解磷微生物研究及应用进展

池景良， 郝 敏， 王志学， 李 杨

(1.辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000；2.锦州市教师进修学院，辽宁 锦州 121000)

1 磷素在土壤中的存在方式及其对作物生长的作用

磷是植物生长所必需的重要营养元素之一，是原生质体重要组分，磷在植物体中的含量仅次于氮和钾，含有磷的高能磷酸键是能量的载体，植物体内许多重要的有机化合物都含有磷，植物的光合作用和体内重要生化过程都有磷参与，其中包括植物体内的光合作用、细胞分裂及增大、呼吸作用、能量储存和传递等过程。磷能促进植物根系形成和生长，提高植物适应逆境条件的能力，磷还有助于增强植物的抗病性。

土壤中重要的磷酸盐矿物有氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]、磷酸钙[Ca(H2PO4)2]、磷酸氢钙[CaHPO4]、磷酸三钙[Ca3(PO4)2]、轻磷灰石[Ca5(PO4)3OH]、碳酸盐磷灰石[Ca10(PO4)6CO3]、磷酸八钙[Ca8H2(PO4)5H2O]、磷酸十钙[Ca10(PO4)F2]、磷铝石[AlH2PO4(OH)2]、磷铁石[FeH2PO4(OH)2]。

农作物在生长繁殖过程中，需要吸收大量磷素肥料，由于磷素易被土壤吸附固定，当磷肥添加于土壤后，磷与土壤产生的吸附作用使磷肥不再以原有形态存在。在我国的南方地区，土壤大多数呈酸性(红壤、砖红壤、赤红壤)，由于光照强、降水充足等原因，土壤风化程度高，而且土壤中铁、铝等离子含量较高，施入土壤中大部分可利用的磷肥被游离的铁、铝等离子固定，并转化为磷酸铁、磷酸铝等，这两种化合物含磷量可高达80%。在我国北方地区主要是碱性土壤，由于风化程度低，土壤中含有大量的钙离子，可与游离的磷酸根结合，转化为磷酸二钙、磷酸八钙，最终转化为磷酸十钙[5]。在石灰性土壤中，磷与土壤中钙等结合，转化为无效态磷，使土壤溶液中磷酸盐浓度下降，当季磷肥利用率一般为5%～10%，加上作物的后效作用，利用率一般不超过25%。磷肥的应用可以改变土壤中磷素形态、含量及有效性，其形态及有效性同样受土壤、气候类型及耕作管理模式影响。因此，作物栽培过程中利用增施解磷菌剂等方法，以增加磷的溶解度并减少磷的固定，从而提高土壤中磷肥利用率。

2 解磷微生物种类及在土壤中的分布

解磷菌一般指通过菌体生长繁殖过程中分泌的代谢物或者与其他菌体协同产生某些作用，将难溶性的磷转化为能被植物吸收的有效磷，便于植物直接吸收利用。根据解磷菌作用底物不同，解磷菌分为有机磷分解菌和无机磷分解菌，两者之间没有严格界限，部分菌种同时具备降解有机磷和无机磷作用。

2.1 解磷微生物研究历史

Stalstrom等[6]发现一些原本不溶于水的磷酸盐和天然的磷矿石能被一些细菌所溶解吸收。Gerrestsen[7]研究了微生物对植物吸收利用磷素的影响,研究结果表明，生长于不灭菌土壤中的植物生物量明显比生长于灭菌土壤中的植物生物量高，增加幅度在72%～188%之间，磷总吸收量增加幅度在79%～340%之间，由此认为是土壤微生物作用的结果。Sackett等[8]发现，一些难溶性的含磷复合物作为土壤磷源应用，从土壤中筛选出细菌50株，其中36株在平板上形成了溶磷圈。1935年，前苏联学者蒙金娜从土壤中分离到1株巨大芽胞杆菌(Bacteriamegatherium)，其具有分解核酸和卵磷脂等作用。自20世纪50年代开始，国内开始解磷菌的相关研究及应用,先后从东北黑土和灰化土中筛选出具有解磷能力较强的芽胞杆菌、极毛杆菌等；80年代开始进行解磷菌解磷作用机理研究,并对解磷机制进行了探讨；90年代以后，陆续从多个菌株中克隆出一些相关基因；到目前为止，对于解磷菌的作用机制研究仍在进行中。

2.2 解磷微生物种类及分布

细菌、真菌和放线菌中都具有解磷功能的微生物种类,在不同生态环境土壤中也均有解磷功能微生物分布，解磷菌在土壤中的数量及种类受环境因素、土壤类型、土壤理化性状、人为干扰等因素影响。尹端玲[9]发现，我国旱地土壤中的溶磷菌数量大约为107cfu/g,占土壤微生物总数的27%～82%,其中解磷类细菌所占比例最大。解磷细菌数量与土壤有机质含量密切相关，因土壤类型而异,黑钙土溶磷菌最多,达4.89×107cfu/g，瓦碱土最少，只有2×104cfu/g。林启美等[10]在研究不同生态系统的土壤中溶磷细菌数量时发现，溶磷类细菌不仅总数差异很大,而且细菌总数占总菌数的比例也有很大差异。易艳梅等[11]发现，溶磷微生物在不同生态区土壤中的分布各不相同, 磷矿区土壤中溶磷微生物数量和种群丰度普遍高于重金属污染区和盐渍区。在极端生态环境条件下，也存在解磷菌， Pankaj等[12]从印度喜马拉雅地区玉米根际土壤中筛选出的波状假单胞菌(Pseudomonascorrugata)，经过诱发突变后，在4～28 ℃条件下，具有良好的解磷能力。Gaind等[13]在1991年从45 ℃的高温环境中发现枯草芽胞杆菌、环状芽胞杆菌(Bacilluscirculans)及3株黑曲霉都具有良好的解磷性能。

根际效应明显影响解磷菌的分布,即根际土壤中的解磷菌类数量比其周围土体多,但并不一定是根际微生物的优势菌群。Sperber[14]发现，植物根际土壤解磷菌数量远大于其他区域土壤的数量。Katznelson等[15]对小麦根圈解磷菌筛选结果为根际土壤中的解磷菌比非根际土壤高6～18倍。赵小蓉等[16-17]对小麦和玉米土壤解磷菌的研究表明，根际土壤比非根际土壤解磷菌数量高10～100倍。不同植物根际解磷菌数量种类也有很大差异，辽宁省微生物科学研究院采集50多种野生植物根际土壤筛选解磷菌，结果表明在同一地点采集的不同种类植物，其根际解磷菌数量、种类差异巨大，具有解磷圈菌落数量最高比最低高10倍以上。Sundara等[18]发现，小麦根际解磷菌主要是芽胞杆菌属和埃希氏菌属，Elliott等[19]分析春小麦根际解磷菌主要是芽胞杆菌属、假单胞菌属和链霉菌属。易艳梅等[11]发现，磷矿区土壤中溶磷微生物数量和种群丰度普遍高于重金属污染区和盐渍区, 但优势种属间数量差异不明显；重金属污染土壤中解磷细菌比例较高, 但种群单一, 优势种群为巨大芽胞杆菌, 重金属污染区解磷细菌数量与土壤重金属综合污染指数呈显著正相关(P<0.01)，解磷细菌丰度与有机质含量呈显著正相关(P<0.05)；盐渍土中解磷细菌少,优势种群为假单胞杆菌属(Pseudomonas)、芽胞杆菌属(Bacillus)和黄单胞杆菌属(Flavobacterium),其数量和种群丰度分别与有机质和有效磷含量呈显著相关关系(P<0.05)。

耕作措施影响土壤中解磷菌类微生物数量，臧威等[20]研究发现,小麦、水稻、玉米、大豆根际土壤中分布大量解磷菌,菌数达到(2.15～6.68)×105cfu/g,涉及解磷菌群明显不同，分别涉及9、11、13、12个菌属。李双喜等[21]研究发现，生物耕作处理土壤中无机磷分解菌最多，表层(0～5 cm)的无机磷分解菌为1.14×106个/g，生物耕作及免耕处理分别是机械耕作的1.42、1.29倍,不同处理间无机磷分解菌数量差异显著，接种蚯蚓和免耕处理都能增加无机磷分解菌的数量；吴瑕等[22]发现，间作和栽培作物明显比不种植任何作物土壤中解磷菌数量多，番茄、分蘖洋葱根际及无苗对照土壤中无机磷分解细菌数量均呈先下降后上升的趋势，间作番茄根际土壤无机磷细菌数量明显高于单作和无苗对照，且在定植第23天和37天时，差异均达显著水平(P<0.05)；分蘖洋葱在定植第23天时,间作分蘖洋葱根际土壤中无机磷细菌数量显著低于单作，而间作后期，单作和间作土壤无机磷细菌数量无显著差异，但两种处理均显著高于无苗对照(P<0.05)。秸秆还田明显增加土壤中有机质含量，还可促进土壤麦角固醇积累，其对溶磷微生物群体和高效溶磷菌生长均有促进作用，并且可显著增加耕层土壤中细菌、霉菌、放线菌、解磷解钾菌、硝化细菌和反硝化细菌等数量，改善土壤微生物的群落结构和功能多样性[23-25]。

2.3 解磷微生物种类

解磷菌种类繁多，目前已经报道的解磷菌有20多个属，其中具有解磷作用的细菌种类及数量最多，并且目前市场上应用最多的解磷菌也是细菌，如巨大芽胞杆菌。具有解磷作用的细菌种类主要有芽胞杆菌属、假单胞杆菌属、欧文氏菌属(Erwinia)、伯克氏菌属(Burkholderia)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、西地西菌属(Cedecea)、沙雷氏菌属(Serratia)、黄杆菌属(Flavobaccterium)、肠细菌属(Enterbacter)、微球菌属(Micrococcus)、固氮菌属(Azotobacter)、不动细菌属(Acinetobacter)、根瘤菌属(Bradyrhizobium)、沙门氏菌属(Salmonella)、色杆菌属(Clromobacterium)、产碱菌属(Alcaligenes)、节细菌属(Arthrobacter)、 硫杆菌属(Thiobacillus)和埃希氏菌属(Escherichia)。

已经筛选出且被证明具有解磷作用的真菌种类比较少，实际应用于生产的种类更少，在生产上应用比较多的具有解磷作用的真菌主要是菌根菌类。具有解磷功能的真菌类群主要有青霉菌属(Penicillium)、曲霉菌属(Aspergillus)、链格孢属(Alternaria)、根霉属(Rhizopus)、短梗霉属(Aureobasidium)、镰刀菌属(Fusarium)、踝节菌属(Talaromyces)、小菌核菌属(Sclerotium)、酵母菌属(Saccharomyces)和菌根菌(Arbuscularmy)。

具有解磷作用的放线菌主要是链霉菌属(Streptomyces)，虽然链霉菌属放线菌解磷作用相对较差，但由于其独特的防病功能，使其具有较好的应用前景[26-27]。

3 解磷微生物作用机制

解磷菌解磷功能的强弱除了与自身基因相关外，还与外界条件相关。解磷菌在生长过程中向外分泌各种小分子酸类物质、质子、多糖、酶等分解难溶性磷，而解磷菌向外分泌这些物质的多少，受解磷菌与环境条件互作的影响，如温度、土壤含水量、不同的碳、氮、磷源等营养供给等，环境条件在影响解磷菌分泌物的同时，也受解磷菌分泌物的影响而有所改变。不同解磷菌的解磷机制不同，有些菌通过其中的一种机制，有些菌通过多种机制导致含磷矿物的溶解。

3.1 酸解

3.2 磷酸酶的作用

解磷菌通过分泌磷酸酶分解有机磷酸酯，磷酸酶还能矿化有机磷酸盐，使其成为植物可吸收利用的可溶性磷。钟传青[38]研究发现，解磷菌溶磷过程是通过有机酸和磷酸酶的协同作用完成的，其中巨大芽胞杆菌和青霉菌发酵过程中能够产生分解植酸钙的酶，增加发酵液中有效磷含量。李文红等[39]筛选出的具有分解无机磷和有机磷功能的解磷菌，其主要解磷机制是菌体代谢产生磷酸酶的作用。

3.3 环境pH值变化

3.4 其他作用

现有研究结果表明，磷酸盐的降解是多种降解机制的综合作用，解磷菌在以难溶性磷酸盐为唯一磷源的培养基上生长繁殖时，其呼吸和代谢因土壤或介质条件的差异而表现出不同解磷机制。有研究发现，解磷菌通过解磷作用所释放的磷很少，主要作用是其分泌的生长调节物质促进了作物生长的结果，如根毛数量和长度、须根数量、表面积、生物量比以及比根长等，或者是菌株具有解磷和促进生长的双重效果[42-44]；解磷菌的使用显著提高了根际微生物数量、种类，增加了土壤微生物多样性，改善了土壤微生态条件，由此增加了土壤中有效磷含量。有些解磷菌在降解动植物残体过程中，形成腐殖酸类物质，该类物质能与难溶性磷酸盐中的钙、铁、镁等螯合，从而释放出磷酸根。

4 解磷微生物菌剂研究及应用现状

Kang等[44]研究发现，接种Penicilliumsp.能提高玉米产量，接菌处理的玉米株高增加1.4倍，根长增加1.2倍，干质量提高5.2～8.1倍。朱培淼等[45]使用NBRIP液体摇瓶筛选出两株假单胞菌属解磷菌，两株解磷菌对磷酸三钙[Ca3(PO4)2]的降解率是空白对照的10.5倍；田间试验结果表明，接种假单胞菌处理的玉米株高、茎粗和干质量显著高于空白对照处理。王奎萍等[46]筛选得到134株具有解磷、固氮和产吲哚乙酸菌株,温室试验结果表明，三种处理对辣椒植株的干质量分别增加了10.24%、9.13%和8.60%。蒋欣梅等[47]研究发现，“紫京城茄”的株高、茎粗、产量等均随解磷菌肥施用量的增加而显著增加。徐文凤等[48]盆栽试验结果表明，将1%～2%的解磷真菌PFK-1与硝基肥复配处理能明显增加油菜的鲜质量和干质量，同时增加土壤中有效磷含量。邢芳芳等[49]研究发现，解磷真菌PSFK具有很强的降解无机磷酸盐能力，且能显著提高鸡毛菜的生物量和叶片数量。何雪香等[50]通过秋茄盆栽试验发现，从红树林地区筛选得到的部分解磷菌和固氮菌使秋茄株高和生物量明显增加，其中一株解磷菌He4#比国外引进的地衣芽胞杆菌(Bacilluslichenciformis)的促生效果更明显。闫小梅等[51]盆栽试验结果表明，接种菌株荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)Y1的花生根长、根表面积、根直径分别比对照增加159.0%、133.0%、18.9%，植株对氮、磷、钾的吸收量分别比对照高73.6%、26.6%、41.0%，差异均达显著水平。冯健等[52]在设施黄瓜栽培中使用解磷菌，结果表明，有秸秆存在的情况下，能明显促进黄瓜秧苗吸收钙、镁、铜，与对照相比，吸收量分别增加6.26%、8.25%、11.57%。胡倡等[53]使用解磷菌 HZP1或PS-1均有促进紫云英和大豆生长作用，将两株解磷细菌分别与根瘤菌混合接种，能进一步提高大豆和紫云英的地上生物量、根瘤鲜质量和根瘤数。

5 展 望

耕地土壤中磷素含量普遍不高,再加上土壤中对磷素的固定作用，导致磷肥利用效率较低。解磷菌具有提高土壤有效磷含量、减少磷肥使用量及促进植物生长的作用，目前成为研究的热点，但解磷菌的研究及应用仍然存在很多问题：①目前筛选解磷菌使用的植物种类还很少，多数具有解磷功能的菌种还没有筛选出来；②解磷菌培养工艺还不够完善，每一个菌种都有其独特的生产工艺，如何发挥其最佳使用效果的生产工艺有待研究；③解磷菌单独使用效果有限，与其他有益菌复合使用可能发挥其效应；④解磷菌转代次数越多、保藏时间越长，其解磷效果会降低，如何稳定解磷功效有待研究；⑤提高解磷菌使用效果的关键是解除土壤抑菌效应，目前对提高解磷菌在土壤中定殖能力研究很少。

随着解磷菌研究的深入，解磷菌部分替代磷肥将成为现实，在提高磷肥利用率及作物产量的同时，改善土壤环境、减少磷素对土壤及河流污染，使农业生产更加可持续发展。