优势。如Zayadan等[28]研究了固氮蓝藻、绿藻、固氮生物的组合: ZOB-1 [多变鱼腥藻、普通小球藻(Chlorella vulgaris)和固氮菌(Azotobactersp.)]和ZOB-2 (N. calsicola、普通小球藻和固氮菌), 发现微藻表现出高生长率和光合活性。ZOB-1促进水稻种子萌发和植株生长, 可以作为作物的生长刺激剂和生物肥料, 其优势包括使作物能抵御极端条件、有极高的生态价值、极高的生长速率、不受极低的碳和氮素浓度影响。

大田研究方面, Prasanna等[29]研究表明施用以眉藻或鱼腥藻为基础的混合配方生物肥提高了棉花(Gossypium hirsutum)‘PKV081’的发芽率和鲜重, 使土壤中可利用氮增加 20%～50%, 微生物活性增加10%～15%。而 Ali等[30]研究表明在连续两季水稻试验过程中, 红萍(Azolla imbircata)+固氮蓝藻处理的孟加拉国水田水稻籽粒产量比对照增加 10%。无机肥料和有机、生物肥料混合施用可提高稻田土壤有机碳、总氮、微生物生物碳和阳离子交换容量。

2.2.3 生物膜接种法

固氮蓝藻可以单独或与其他有益微生物共同形成生物膜后用于接种, 这种方式形成的接种体的存活能力和稳定性理论上应优于简单的混合接种。Swarnalakshmi等[31]通过盆栽试验评估了以扭曲鱼腥藻(A. torulosa)为基质分别结合4种解磷或固氮菌制备的生物膜用于小麦生产的效果。在接种生物膜14周后 ARA值(乙炔还原活性)比第 4周增加40%～50%。在施用磷矿石条件下, 鱼腥藻-沙雷氏菌(Serratiasp.)生物膜和两者混合接种, 在所有处理中具有最好的固氮效果。这些凸显了微生物间的协同合作, 在小麦生产中固氮蓝藻生物膜接种与化肥减量相结合的技术优于单藻接种。

大田试验方面, Bidyarani等[32]评估了宽松鱼腥藻单独接种和 3种混合微生物生物膜接种在鹰嘴豆(Cicer arietinum)生产中的效果, 结果表明宽松鱼腥藻单独接种和鱼腥藻-根瘤菌(Rhizobium)生物膜接种效果最好。Prasanna等[33]研究了在印度新德里的大田中接种含固氮蓝藻菌剂对强化栽培和传统栽培模式下水稻的影响, 结果表明生物膜接种使微生物和植株计量参数值均达到最高, 同时, 接种固氮蓝藻使土壤有效磷及其经由根到叶的运输显著增加。鱼腥藻-念珠藻混合处理、木霉(Trichodermasp.)单独处理和鱼腥藻-木霉生物膜处理均在水稻常规种植模式下获得最高的谷物和稻草产量, 而与推荐剂量化肥处理没有显著差异。同时, 在两种水稻种植模式下, 固氮蓝藻接种均可在改善营养可用性、土壤肥力和作物生产力的同时, 平均每季每公顷节省 60 kg化学氮肥。Prasanna等[29]研究表明, 以眉藻和鱼腥藻为基础的生物膜施用兼具促生长和生防作用, 可大幅降低棉花受病害时的死亡率。生物膜接种避免了混合接种需要对多种菌株进行培养和维护的问题。

3 抗病虫害

近年来国内外关于蓝藻在农作物保护方面应用潜力的文献报道已有不少, 但多数局限于实验室体外活性研究。由于固氮蓝藻可以产生大量性质各异的次级代谢物, 已有部分藻源化合物在医学方面得到商业化应用[3], 可以预期商业开发蓝藻化合物在除草和病虫害防治方面的应用价值。近年来研究筛查了一些对某些作物病原微生物具有防治潜力的固氮蓝藻, 并对其生化甚至分子机理进行了研究。如Gupta等[34]研究发现宽松鱼腥藻对德氏腐霉(Pythium debaryanum)具有拮抗活性, 活性物质为majusculamide C类似物。Natarajan等[35]在艾伦型眉藻 RPC1中发现了具有抗瓜果腐霉(P. aphanidermatum)活性的内切葡聚糖酶基因。Prasanna等[36]研究发现 2种鱼腥藻与堆肥及蛭石混合处理可显著降低枯萎病病菌(Fusarium wilt)在土壤中的数量, 并抑制其迁移能力, 并且能增加土壤有机碳和氮、促进番茄植株的生长、提高产量和品质、增加氮磷锌含量及增强番茄植株与抗病机制相关酶的活性。Abdel-Hafez等[37]研究发现普通念珠藻的胞外分泌物使洋葱紫斑病病原葱链格孢菌(Alternaria porri)的菌丝生长减少 20.37%, 分析分泌物成分发现包含高浓度的酚类物质和生物碱, 其中, β-紫罗酮是最主要的化合物, 含量达 7.21%, 其次是去甲哈尔满(7.08%)。温室实验条件下, 施用藻培养滤液可使植株发病程度降低55.1%～66.5%。Roberti等[38]研究发现鱼腥藻水提物可诱导西葫芦(Cucurbita pepo)叶产生系统性防御反应, 使瓜白粉病症状降低 25%, 并诱导多种重要酶类(内切几丁质酶、β-N-乙酰己糖胺酶、几丁质-1,4-β-壳二糖酶、β-1,3-葡聚糖酶和氧化酵素)累积, 特别是使几丁质酶在初期显著增加(15%～38%)。同时, 水提取物对病原孢子也有直接的拮抗活性。大田应用方面, Prasanna等[29]研究表明在丝核真菌(Rhizoctoniasp.)感染的棉田里, 在多种固氮藻和有益微生物接种方式中, 鱼腥藻-绿色木霉(T.viride)生物膜接种的生防效果最好, 植株死亡率比接种商业化木霉制剂低11.1%。

另外, 固氮蓝藻在防治土壤线虫方面也具有一定的应用潜力[39]。如Holajjer等[40]研究发现10种固氮蓝藻均对根结线虫(Meloidogyne incognita)J2s具有杀虫活性, 使线虫不动率和死亡率分别增加到88.2%～96.5%和 4.2%～29.3%, 固氮蓝藻在土壤中的应用可以降低线虫感染, 提高植物产量。Prasanna等[29]的大田接种试验结果也表明固氮蓝藻接种可以显著减少棉田植株寄生线虫数量(比常规施肥处理少 22%～41%)。

4 农业环境污染防治

4.1 农业污水处理

微藻被公认具有通过营养吸收和产生生物质修复废水的潜力[20]。Renuka等[19]分析3种混合微藻团利用初级污水生产生物质的能力, 发现用其中 5种丝状固氮蓝藻形成的藻团处理污水, 其对氮和磷(磷酸盐形态)的最大去除率分别达 90.0%和 97.8%,接种后第 6 d具有最大的总溶解固体物质降低幅度(1 120～806 mg·L-1)和 最 大 的 溶 解 氧 升 高 幅 度(0.4～9.0 mg·L-1), 生物质的产量也最高(1.07 g·L-1)。Mukherjee等[41]发现印度的蒸谷米厂废水是一种被忽视的磷源, 污水可溶性磷的平均含量约为 40 mg·L-1, 用小球藻、蓝菌藻(Cyanobacteriumsp.)、鞘丝藻、鱼腥藻吸收废水中多余的磷, 可将其作为多磷酸盐包含物并用作缓释磷肥以帮助植物生长, 可以防止磷的流失和污染, 并可以满足作物短期需求。Mukherjee等[20]研究表明鞘丝藻KF644563和席藻 KU740239可以修复蒸谷米厂的重污染废水, 收获的生物质可以作为缓释磷类生物肥料, 处理后的水还可用于作物灌溉; 用藻团处理污水 36 d, 藻鲜重达到最高, 污水修复效率也达到最大值, 磷和氨氮去除率分别达 93.9%和 100.0%, 生化需氧量、化学需氧量和总溶解固体物分别降低98.7%、91.6%和93.5%, 实现达标排放; 同时, 席藻能自发地聚集形成丝状体, 便于收获, 是更理想的选择。Tsolcha等[42]发现以鞘丝藻为主的混合蓝藻可以将葡萄干和葡萄酒产业的污水作为培养基, 在去除营养物质和化学需氧量的同时, 获得较高的脂质产量。以上述两种废水的混合物作为基质时, 可获得极高的污染物去除率(化学需氧量、总氮和总磷去除率分别为92.8%、78.1%和 99.0%), 而生物质中脂质约占藻干重的13%, 且饱和脂肪酸与单不饱和脂肪酸占总脂的85%, 可以用于生物柴油的生产。该系统可有效地将污水处理与生物柴油生产技术相结合, 这说明结合污水处理与生物能源生产可以大大降低生物柴油生产的成本和环境危害。

另外, Debnath等[43]研究表明从孟加拉稻田中分离的5株常见固氮蓝藻对砷具有较强的生物富集能力, 且均可将高毒性的亚砷酸盐转化为毒性较低的砷酸盐, 但效率各异。当用 100～400 μmol·L-1亚砷酸盐处理时, 藻培养液中砷酸盐含量占 9.58%～78%, 而藻干物质中占 33%～100%。表明固氮蓝藻具有应用于稻田降低砷生物活性和稻米食用安全风险的潜力。

4.2 农业有机污染物修复

Ibrahim 等[44]发现虽然有机磷农药马拉硫磷抑制稻田鱼腥藻(A. oryzae)和灰色念珠藻(N. muscorum)生长, 但 2种固氮蓝藻均可降解马拉硫磷, 并利用其作为磷源, 其中, 灰色念珠藻的生物降解能力最强(91%)。Zhang等[45]发现稻田分离的鱼腥藻PD-1可以耐受多氯联苯(PCB)。该藻对氯化二苯-1254的降解半衰期为11.36 d, 25 d后的总降解率为84.4%。与高氯化同类物质相比, 低氯化 PCB更容易被该藻降解。间位和对位的三氯二苯和四氯联苯比邻位氯化的同类物质更容易被脱氯降解。此外, 该藻还可以降解类似二英的PCB。经过25 d处理, 12个类似二英的 PCB化合物的降解率为 37.4%～68.4%, 表明该藻可用于受PCB污染的稻田土壤的原位生物修复。Tiwari等[46]发现伪枝藻(Scytonemasp.)BHUS-5可以去除和降解甲基对硫磷, 并利用降解后释放的磷。在加藻处理的前6 h内, 藻迅速清除甲基对硫磷, 符合拟二级生物吸附动力学模型, 表明化学吸附在初始去除过程中起主要作用。而处理24 h后, 对硝基酚的出现说明其被进一步降解。因此, 该藻可以用于甲基对硫磷的生物修复。Abdel-Aty等[47]研究发现球孢鱼腥藻(A. sphaerica)具有清除敌草隆的能力。当初始敌草隆浓度为40 mg·L-1、pH为3的条件下, 添加1 g·L-1球孢鱼腥藻可以在80 min去除约80%的敌草隆。

4.3 农业固体废弃物处理

处理马铃薯加工废料和与之相关的污染问题是马铃薯加工厂面临的一个重要问题, 随意排放废料会对环境造成不利影响。Chintagunta等[21]提出采用生物乙醇和生物肥料的综合生产模式可以完全利用这些废物实现零排放, 即先利用马铃薯皮和泥状废物生产乙醇, 随后在剩余的残渣中分别接种 5种固氮蓝藻和 2种固氮菌。结果发现接种多变鱼腥藻使氮、磷和钾含量分别比初始含量增加7.66倍、21.66倍和15倍, 最终的氮∶磷∶钾比提高到约2∶1∶1,说明添加微生物处理后的残渣可用作肥料。而Bhati等[48]研究表明利用家禽养殖废物和CO2培养灰色念珠藻 Agardh能够生产可生物降解的聚羟基脂肪酸P(3HB-co-3HV)。培养8 d, 藻的最大生物量为1.12 g·L-1, 藻处理使家禽废物的营养负荷不断降低, 20 d后降到零。在添加 10 g·L-1家禽废物和 10%的 CO2时, P (3HB-co-3HV)最大产量达 774 mg·L-1, 即细胞干重的65%, 比对照高11倍。沼气生产后剩余的污泥通常具有高化学需氧量、高生化需氧量和低氮磷钾含量的特点, 使其难以作为生物有机肥直接应用。Jacob等[49]评估了施用经 7种微生物处理(4株固氮蓝藻和 2株固氮菌各单独施用和所有菌藻混合施用)的污泥对土壤营养物质含量的影响, 将加工富集后的残浆以每公顷 10 t的用量应用于种植秋葵(Abelmoschus esculentus)的土壤, 结果表明, 处理 6周后处理组相比对照组氮、磷和钾含量增加值最高分别达 2.8倍、3.7倍和 2.2倍, 其中, 管链藻(Aulosirasp.)和2个固氮菌的效果最好, 且发现施用这种污泥的土壤质量优于对照, 与化肥的施用效果相当。

4.4 减少碳排放

Ali等[30]研究表明在连续的两季水稻试验过程中红萍+固氮蓝藻处理的孟加拉国水田甲烷通量最低, 比对照降低 12%, 而水稻籽粒产量却比对照增加 10%。Prasanna等[33]在印度新德里的大田研究结果表明, 在强化栽培模式中接种两种基于鱼腥藻的生物膜[鱼腥藻-木霉和鱼腥藻-绿脓杆菌(Pseudomonassp.)]处理的水稻田比传统模式下的稻田甲烷排放量降低50%～80%, 在促进水稻生长和增加产量的同时, 减碳效果也非常显著。

5 农业生态环境保护

5.1 抗旱固沙

在中国西北地区固氮蓝藻以生物结皮的方式被用于荒漠化土壤治理中, 并获得了不错的效果。但固氮蓝藻对这种极端环境条件的适应机理尚未完全阐明。Bar-Eyal等[50]研究认为沙漠细鞘丝藻(Leptolyngbyasp.)在干旱条件下光合器组件构建了两种不同的功能模式, 形成了能量耗散的两个互补机制, 这是其重要的适应策略。近年研究表明沙漠生物土壤结皮中的蓝藻多糖在沙面稳定和土壤营养保持方面具有重要作用。如Colica等[51]在库布齐沙漠的试验中, 大规模混合接种两种固氮蓝藻 3～8年后形成了生物土壤结皮。这种结皮的导水率显著低于底层裸露的土壤, 且与其碳水化合物含量呈显著负相关。其水分持留和对结构的保护能力则与结皮中总碳水化合物和高分子碳水化合物的含量存在显著正相关。说明土壤结皮的胞外多糖在沙质土壤中对水分的吸收和保持发挥关键作用, 能够减少水的渗透, 防止土壤侵蚀。Wu等[52]研究发现人工藻结皮的颜色、形状和物种组成类型随着结皮的生长而增加, 土壤水分、总氮、可利用氮和磷也随之增加。说明人工接种生物结皮可以改善土壤肥力和表层土壤的微生态环境。而Lin等[53]研究发现细鞘丝藻(L.boryana)细胞对干旱胁迫的耐受力可以通过细胞内的脯氨酸、超氧化物歧化酶和类胡萝卜素的水平来表达。

固氮蓝藻结皮的形成和发展是一个复杂的动态过程, 受到很多因素的影响。如张丙昌等[54]研究发现利用具鞘微鞘藻在裸沙上接种, 无水处理藻类生物量极低, 无藻结皮形成。随着施水量的增加, 结皮开始出现直至形成稳定的藻结皮, 藻类生物量、结皮厚度和抗压强度显著增加, 施水 15 d时达到最高。藻丝和胞外多糖也逐渐增多, 与沙粒缠绕成复杂的网状结构。说明早期的水分获得是其成功形成藻结皮的关键因素。吴丽等[55]研究表明腾格里沙漠东南缘沙坡头地区的生物结皮一般按照“藻结皮→地衣结皮→藓结皮”的模式发育演替。随发育演替,总光合生物逐渐增加, 但微藻生物量却呈现先增加后减少的趋势。

另外, 固氮蓝藻可能还具有促进沙漠植物生长和抗旱的作用。如 Xu等[56]研究发现纤细席藻(P.tenue)产生的多糖可以提高沙漠灌木柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)的种子萌发和幼苗新陈代谢,此外, 藻多糖还可以提高植株的离子吸收、通过影响电子传递链提高光合活性及通过消除活性氧减少氧化损伤。

5.2 抗盐碱

在固氮蓝藻抗盐碱方面, 李寒等[57]发现鞘丝藻是中、高盐的滨海盐渍化土壤中的优势蓝藻。但Cuddy等[58]发现在高盐土壤中接种固氮蓝藻使小麦生物量和营养物质含量降低, 原因可能是营养物质被藻胞外聚合物所吸附, 使其不能被植物吸收。表明固氮蓝藻接种可能不适合盐碱土壤的小麦, 但有利于土壤的固定。

6 展望

在当前国家要求农业“减量化”和“低碳化”发展的背景下, 固氮蓝藻作为生态环保的生物肥料可能迎来新的发展契机。固氮蓝藻的农业应用研究虽然在作物生长调节、生物肥料规模化生产和应用、病虫害防治、农业污染治理、农业生态保护等方面有了一些新的思路和不少的进展, 但是依然面临着诸多问题。在进行规模化应用之前需要进一步研究加以解决:

1)作物生长调节方面: 今后在继续筛选激素产量高的固氮蓝藻之外, 应深入研究其代谢和调控机制, 以利于优化其培养条件用于植物激素的规模化生产。

2)生物肥料方面: 结合工农业产生的低毒三废处理的固氮蓝藻规模化生产技术是一种经济环保的生产模式, 发展潜力巨大, 但三废组成成分复杂、藻种易退化、富集有毒有害物质等问题仍需要解决。接种技术方面: 近年发展的固氮蓝藻-根际促生菌生物膜接种法具有成活率高和可获得多重效益等优点,是固氮蓝藻大田接种的首选技术。但仍然需要深入研究生物膜中微生物的代谢相互作用, 这是设计有效的生物膜接种剂的必要条件。

3)抗病虫害方面: 已获得很多具有应用潜力的藻株, 但需要更多的大田试验以评估其实际应用效果, 同时, 今后需要深入研究以阐明抗性机制, 为其应用提供科学依据。

4)农业环境污染修复方面: 利用固氮蓝藻修复污水是当前的研究热点, 特别是与生物肥料生产和生物能源制备等结合使其应用前景可期。固氮蓝藻降解有机农药方面今后仍然需要在降解关键酶类、降解途径和藻的工程应用效果等方面进行深入研究。

5)农业生态环境保护方面: 国内在抗旱固沙应用研究方面处于国际领先地位, 但固氮蓝藻抗旱机理仍未完全阐明, 今后需要进一步深入研究其机理,但其在抗盐碱方面的潜在应用价值尚待评估。

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