我国盐碱土土壤微生物研究及其展望

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(1.江苏大学 农业装备工程学院， 江苏 镇江 212013；2.江苏大学 食品与生物工程学院， 江苏 镇江 212013)

0 引 言

盐碱土是由多种自然环境因素和人为活动因素综合作用下形成的不同程度盐碱化土壤的统称[1]。盐碱土壤不能为植物生长提供正常的养分条件，加上盐碱成分的生理毒害作用，严重影响植物的生长,从而造成了盐碱土有限的生态潜力[2]。盐碱土多为极端高盐高碱的土壤环境，虽不适宜动、植物生存，但却栖息着大量的耐盐碱、甚至嗜盐碱的微生物类群[3]。这些微生物的生命活动在改变盐碱土土壤理化性质的同时，也受其极端理化性质的影响，从而可能形成适应高盐碱环境的，与一般微生物不同的细胞结构、遗传特性和生理功能[4]。因此，盐碱土是潜在的天然微生物资源宝库。

盐碱土的土壤肥力远低于优质农田等其它类型的土壤。上世纪70年代的粮食危机爆发前，我国盐碱土相关研究并未受到重视，尤其是盐碱土壤微生物群落的研究，远远落后于其它优质农田土壤的研究。近年来，随着我国耕地资源日趋紧缺，人们开始关注各种可转化为耕地的土地资源[5]。鉴于盐碱土多分布于地势平坦地区，土层深厚，是极具潜力的耕地资源[6]，因此，盐碱土改良和利用等相关研究日益受到人们的重视。土壤微生物是盐碱土生物改良的重要工具。微生物菌肥或菌剂的施用可以提高植物的耐盐性，有利于水土保持以及维持生态平衡，同时能够降低土壤的盐度及pH，增加土壤的有机质、速效磷和全氮等含量[7]。盐碱土微生物群落结构也会在运用微生物改良措施修复盐碱土过程中发生改变。因此，结合多重分析方法定量和定性解析盐碱土这种极端生态环境系统中土壤微生物的群落结构分布特征及多样性，对盐碱土的高效、合理改良治理具有重要的指导意义[8]。盐碱土拥有着丰富的微生物资源库，其微生物种类众多，数量庞大，遍布于古菌域、细菌域和真核生物域[9]。由于气候环境差异和形成过程不同，我国不同地域盐碱土壤的pH值、理化性质和离子组成等都存在很大差异，形成包括东北苏打盐碱土、西北荒漠盐碱土、河套地区平原盐碱土和东部滨海盐碱土在内的多种类型盐碱土。多样的盐碱土类型造成其中分布的微生物群落具有复杂多样的结构[10]。研究我国不同类型盐碱土壤微生物群落结构分布特征，对我国盐碱土的改良治理和嗜盐微生物资源的挖掘均具有重要意义。

本文从盐碱土壤细菌和真菌群落结构分布特征、盐碱土壤微生物新种发掘、盐碱土壤功能微生物和盐碱土改良对土壤微生物群落的影响等方面，对我国盐碱土壤微生物的研究现状进行了综述，并对未来的发展方向进行了展望。

1 盐碱土壤细菌群落结构分布特征

目前，对我国盐碱土壤中微生物的研究多数集中在细菌和真菌群落。细菌是土壤微生物中数量最大、种类最多且功能多样的类群，其在土壤形成、凋落物分解和养分循环中均具有重要作用[11]。在盐碱土中细菌同样分布广泛，发挥着重要作用。随着人们对盐碱土壤微生物的不断重视，国内已报道了很多关于我国不同地域盐碱土壤细菌分布及群落多样性的研究结果，发现不同地域盐碱土壤的细菌群落结构组成和优势类群均有差异。在西北荒漠盐碱土地区，细菌群落多以变形菌门(Proteobacteria)为主要优势类群。牛世全等[12]对河西走廊盐碱土细菌群落结构的研究结果表明，其优势细菌菌群也为变形菌门，另外分布有放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和疣微菌门(Verrucomicrobia)。而在新疆阿克苏地区盐碱土细菌研究中，郑贺云等[13]发现其优势菌群为变形菌门的伯克氏菌目(Burkholderiales)、粘球菌目(Myxococcales)、假单胞菌目(Pseudomonadales)、根瘤菌目(Rhizobiales)、海洋螺菌目(Oceanospirillales)和交替单胞菌目(Alteromonadales)。同时还检测到厚壁菌门的芽孢杆菌目(Bacillales)、放线菌门的放线菌目(Actinomycetales)和拟杆菌门的黄杆菌目(Flavobacteriales)。在东部沿海的滨海盐碱土地区，细菌群落则可能以厚壁菌门为优势类群。孙佳杰等[14]研究发现天津滨海盐碱土中的微生物群落以厚壁菌门的乳杆菌属(Lactobacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)为主。而冯伟等[15]研究表明，天津滨海盐碱土优势种群为厚壁菌门的芽孢杆菌属和海洋芽孢杆菌属(Oceanobacillus)。

在河套地区的平原盐碱土地区，变形菌门是内蒙古河套灌区3种不同盐碱程度盐碱土的主要细菌类群，且属于耐盐碱菌株[16]。在东北的苏打盐碱土地区，变形菌门和酸杆菌门是主要的优势类群。杜滢鑫等[17]的研究结果表明，酸杆菌门是大庆盐碱土的主要细菌类型。而Peng等[18]研究进一步证实了大庆盐碱土的细菌优势类群为酸杆菌门和变形菌门。而Shi等[19]对安达盐碱土的研究结果显示，变形菌门的嗜盐单胞菌属(Halomonas)、嗜麦芽窄食假单胞菌属(Stenotrophomonas)和嗜碱单胞菌属(Alkalimonas)是主要的细菌类型，同时还包括放线菌门的Nesterenkonia属和刘志恒菌属(Zhihengliuella)、厚壁菌门的芽胞杆菌属以及拟杆菌门的Litoribacter属。由上述我国不同地域盐碱土细菌群落结构特征的相关报道结果可见，我国盐碱土中分布着大量细菌资源，且不同地域和类型的盐碱土具有不同的优势种群和多样的群落构成，在多数盐碱土地区，变形菌门是优势菌群，而滨海盐碱土地区的优势菌群是厚壁菌门，东北盐碱土地区主要类群有变形菌门和酸杆菌门，这很可能是盐碱土壤理化性质如电导率、pH值、含水量和阴离子组成等作用的结果[20]。因此，进行盐碱土细菌群落结构多样性和相关土壤理化性质的耦合分析，很可能为我国盐碱土细菌群落分布特征机制的解析提供有力的参考。

在盐碱土壤细菌资源中，放线菌是一个重要的类群，其被认为是一类界限微生物，能产生多种生物活性物质，具有很好的应用前景[21]。栖息于盐碱土壤的放线菌，多为嗜盐碱的特殊类群，因而受到了研究者的广泛关注。李海云等[22]通过解析原生盐碱土、次生盐碱土和农田土中的放线菌群落结构特征，发现原生盐碱土的放线菌种群丰富度最高，次生盐碱土次之，农田土最低，这也证明了盐碱土壤中蕴藏着丰富的放线菌资源。李文均等[21]在我国新疆、青海的盐碱土壤样品中，分别分离出8株、32株中度嗜盐放线菌菌株，这些菌株分别属于3个科、5个属中的约10余个种，包括拟诺卡氏菌科(Nocardiopsaceae)的拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis)和链单孢菌属(Streptomonospora)、假诺卡氏菌科(Pseudonocardiaceae)的普氏菌属(Prauserella)和糖单孢菌属(Saccharomonospora)、链霉菌科(Streptomycetaceae)的链霉菌属(Streptomyces)及多个新种。这些放线菌菌株中有的具有产生抗生素、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶和脂肪酶等特性，从这些放线菌中发掘高活性、结构新奇和多样性的化合物，有利于开发新药物[23]。同样针对新疆盐碱土样品，张永光等[24]在新疆阜康盐碱土样品中分离到116株兼性嗜碱放线菌和4株耐碱放线菌，它们分布于8个目13个科22个属，其中有4个为潜在新种，首次在盐碱土中分离到Williamsia属和Verrucosispora属的菌株。可见，盐碱土壤中分布有多种放线菌类群，丰度高且群落结构多样，有大量放线菌新物种资源有待发掘，因此，放线菌资源的挖掘已成为目前我国盐碱土微生物相关的一个热点研究问题。

2 盐碱土壤真菌群落结构分布特征

真菌类群是土壤微生物的重要组成部分，在黄河三角洲盐碱土壤真菌群落及多样性的研究中，王艳云等[25]共检测到子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、毛霉亚门(Mucoromycotina)和球囊菌门(Glomeromycota)5个真菌门的157个真菌属。所有样品中子囊菌门的丰度最高，其次是担子菌门，且不同植被的盐碱土壤中真菌群落结构及多样性具有一定的差异性。刘德胜[26]在黄河三角洲重度盐碱土中分离到子囊菌门、接合菌门(Zygomycota)的26株真菌，包括丛梗孢科的青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)，球腔菌科的枝孢霉属(Cladosporium)，赤壳科的镰孢霉属(Fusarium)，肉座菌科的支顶孢属(Acremonium)、木霉属(Trichoderma)，双足囊菌科的白地霉属(Galactomyces)以及毛霉菌科毛霉属(Mucor)，优势菌群为曲霉属真菌。我国多样性的盐碱土类型中蕴含着有助于盐碱土改良的丰富的真菌资源。如张建峰等[27]在长春市农安县西盐碱土样品中分离出一株绳状青霉(Penicilliumfuniculosum)P1，该菌株对于难溶性磷酸盐有较强的溶解能力，且对硝态氮有一定的利用能力，这为解决盐碱土壤硝态氮含量过高、土壤板结等问题提供了菌种资源。

外生菌根和内生菌根是一类重要的真菌类群，它们具有较强的适应性，能够与高等植物形成共生体，为植物生长提供所需的养分[28-29]。因此，盐碱土中外生菌根和内生菌根真菌的研究一直是国内外学者的关注热点。针对外生菌根真菌，Ishida等[30]以生长在松嫩平原苏打盐碱土蒙古柳为研究材料，从其根部分离到外生菌根真菌11个种，其中优势菌群为Geoporasp.1，其可能与蒙古柳互惠共生并能在一定程度上抵抗逆境[31]。而区别于上述的外生菌根真菌，丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，AM)是一种能够与大多数陆地植物形成共生体的、最典型的内生菌根。AM真菌与宿主植物的共生对植物在盐碱环境中的生存起到了非常重要的作用[32]。因此，盐碱土壤AM真菌的研究受到了很多研究者的关注。许多研究均表明，盐碱土中具有丰富的AM真菌资源。张义飞等[33]从松嫩平原西部盐碱土植被羊草的根系中分离到4个属11个种的AM真菌。唐明等[34]在内蒙古盐碱土13种植被的根系上分离到AM真菌3个属26个种，其中22个种为球囊霉属(Glomus)，3个种为无梗囊霉属(Acaulospora)，1种为原囊霉属(Archaeospora)，优势种是地球囊霉(Glomusgeosporum)和地表球囊霉(Glomusversiforme)。这些AM真菌菌株可以提高宿主植物的耐盐碱能力、增强植物的光合作用[35]，促进宿主植物在高盐环境中对养分的吸收利用[36]。同时，其群落结构多样性以及对植物根系的侵染能力会受到土壤盐碱度等生态因子的影响[37]。这说明真菌广泛分布于盐碱土壤以及生长在植被根系土壤上，群落结构多样性和丰度高，不同类型盐碱土及植被下土壤真菌的群落结构组成具有差异性，均存在各自的优势菌群。

由此可见，我国不同地域盐碱土壤所具有的多样的环境条件，如地理位置和气候条件等，很可能是影响土壤真菌群落的分布特征及其群落结构多样性的主要驱动因素[34]，从而使我国盐碱土孕育着极为丰富的真菌资源。这些适应盐碱环境的土壤真菌是潜在的，有助于盐碱土养分改良和促进盐碱土植被生长的菌株资源。

3 盐碱土壤微生物新种发掘

由于受到长期自然选择的压力，在盐碱土壤这种极端环境中栖息的微生物形成了其特有的生理生态适应机制，蕴含着许多适应高盐高碱环境的生物活性蛋白酶及其编码的功能基因序列信息。而对盐碱土壤微生物资源的分离、鉴定和酶学特性的解析，有助于耐盐碱甚至嗜盐碱的微生物酶和基因资源的获取[38]。

分离和鉴定不同盐碱土壤细菌、放线菌和古细菌等耐盐碱微生物资源，是我国盐碱土微生物资源的研究热点。相关研究在我国东北的苏打盐碱土、西北的荒漠盐碱土及东部沿海的滨海盐碱土等不同盐碱土地域中均有开展。

在东北的苏打盐碱土地域，王爽[4]对采自大庆苏打盐碱土样品中的极端嗜盐古菌进行分离与培养，通过不同盐浓度的培养基分离到10株极端嗜盐古菌，其中1株为极端嗜盐古菌新种，并将其命名为大庆盐陆生菌(Haloterrigenadaqingensissp.nov.)，丰富了嗜盐微生物菌种资源。Wu等[39]在大庆油田的原油污染盐土中，获得一株命名为大庆盐单胞菌(Halomonasdaqingensissp.nov.)的中度嗜盐菌新种。石伟[38]从松嫩平原苏打盐碱化土壤的碱斑裸地土壤样品中，获得具有代表性的细菌28株，分属于5个科、7个属，有3株可能是潜在新类群。在西北的荒漠盐碱土地域，姜怡等[40]研究了新疆、青海等地的重盐碱环境下的放线菌类群，发现1个新科、8个新属和30多个新种。同样在新疆和青海的盐碱土壤样品中，Xu等[41]发现1个新科、2个新属、8个嗜盐放线菌新种、4个嗜碱放线菌和1个嗜冷放线菌新种。崔恒林等[42]在新疆艾比湖、艾丁湖的卤水和泥土样品中,共分离获得嗜盐古菌86株，且发现部分潜在新种，基于16S rRNA序列表明从艾比盐湖中分离到6个属的嗜盐古菌，分别为Haloarcula、Halobacterium、Halorubrum、Haloterrigena、Natrinema和Natronorubrum，共11个分类单元，从艾丁盐湖分离到6个属的嗜盐古菌，分别为Haloarcula、Halobiforma、Halorubrum、Haloterrigena、Natrinema和Natrialba，共8个分类单元。许学伟等[43-44]从新疆阿牙克库木湖共发现5个嗜盐古菌属以及4个嗜盐古菌新种。在东部沿海的滨海盐碱土，Wang等[45]从青岛粗盐样品中，分离到一株中度嗜盐细菌的新种青岛芽孢杆菌(Bacillusqingdaonensissp.nov.)和一株极端嗜盐古菌的新种青岛盐球菌(Halococcusqingdaonensissp.nov.)[46]。由此可见，由于独特的土壤理化性质以及气候条件，使盐碱土壤成为嗜盐微生物主要的栖息场所。

近年来，由于人们发现嗜盐微生物可以产生多种特殊生物活性物质，可应用于医药、食品和环境治理等领域，因而对其的分离鉴定研究备受关注[47]。以分离鉴定、群落结构分布特征及多样性研究为基础，挖掘盐碱土壤中嗜盐微生物新物种资源，可加快解析栖息于该盐碱环境下微生物类群的结构特征及其耐盐机制，有助于盐碱土的生物改良和开发利用[4]。我国盐碱土资源丰富且类型多样，目前对于盐碱土壤环境中嗜盐微生物新物种资源的挖掘还远远不足。因此，以不同地域和类型进行划分，系统地对我国不同盐碱土的嗜盐碱微生物新物种进行分离和鉴定，可为获取更多适应高盐高碱环境的生物蛋白酶及其编码基因提供菌株资源。

4 盐碱土壤功能微生物

盐碱土生态系统中栖息的丰富多样的嗜盐碱微生物类群中，有一部分微生物对盐碱土壤中碳、氮、钠及硫等元素的物质转化和能量流动起着重要作用[48]。针对盐碱土碳素的物质转化，有研究者从滨海盐碱土中分离筛选到分解秸秆、产胞外聚合物的耐盐碱细菌，将筛选到的耐盐碱细菌接种到盐碱土壤中，并加入未经腐熟的秸秆，使其直接在盐碱土壤中腐熟分解，促进了盐碱土有机碳的摄入，同时有效增加大团聚体的含量达60%以上，形成较好的土壤团聚体结构[49]。而关于氮素的物质转化，牛世全等[50]发现，河西走廊地区盐碱土壤功能微生物菌群中数量最多的是氨化细菌,数量最少的是硝化细菌及好气性纤维素分解菌，反硝化细菌的数量介于两者之间，说明氮素转化方式是通过氨化细菌使土壤中有机含氮化合物转化为氨态氮，在硝化作用下氧化成硝酸盐,最后在反硝化细菌作用下还原为气态氮从盐碱土壤中流失。AM真菌可以协助植物进行钠元素的转化，降低植物体内钠元素含量，从而减轻生存在盐碱地土壤中植物所受的盐胁迫，十分有利于植物在盐碱土壤中生长[51]。盐碱土壤中的氧化硫硫杆菌和排硫杆菌等硫氧化细菌，可以进行硫元素的转化，生成的硫酸会中和盐碱土中的OH-，降低盐碱土壤pH值。这说明硫氧化细菌可以在一定程度上改良盐碱土壤[52]。由此可见，挖掘和利用盐碱土壤中耐盐碱的功能微生物，可以促进土壤的物质转化，改善盐碱土壤结构及土壤肥力，降低pH值及含盐量，从而有利于盐碱土的改良，使植物能够在盐碱土壤中生存。同时，在盐碱土中施加功能微生物，还可以改变盐碱土总微生物群落的丰度和结构，使其更适合于植物根系的生长。例如，将固氮鱼腥藻加入盐碱土壤，可以使其pH和交换性Na+显著下降，土壤有机质及氮含量提高，且盐碱土壤中微生物的数量也明显增加，从而有利于植物在盐碱土壤中的生长[53]。

综上所述，土壤功能微生物类群在盐碱土壤修复改良过程中具有很大的应用潜力，这是由于功能微生物具有很多优点，如适用范围广，效率高且成本低，节约能源及资源等，同时还不会造成土壤环境的污染[54]。

5 盐碱土改良对土壤微生物群落的影响

微生物对盐碱土会产生一定的影响，同时盐碱土的土壤理化性质也会影响微生物群落结构及功能[55]。在对盐碱土改良过程中，土壤的盐碱度也随之变化，这直接影响着盐碱土微生物各类群的数量及群落结构的变化[56]。改良方式的不同，对微生物数量及群落结构的影响也不同。

目前，改良盐碱地土壤的方法主要有物理法(客土法、灌水淋盐法)、化学法(化学改良剂)和生物法(微生物菌肥施用、耐盐植物选育种植)等[8]。客土法可以快速地改善土壤微生物的相关指标[57]。灌水淋盐法则可以有效地对盐碱土进行脱盐，但会造成表层盐碱土土壤板结，不利于微生物在盐碱土壤中生存，盐碱土壤中微生物丰度及多样性的增加需要合适的灌溉量[58]。

在盐碱土壤中施用有机、无机复合混肥可以降低盐碱土的盐度，同时能够改善土质，从而使栖息于盐碱土壤中的微生物数量显著提高[59]。与物理和化学法相比，生物法的作用效果较慢，但其不会造成环境的二次污染且工程量小，因此相对于其他改良方法有更好的应用前景[56]。如新疆盐碱地土壤细菌和放线菌的种群丰度随着种植耐盐植物芨芨草年限的增加而增多，说明种植芨芨草对盐碱地土壤环境的改善起到一定作用[60]。在滨海盐碱地种植蓖麻后盐碱土壤的盐度下降，氨化细菌、固氮细菌及溶钾细菌等功能微生物数量明显增加，微生物群落的多样性也显著增加[61]。因此，可以发现在盐碱土壤中种植耐盐植物，可以显著提高盐碱土壤中微生物的多样性及数量[62]。在盐碱土壤中施入硫磺，降低了盐碱土壤的pH值，显著增加微生物种群数量，明显提高了微生物活性，说明硫磺能够有效改良盐碱土使其更适宜于微生物的生存[63]。由此可见，盐碱地土壤中微生物群落结构及数量在盐碱土改良过程中会产生一定变化。

6 展 望

参考其它优质土类的微生物研究现状和前沿问题，以下4点可能成为未来我国盐碱土微生物相关研究的热点方向：(1)在盐碱土微生物单菌分离和鉴定结果的基础上，进行菌株的全基因组测序，通过深度的基因功能解析，最大程度挖掘菌株功能潜力，为将来可行的基因工程改造提供适合的原始工程菌株。(2)将目前以细菌16S rDNA和真菌ITS序列为靶基因的扩增子高通量测序，拓展到以功能基因为靶基因，将微生物总群落结构的解析升级为定向的功能微生物群落的解析，同时结合土壤理化性质等环境因子的检测，应用冗余分析(Redundancy analysis，RDA)和典范对应分析(Canonical correspondence analysis，CCA)等手段，耦合分析盐碱土壤微生物对环境的响应及其所发挥的生态功能，为解析我国盐碱土生态功能相关的微生物机制提供参考。(3)尝试发展宏基因组学测序技术在盐碱土微生物研究领域的应用，通过宏基因组学大数据弥补上述扩增子测序的目标单一性，全面获取盐碱土微生物群落结构和功能多样性的信息。同时建立相应的公开数据库资源，为拟开展的盐碱土微生物单菌和群落研究提供准确辅导。(4)我国盐碱土分布广泛且类型多样，然而相关土壤微生物的研究主要集中于细菌、真菌和放线菌，对古细菌的研究极少。古细菌是一类大多生存在极端环境中的特殊微生物，它们具有不同于细菌及真核生物的独特生理生化特征和细胞结构，使其更适合栖息于盐碱土中[64]，是盐碱土生态系统的重要组成部分。尽管近年来已经开展了一些盐碱土嗜盐古细菌相关的菌株分离鉴定研究[4,42-44,46]，但对于盐碱土古细菌群落生态特征等研究仍未开展，我国不同地域和类型的盐碱土古细菌群落分布和结构特征尚不明确。因此，参考上述的盐碱土微生物研究方法和未来热点趋势，将第二代和第三代高通量测序平台高效地应用于我国盐碱土古细菌单菌和群落生态研究中，将有效地补充和完善我国不同地域和类型盐碱土微生物生态功能解析和单菌资源挖掘。