功能微生物在有机农业中的应用及发展前景

张越等

一、功能微生物（群）的定义

功能微生物是指具有特定功能和生物活性的微生物，比如乳酸菌、酵母菌、甲烷菌等，可将大分子物质分解为小分子物质，其代谢产物含有植物激素、有机酸等化学物质。功能微生物群是指在某一生态系统水平上生物生化过程中作用协同互补的微生物群落的组合。通俗来讲就是经过特定的培养条件筛选出的一类生物学功能互补，具有共生协同作用的微生物集合体。例如，土壤微生物中含有固氮微生物功能群、溶磷微生物功能群、纤维素分解微生物功能群等。功能微生物（群），在种植业的增产、防病、产品安全方面，在养殖业畜禽免疫力提升和粪便的无害化处理方面，在生活垃圾的有机利用和污水治理方面，都有明显效果。

二、有机农业背景下功能微生物群的应用

有机农业是指在生产中完全不用人工合成的肥料、农药、生长调节剂和畜禽饲料添加剂，而采用有机肥满足作物营养需求的种植业，或采用有机饲料满足畜禽营养需求的养殖业。有机农业的发展可以帮助解决现代农业带来的一系列问题，如农药和化肥大量使用对环境造成的污染（如严重的土壤侵蚀和土地质量下降、物种多样性的减少等）和能源的消耗，在提高农民收入、发展农村经济方面有极大的发展潜力。

有机农业尊重自然生态规律，是一种环境友好型的生产方式。与使用化肥农药的工业化农业相比，有机农业可为微生物提供良好的生态环境，使微生物发挥更大的作用。功能微生物群是利用自然界微生物之间的协同关系筛选出的微生物群，它具有效果显著、构成稳定、抗逆性强、可连续培养等特点。本文结合实验室多年研究，介绍功能微生物群（菌剂）在生物有机肥、青贮饲料、厌氧发酵、酵素与肠道菌群等各方面的应用情况。

1.生物有机肥

生物有机肥是指将有机肥和生物菌肥两者结合，把特定功能微生物与主要以动植物残体（如畜禽粪便、农作物秸秆等）为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的肥料。生物有机肥完全腐熟，不烧根，不烂苗，气味轻（几乎无臭），营养元素齐全，能够改良土壤，提高产品品质，改善作物根际微生物群，提高植物的抗病虫能力，非常适合有机种植。

生物菌肥（微生物肥料）是指含有活性微生物，通过这些微生物生命活动增加植物營养元素的供应，产生植物生长激素，或者抑制有害微生物活动，从而提高作物的产量和品质的活体制品。现已从市售生物菌肥中分离到生癌肠杆菌、假肠膜明串珠菌等10种有效微生物，大致可以归为腐解菌、固氮菌、解磷菌、解钾菌和生防菌五大类，它们本身并不是肥料，只是施用微生物菌剂在植物根部后形成的优势菌落，具有改善植物营养条件和拮抗病原的功能。

生物有机肥与生物菌肥混施可以克服生物有机肥肥效缓慢和生物菌肥肥效不稳定的缺点，其应用非常广泛，现主要集中在水稻、小麦、玉米、甘蔗等禾本科植物和少量的热带牧草上使用。胡君蔚通过比较养分含量（即每千克含氮元素0.1、0.2克）有机肥配施生物菌肥、化肥单施、有机肥单施及不施肥（对照）处理盆栽燕麦，探究产量与氮素吸收利用、根际土壤环境因子与根际微生物群落结构的差异，得到如下结论：有机肥与生物菌肥配施可以保证燕麦拔节期穗分化阶段与灌浆期养分供应，增加穗粒数与千粒重，扩大燕麦库容，促进养分吸收和向籽粒的转移，提升籽粒产量与籽粒氮素积累，最终提高氮肥利用效率，达到甚至超过等氮磷钾化肥处理。

2.青贮饲料

青贮饲料是将易被耗氧微生物损坏的新鲜多汁的植物性原料（如牧草、禾本科植物、豆科作物和蔬菜废弃物等）切断、压实和密封，在厌氧条件下经微生物发酵制成的饲料。

青绿饲草有放牧收获和刈割收获两种收获方式，这两种方式都具有明显的季节性，从而导致家畜饲草供给出现夏秋季节供应过剩、冬春季供应不足的情况。由于受年度间气候条件差异影响，饲草收获易出现丰歉年，不能满足家畜饲养需求，从而导致供给不平衡，气候寒冷、生长期短的北方地区尤其严重。青贮作为储存手段，可有效保存饲料中的营养物质，缓解冬季寒冷地区畜禽饲料单一匮乏等状况，从而保证饲草资源夏季和冬季的供给平衡，提高畜禽生产质量和总饲养效率。青贮过程规避了因天气条件、机械损失、长时间风吹日晒等恶性条件导致的饲料中营养物质的损失、青贮饲料的氧化分解、关键营养物质维生素和可溶性糖等养分损失。相较于干草，青贮饲料最大限度地保存了饲草原料中的营养物质，具有储藏期长、适口性好等特点，是草食家畜日粮的重要组成部分。

代佳丽针对高寒牧区燕麦饲草收获时节温度偏低，直接青贮常规菌剂活性受限的问题，从燕麦青贮料中筛选出适合低温环境的高活性青贮菌剂。这一菌剂主要由短乳杆菌、植物乳杆菌等构成，具有适应低温、产酸种类多、风味物质多、高发酵成功率、培养成本廉价等特点。刘晶晶以营养生长期的低地型柳枝稷为青贮原料，单独添加乳酸菌或纤维素酶，以及联合添加二者，探讨了通过添加不同的生物添加剂对青贮效果的影响和作用机理，发现乳酸菌数量和水溶性碳水化合物（WSC）含量是影响柳枝稷青贮的重要因素。联合添加乳酸菌和纤维素水解酶可以使柳枝稷青贮饲料品质达到优等水平。

3.厌氧发酵

厌氧发酵，是指生物质原料（如作物秸秆、杂草、人畜粪便垃圾、污泥、城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度等条件下，通过种类繁多、数量庞大、功能各异的专性及兼性厌氧微生物的分解代谢，最终形成以甲烷、二氧化碳为主要成分的混合气体，该过程还可以称为厌氧消化或厌氧生物处理。沼气经过提纯后甲烷含量可达到97%以上，可作为生物天然气使用。

厌氧发酵过程是从大分子复杂有机质到终产物甲烷产生的过程，整个生化链条是由各类微生物串联起来的，根据功能的不同分为发酵型细菌、产乙酸菌和产甲烷菌，前两者协同作用负责将大分子转化为小分子，后者则利用小分子物质产生甲烷，三类微生物构成一个厌氧发酵微生物群，协同完成整个生化过程。

厌氧发酵能将有机农业中各个环节产生的有机废弃物有效利用，其底物可以是畜禽粪便、作物秸秆、农村生活污水、有机垃圾等有机质。沼气可用于生活烹饪、供热、发电等；副产物沼液和沼渣中含有丰富的有机质及营养元素，并且还富含植物激素及抑菌物质，可在保证沼液及沼渣安全性的前提下，代替农药与化肥用于有机农业中作物的种植。沼液和沼渣在有机农业中如何安全使用还有待于进一步研究和验证。endprint

4.酵素

酵素是指以一种或多种新鲜蔬菜、水果、菌菇、中草药等为原料，经多种有益菌发酵而产生的，含有丰富的维生素、酶、矿物质和次生代谢产物等营养成分的功能性微生物发酵产品。目前按照用途可分为食用酵素和环保酵素。

食用酵素是一种微生物利用原料中可发酵性糖而形成的发酵产品，酵素不但保存了发酵原料中所固有的营养物质，而且产生了一些新的生物活性物质，有效成分大量增加。酵素功能的相关研究与报道有：赵金凤等通过对小鼠连续注入植物酵素，证明大高酵素能够促进便秘小鼠排便，具有显著的润肠通便功能；王壮凌认为酵素能够改善体质，净化血液，促进新陈代谢等；张越、文浩等对其发酵工艺进行了优化，发现经“室温—高温—低温”三阶段处理且糖含量在35%～40%的酵素的有机酸含量较多，感官评价最优。

环保酵素来源于泰国乐素昆博士，按照红糖：有機废弃物：水=1：3：10的比例发酵3个月，然后以一定比例稀释后喷施或浇灌于植物上。环保酵素作为有机农业中植物保护的关键手段，具有刺激植物生长、改善果蔬质量、防虫防害、改善土壤理化性状等作用，发酵后的渣滓可直接作为有机肥施于土壤。另外，环保酵素还可代替家用清洁剂，用于清洗果蔬等，有明显的去油去污作用。

但无论是哪种酵素，都存在市场混乱、夸大炒作、价格高昂、缺少统一标准等问题，国家和政府需要对此制定相关法律法规。此外，对于酵素发酵过程、功能成分、微生物种类和动态变化的研究也十分缺乏，需要相关科研人员及时研究揭示作用机理。

5.肠道益生菌群

人体肠道内寄生着约10万亿个细菌，这些细菌构成人体肠道菌群。人体肠道的正常微生物中的乳酸杆菌等，能合成多种人体生长发育所必需的维生素，利用蛋白质残渣合成必需氨基酸，并参与糖类和蛋白质的代谢，同时还能促进铁、镁、锌等矿物元素的吸收。这些营养物质对人类的健康有着重要作用，一旦缺乏会引起多种疾病。目前已经鉴定出来的肠道微生物有2000余种，占人体体重的1%～3%。在数量上，肠道微生物有绝对的优势，多的时候可达到人体细胞的10倍，一般情况下估计为人体细胞的1.36倍左右。肠道菌群分为有害菌、中性菌和有益菌，相关研究说明，益生菌超过肠道菌群的80%时，表明人体健康，否则人体处于亚健康或非健康状态。肠道菌群失调，会带来诸多危害，例如便秘、免疫力低下、消化不良等。影响肠道菌群结构组成的因素有人体的年龄、日常饮食和生活环境，它们不但影响肠道菌群的组成，还会影响其数量，并直接反映在人体的各项机能上。

应用到养殖业上，是从健康人体粪便中分离出益生菌比例较高的肠道菌群后，将其转接至特定培养基定植培养成菌液，并作为配餐供动物食用，从而定向调节动物的肠道菌群。当有益菌占据优势时，动物自身的免疫力会明显增强，从而减少疾病的发生，便可以从源头减少抗生素的使用，有利于后期肉类的食品质量安全和粪便的多元化处理。

三、功能微生物群的发展前景

中国农业大学胡跃高教授指出，当今世界正面临着食品安全危机、粮食安全危机、乡村社会危机及自然地理危机，面对这四大危机，惟有有机农业能开启生态文明建设的新时代。建设有机农业就是建设生态文明，有机农业就是未来生态文明建设的核心基础。而在有机农业生产中，微生物作为生态系统的分解者，不仅分解有机农业的废弃物，还可通过发酵将农业废弃物转化为多种抑菌物质和植物激素的产品。它不仅直接参与农业系统的物质循环，还可通过微生物的初次级代谢产物对植物病害防治、土壤微生态平衡系统的建立等起到积极作用。

长期以来，工业化农业依赖化肥、激素，滥用农药、抗生素等，农产品质量安全问题十分严峻。功能微生物群将开启一个新的农业生产新时代。杨振宁先生曾说：“21世纪是微生物世纪”。的确，在环境可控的条件下，功能微生物一般都能很好地发挥作用，例如青贮菌剂、堆肥发酵剂、分解纤维素菌系、酵素启动菌剂等。但在开放的环境条件下（如在大田中），生物肥料的作用就会受复杂的环境因素影响，因此需要开发高效的微生物载体，用于提高微生物的定植效果。对于关键微生物的代谢途径、发酵过程中的功能成分的确定、发酵底物复杂导致稳定性问题以及使用的具体时期与方式还未探明，需要继续深入研究以便开发活性较高、功能稳定的微生物肥料和微生物农药，并形成一套标准化的制作和施用方法，治理当地的环境和水资源污染难题，使功能微生物群更好地服务于有机农业。

通讯作者简介：王小芬，中国农业大学副教授、博士生导师，研究方向为功能微生物、植物根际促生微生物机理研究、木质纤维素快速分解机理研究等。联系地址：张越胡跃高王小芬北京市海淀区圆明园西路2号中国农业大学西校区 邮编：100193；朱安妮北京六合神州生物工程技术有限公司 邮编：100029。endprint