土壤微生物的前世今生

李菲

“科学家们希望，土壤微生物可以替代化肥和农药，在提高农作物产量的同时，消除化肥和农药广泛、大规模使用的负面效应。”

很少有人意识到，土壤也是活的。在我们的脚下，存在着大量的肉眼不可见的微生物。这些微生物与植物休戚相关，不眠不休地把植物不能直接吸收利用的有机物质转化成植物根系可以吸收利用的形式。这些有机物质主要包括鞣质、木质素、蛋白质、碳水化合物、纤维素、果胶等。近年来，在土壤微生物方面的研究，与人体微生物类似，也吸引了越来越多企业的注意力和巨额的资金投入。

土壤难以数计的微生物，是一个巨大的宝库。这个宝库里面有许多许多等待人们去开发和利用的武器，能够帮助人们解决农业可持续发展的诸多问题。对有益的土壤微生物进行开发利用，可以极大地提高农业生产效率，减少化肥和农药喷施，保护生态环境，提高经济和社会发展的可持续能力。

土壤微生物的前世今生

到2050年，世界人口估计将超过90亿。而诸多发展中国家人民生活水平的提高，也需要更多的食物供应。为了以可持续的方式解决这些问题，人类需要在保护好地球环境的前提下，用更少的资源，产出更多的粮食。幸运的是，人类不是孤军奋战，而是有很多战斗伙伴，土壤微生物就是人类的关键战友之一。

在人类的农业实践中，利用土壤微生物的历史，源远流长。人们很早就发现小麦或玉米与豆科作物轮作，可以保持土壤肥力。任何一个观察过豆科植物根系的人，都知道植物的根部有很多蚂蚁大小的疙瘩。古代的农民直觉的认识到，这些小疙瘩和豆科作物提高农田肥力的能力相关。但是我们的祖先不知道，豆科植物（包括菜豆、豌豆、花生、大豆、苜蓿等很多农牧作物）改良农田的能力，是细菌创造的奇迹之一。但是其中的机理，直到19世纪才被揭晓。

在巴斯德发明巴氏灭菌法并成为微生物学之父的时候，他的一个相对不那么知名的同事，马丁努斯·威廉-拜耶林克发现是细菌侵染豆科植物的根系，导致了根瘤的形成。根瘤并不是植物的肿瘤。相反，根瘤是豆科植物的肥料工厂。农作物生长需要大量的氮肥。土壤肥力不够，而植物不能利用空气中大量存在的氮气（N₂）。这时候就需要根瘤中的固氮细菌把空气中的氮转化成植物可以利用的形式，氨和硝酸盐（NH₄+、NO₃-）。这些与豆科植物共生的固氮细菌，从植物那里获取植物光合作用制造的有机物。作为交换，为豆科植物提供氮肥，极大地提高了豆科作物的产量。

但是.主要的粮食作物，包括小麦、玉米、水稻等，都不能和根瘤细菌共生。从二十世纪直到现在，是化学解决了这个问题。被称为HaberBosch的化学反应，可以将氮气经过高温高压的化学反应人工合成为氮肥。这一化学反应的大规模应用，使大气中的氮变成生产氮肥的、永不枯竭的廉价来源，从而使农业生产极大地摆脱了土壤条件的限制。原本产量极低的贫瘠的农田，也可以为人类所用了。哈伯因此被称作解救世界粮食危機的天才。据估计，这一化学过程合成的氮，约占人类食用的蛋白质中氮元素的40%。

土壤微生物正被污染

化学合成的化肥和农药，的确起到了巨大的正面作用。但近几十年以来，人们逐渐意识到大规模化学产品应用的负面效应，包括环境污染、农田地力下降、害虫和杂草的抗性等等。

与此同时，随着研究技术的进步，土壤微生物被长期忽视的状况，正在逐渐改变。科学家们希望，土壤微生物可以替代化肥和农药，在提高农作物产量的同时，消除化肥和农药广泛、大规模使用的负面效应。

目前已经有很多的论文，报道了土壤微生物菌株，包括细菌、真菌等，与农作物形成互利互惠的共生关系。植物为微生物菌株提供有机碳作为营养物质。微生物帮助植物吸收无机营养物质，提高值株对干旱、高盐等逆境的抗性。帮助植株抵御病菌和害虫。甚至已经有文章报道，微生物会影响草莓的风味。现在已经有一些商业生产的细菌和真菌菌剂，在农业生产中替代化肥和农药，取得了良好的效果。（编辑/侯帮虎）