解磷微生物研究進(jìn)展

陳治宇　郎南軍　李甜江

摘要：通過對解磷微生物的種類、分布、解磷機(jī)制的介紹，對研究熱點討論和研究進(jìn)展的分析，得到了展望性的結(jié)論：①從分子方面去追尋；②通過轉(zhuǎn)基因或分子、細(xì)胞雜交的方式，篩選出高效、生存能力強(qiáng)、變異率小、比較穩(wěn)定的、無論在什么環(huán)境什么土壤中都能很好地生存的解磷微生物；③利用系統(tǒng)聚類的方式將解磷真菌和細(xì)菌的種屬關(guān)系一一確定。最后，對解磷菌和其他的根際微生物的協(xié)同等相互關(guān)系、發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：解磷菌；解磷機(jī)制；發(fā)展與展望

中圖分類號：X172文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16749944（2014）10023203

1引言

磷是植物細(xì)胞的重要組成元素之一，可參加植物的光合作用，且對植物代謝和遺傳起到重要作用。在我國，缺磷的現(xiàn)象非常嚴(yán)重占到土壤的74%，在北方，由于鹽堿地和鈣化土壤較多，可與土壤中的Ca2+結(jié)合，形成難溶的無效磷，無法被植物直接吸收利用。而在我國南方地區(qū)，由于降雨量充足，水土流失量大，全年日照充足，熱量豐富，形成了酸性強(qiáng)，鐵鋁含量高，土壤易板結(jié)的特點，難溶性的磷被鐵鋁離子所固定，形成難溶性磷酸鹽，而可溶性的磷卻被雨水所帶走，導(dǎo)致了山地土壤磷元素嚴(yán)重缺失，而且水體富磷化嚴(yán)重，再加之農(nóng)民不科學(xué)的施用磷肥，使土壤更加板結(jié)加重，通氣透水性更差，使得土壤更加缺磷和水體富磷化。

很多因素影響了土壤磷素的有效利用，然而解磷微生物對土壤中難溶磷酸鹽具有巨大的轉(zhuǎn)化能力，能將其分泌為植物生長所需的植物生長素類物質(zhì)，從而促進(jìn)植物生長發(fā)育。解磷菌產(chǎn)生的酸性物質(zhì)可以加快含磷不溶有機(jī)化合物的分解，其分泌的植酸酶、核酸酶和磷酸酶等可與無機(jī)磷進(jìn)行螯合，使不可利用的無機(jī)磷轉(zhuǎn)換成有效磷，促進(jìn)磷素釋放[1] ，若用解磷菌作為生物肥料，其優(yōu)勢是顯而易見的：成本低，效果好，緩釋可持續(xù)，施用后不但可以增加作物產(chǎn)量，改善土壤質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，還能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤中磷的有效利用率，節(jié)肥增產(chǎn)，對保持生態(tài)環(huán)境平衡具有重要意義。

目前，對解磷微生物的研究主要是集中在以下幾個方面。

（1）解磷微生物的分離、純化和鑒定等工作（類群的研究）；

（2）對解磷微生物分布規(guī)律和數(shù)量以及同植物的協(xié)同等作用的研究；

（3）對解磷機(jī)制的分析研究；

（4）對如何開展解磷微生物的研究方法進(jìn)行討論；

（5）不斷地發(fā)現(xiàn)新的效果更好，能夠與多種植物共生的優(yōu)良微生物和菌肥。

2解磷微生物的研究概況

1935年蒙基娜從土壤中獲得一株解磷巨大芽孢桿菌（Bacillus megatherium phosphaticum）[2]。隨后，陳廷偉、Sperber、尹瑞玲等對解磷微生物不斷進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了歐文氏菌、假單胞菌、產(chǎn)堿菌、多粘芽孢桿菌、枯草桿菌等[3～5]。1998年林凡等研究了水稻經(jīng)聯(lián)合固氮菌的浸種后，該菌劑在全國12個省市的應(yīng)用結(jié)果表明其對水稻的增產(chǎn)效果非常明顯[6]。

3解磷微生物的種類

能夠分解磷的微生物主要為細(xì)菌、真菌和放線菌。目前已經(jīng)報道的解磷細(xì)菌主要有芽孢桿菌（Bacillus）、假單胞桿括菌（Pseudomonas）、歐文氏菌（Erwinia ）、土壤桿菌（Agrobacterium ）、沙雷氏菌（Serratia）、黃桿菌（Flavobacterium）、腸細(xì)菌（Enterbacter）、微球菌（Micrococcus）、固氮菌（Azotobacter）、根瘤菌（Bradyrhizobium）、沙門氏菌（Salmonella）、色桿菌（Clromobacterium）、產(chǎn)堿菌（Alcaligenes）、節(jié)細(xì)菌（Arthrobacter）、硫桿菌（Thiobacillus）、埃希氏菌（Escherichia）。真菌類主要有青霉菌（Penicillium）、曲霉菌（Aspergillus ）、根霉（Rhizopus）、鐮刀菌（Fusarium）、小菌核菌（Sclerotium）。放線菌有鏈霉菌（Streptomyces AM）、菌根菌（Arbuscular Mycrrhhiza）[7～9]。

在不同作物根際和不同土壤性質(zhì)之間，解磷菌種群分部是存在差異的。如尹瑞玲[5]發(fā)現(xiàn)在東北黑鈣土中，主要以芽孢桿菌和假單孢桿菌為主，紅壤和黃棕壤中解磷菌種類則較為繁多。林地中主要是假單胞桿菌屬和沙門菌屬，而無機(jī)磷細(xì)菌種類比較少。溶磷微生物數(shù)量因土壤不同而不同，黑鈣土>黃棕壤>白土>紅壤>磚紅壤>瓦堿土。

解磷菌在不同植物根圈不同區(qū)域的數(shù)量分部也是不同的，Katznelson（1962）[10]對小麥根圈解磷細(xì)菌分部的研究得到，根際上的解磷菌要比非根際的高6～18倍。林啟美和趙小蓉對小麥和玉米的研究也表明根際土壤比非根際土壤高10～100倍。

2014年10月綠色科技第10期

陳治宇，等：解磷微生物研究進(jìn)展工程與技術(shù)

4解磷微生物的分布

林啟美等在分析草地、林地、農(nóng)田和菜地壤中解有機(jī)磷的細(xì)菌和解無機(jī)磷細(xì)菌的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)有機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量要比無機(jī)磷數(shù)量多，尤其是菜地中細(xì)菌數(shù)量和種類最多[11]。不同作物的根際所分布的解磷微生物的種群也存在差異。SundaraRao和Sinha發(fā)現(xiàn)小麥根際解磷菌主要為芽孢桿菌屬（Bacillus）和埃希氏菌屬（Escherichia）[12]。Elliott等報道春小麥根際解磷菌主要為芽孢桿菌屬（Bacillus）、假單孢菌屬（Pseudomonas）、鏈霉菌屬（Streptomyces）[13]。趙小蓉等研究發(fā)現(xiàn)玉米成熟時期根際有機(jī)磷細(xì)菌為假單胞菌屬和黃桿菌屬，無機(jī)磷細(xì)菌為歐文氏菌屬[9]。

5土壤中磷的有效性和轉(zhuǎn)化過程

土壤中的磷是以有機(jī)和無機(jī)兩種形式存在的。

有機(jī)磷一般是存在于植物枯枝落葉和動植物尸體當(dāng)中（主要存在形式為核酸、磷脂、磷酸肌醇和部分含磷蛋白質(zhì)），有機(jī)磷微生物需要很長時間慢慢分解才能釋放出來，但是這也要考慮到當(dāng)?shù)丨h(huán)境的復(fù)雜性，尤其在干旱或無動植物活動的地區(qū)，有機(jī)磷含量非常有限，但是在熱帶雨林等自然氣候復(fù)雜，多雨，多動植物的地區(qū)，有機(jī)磷和解磷微生物都非?；钴S，導(dǎo)致這些地區(qū)生有機(jī)磷含量較高。endprint

土壤中無機(jī)磷的存在形式主要是被固定在巖石中（原生礦石和次生礦石），包括磷灰石和一些閉蓄態(tài)、非閉蓄態(tài)（磷酸鐵，磷酸鋁，磷酸三鈣）鹽組成，這與土壤類型關(guān)系非常密切，一般也不容易釋放出來，不能達(dá)到供植物吸收利用的目的。

在我國的南方地區(qū)，主要是以酸性土壤為主（紅壤，磚紅壤，赤紅壤），由于日照強(qiáng)烈、雨水充足的原因，風(fēng)化程度高。而且鐵鋁含量較高，多數(shù)可利用的磷肥被大量游離的鐵鋁離子所固定并轉(zhuǎn)化為磷酸鐵和磷酸鋁，這兩種化合物含磷量可高達(dá)80%～90%之多[14，15]，而部分游離態(tài)的磷元素由于淋溶作用被雨水帶走。北方地區(qū)，主要是鹽堿性土壤，由于風(fēng)化程度低，土壤中含有大量的鈣離子，可與游離的磷素很快轉(zhuǎn)化為可沉淀的磷酸二鈣進(jìn)而轉(zhuǎn)化為磷酸八鈣，最終轉(zhuǎn)化為磷酸十鈣[14，16]。尤其是石灰性土壤中的無機(jī)磷主要以磷酸和鈣占主導(dǎo)，平均占無機(jī)磷總量的70%以上，其次是磷酸八鈣占10%左右，磷酸二鈣占1%，磷酸鐵和磷酸鋁較少占無機(jī)磷的4%～5%，氧化磷占10%左右[14，17]。

6解磷能力測定方法

測定微生物是否具有解磷能力一般有兩種方法：一是鉬磷比色法；二是同位素示蹤法。

6.1鉬磷比色法

將解磷微生物加入不溶性磷化物[如Fe3（PO4）2]，與不含解磷微生物的培養(yǎng)液進(jìn)行對照，培養(yǎng)一段時間后，過濾，再將濾液經(jīng)鉬磷試劑處理，讓培養(yǎng)液顯色后，比色，間接求出溶解性磷的含量[4]。梁紹芬等還采用離心除去細(xì)胞后測定水溶磷的含量；還有報道將菌株接種于30mL不溶性磷化物的培養(yǎng)基中經(jīng)過21d培養(yǎng)后，再加入0.1mol/L的HCl震蕩過濾后進(jìn)行測定，他們認(rèn)為能夠被HCl提出來的無機(jī)磷都屬于微生物分解獲得的磷[18]。但是考慮到微生物在自身的生長繁殖過程中能夠分泌一些含有溶解性磷酸鹽的能力，而且有些磷被微生物吸收后駐藏在有機(jī)體中，所以這種方式不能較為準(zhǔn)確地測定解磷菌的解磷能力，必須通過消煮和過濾才能準(zhǔn)確反應(yīng)微生物解磷能力[19]。

6.2同位素示蹤法

測定培養(yǎng)基中植物吸收的同位素可溶性磷的含量。具體做法是：在已有可溶性P33的溶液中加入解磷菌和不溶性P32，培養(yǎng)一段時間后，放入一直能夠水培的植物幼苗，使植物生長一段時間進(jìn)行同位素P32的檢測（對照組是只含可溶性P33和不溶性P32），測定植物體內(nèi)P32的增加量。尹瑞玲等利用從土壤中分離出的265株解磷菌來分解摩洛哥磷礦粉，其平均分解能力為2～30mg/g[4]。

7解磷機(jī)制研究

趙小蓉、林啟美等人研究發(fā)現(xiàn)，微生物的解磷機(jī)制被認(rèn)為是由于微生物能夠分泌一些酸性物質(zhì)，其不但能夠降低土壤pH值而且能夠使難溶的磷酸鐵、磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鎂等不溶性磷酸鹽溶解。林啟美等還發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能夠分泌檸檬酸、乙酸、蘋果酸、乳酸、丙酸等有機(jī)酸，而且不同菌株之間的差異還很大；真菌分泌的卻比較復(fù)雜，種類較多，同種菌株之間差別也比較大，一般是草酸、酒石酸、檸檬酸、丁二酸、乳酸和乙酸等。趙小蓉等的研究還表明，微生物的解磷能力與培養(yǎng)基中pH值存在一定的相關(guān)性（r=0.732），但同時也提出培養(yǎng)介質(zhì)pH值的下降，其實并不是解磷的必要條件，表明不同的有機(jī)酸對鐵鋁鈣等難溶性磷酸鹽的分解能力也存在差異。Illmer et al發(fā)現(xiàn)在有些不產(chǎn)生有機(jī)酸的微生物中，也具有溶解磷酸鹽的現(xiàn)象，其本質(zhì)可能與呼吸作用（產(chǎn)生的氫離子）有離子交換作用的存在。Penicillium effuscum現(xiàn)象的研究也表明，微生物在交換陽離子的過程中，利用ATP轉(zhuǎn)化時所產(chǎn)生的能量，將氫離子放在細(xì)胞的表面，能夠促進(jìn)有機(jī)磷的溶解[20]。多硫細(xì)菌屬的細(xì)菌可以依靠氧化硫產(chǎn)生的硫酸來溶解難溶性的磷[21]。

AM（Arbuscular Mycorrhiza）菌根菌近年來也是研究得較多的，它能夠促進(jìn)植物對磷元素的吸收，增加植物磷的含量促進(jìn)植物生長。宋永春[22]對缺磷土壤施用植酸和卵磷脂的實驗中發(fā)現(xiàn)，菌根菌能夠增加土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，使土壤中的磷素有效化。Arihara等在對AM與玉米生長關(guān)系的研究顯示，播種前土壤中有效磷含量相同，玉米的產(chǎn)量也和AM根菌的施入成正相關(guān)[23]。AM菌株能夠促進(jìn)植物磷吸收的主要機(jī)制為：AM菌根能夠增加植物根系吸收磷素的表面積，增加了磷溶圈的面積，并轉(zhuǎn)化和傳遞給植物，且AM菌根能夠提高酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的活性，使轉(zhuǎn)化的效率提高。

8解磷微生物發(fā)展方向和未來展望

（1）必須從分子方面去追尋，去了解解磷微生物的分子機(jī)制，從DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯方面去全新地認(rèn)識解磷基因或者是促解磷基因。在解磷過程中有哪些小分子RNA或小分子蛋白質(zhì)信號的變化以及細(xì)胞從接收信號到做出具體反映的微變化，從而更全面地了解解磷微生物。

（2）通過轉(zhuǎn)基因或分子、細(xì)胞雜交的方式，篩選出高效、生存能力強(qiáng)、變異率小、比較穩(wěn)定的，無論在什么環(huán)境、什么土壤中都能很好地生存的解磷微生物。

（3）解磷菌的種類較為繁多，我們可以通過采集不同地區(qū)，不同環(huán)境的土壤或水體的解磷微生物進(jìn)行系統(tǒng)研究，鑒定和分離，提取DNA，利用系統(tǒng)聚類的方式將解磷真菌和細(xì)菌的種屬關(guān)系一一確定。

（4）要對解磷菌和其他的根際微生物的協(xié)同等相互關(guān)系、發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行研究。

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