解磷菌的研究進展及展望

彭靜靜，高輝遠

(1.泰山學院 生物與釀酒工程學院；2.山東農業(yè)大學生命科學學院，山東 泰安 271000)

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解磷菌的研究進展及展望

彭靜靜1，2，高輝遠2*

(1.泰山學院 生物與釀酒工程學院；2.山東農業(yè)大學生命科學學院，山東 泰安 271000)

本文介紹了能將難溶難吸收的磷酸鹽轉為可吸收利用的可溶性物質解磷菌的大體概況.著重研究了解磷微生物的解磷機理其不同菌種的研究進展，如葡糖醋桿菌qzr14、K3菌株、鹽堿地高效解磷菌、地衣芽桿菌PS-1、解磷真菌的解磷機理.解磷菌在農業(yè)和環(huán)境修復方面的應用廣泛，在農業(yè)上可制成肥料，將農業(yè)固體廢棄物得到轉化利用，環(huán)境修復方面對土壤的重金屬進行固定，改善土壤酸化，也可以對水體中沉積物進行降解，改善水體污染.但是，目前解磷菌的機理研究及其應用尚不全面，本文對解磷菌做出了一些總結.

解磷菌；機理；應用；展望

磷元素是生物體所必需的營養(yǎng)元素.在植物生長及體內的各種代謝過程中，磷元素必不可少.土壤中磷循環(huán)是種沉積循環(huán)，沒有大氣階段，主要是在土壤、微生物和植物之間進行[1].磷元素主要以無機磷和有機磷兩種形式存在，其中有機磷和大部分無機磷是不能被植物吸收.

土壤中含磷量很少，約占0.05%，無效磷占絕大多數(shù)，不能被植物吸收利用，只有0.1%是可利用的有效磷.在生產中，通過不斷的施用磷肥來解決土壤缺乏有效磷的問題，但施入的磷肥中，有大部分的磷與土壤中的物質發(fā)生磷的固定，形成難溶難吸收的磷酸鹽.長期施用肥料不僅造成了土壤板結，酸化和面源污染及水體污染，并可能危害人的身體健康.而土壤中解磷微生物即解磷菌(phosphate-solubilizing microorganisms，PSM)的存在，使這些難溶難利用的磷轉化為可以被植物吸收利用的形態(tài)，對提高土壤利用率，改善改良土壤結構，維持生態(tài)平衡具有重大的意義.

1 解磷菌的解磷能力測定

1.1 解磷菌的解磷能力測定

測定解磷菌解磷能力主要有以下幾個方法，第一種是平板法，即將解磷菌接種到含有難溶磷鹽的固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)，測定菌落的溶菌圈的大小.本方法雖操作簡單，但結果不精確，適用于簡單的測定.第二種是液體培養(yǎng)法，即將解磷菌進行液體搖瓶培養(yǎng)來測定培養(yǎng)液中可溶性磷含量.第三種是土壤培養(yǎng)法，即將解磷菌進行土培或砂培來測定土壤中有效磷含量.值得注意的是，微生物在生長、繁殖是會將部分分解的磷同化，用于自身結構中，上述測定結果中都不包含微生物的生物量磷.趙曉蓉等正在研究用蒸煮、熏蒸的方法測定微生物分解的所有磷含量，或通過同位素示蹤法來測定植物體內磷的增加[2]，更準確得測定解磷菌的解磷能力.不同菌株有著不同的解磷能力：Sundara[2]測定幾株芽孢桿菌屬溶解Ca3(PO4)2的效率達到18%，其中巨大芽孢桿菌屬解磷能力最強，而短芽孢桿菌最弱.鐘傳青[3]發(fā)現(xiàn)不同的解磷菌對不同的解磷鹽解磷能力也不同.難溶性磷酸鹽易被酵母菌、霉菌溶解，而磷礦粉易被巨大

芽孢桿菌溶解.解磷真菌在數(shù)量種類上遠不如細菌.實驗發(fā)現(xiàn)，解磷真菌的種類和數(shù)量雖然不多，但解磷能力通常會更強.主要在于很多解磷細菌在逐代培養(yǎng)后，解磷能力減弱且不再復原，而真菌始終保持較強的解磷能力，并且在接種量相等時，生產量大，代謝產物多，酸度提升快，使難溶磷酸鹽更容易分解.其中，青霉和曲霉在解磷真菌中占絕對優(yōu)勢，而且解磷能力強，研究報道也較多.

1.2 解磷菌的解磷機理

1.2.1 難溶無機磷的降解機理

土壤中難溶性無機磷約占土壤磷酸鹽總量的絕大多數(shù)[4].解磷菌解磷比較復雜，尚研究中.

第一種是現(xiàn)在廣泛接受的產酸機制，認為大部分解磷菌在代謝過程中產生多種有機酸，如葡萄酸、檸檬酸、乳酸、蘋果酸、草酸等，能降低培養(yǎng)介質的pH值 ,也可以與鈣離子、鐵離子、鋁離子等離子螯合作用使難溶磷酸鹽溶解.其中有些螯和作用在解磷過程中起主要作用.最近研究發(fā)現(xiàn)，產多糖的溶磷菌可以推動平衡向難溶磷鹽方向進行，糖與有機酸之間的協(xié)同效應，促進磷溶解.

第三種認為解磷過程是個動態(tài)的分段過程.以難溶無機磷為磷源的培養(yǎng)基上，解磷菌產酸使部分難溶無機磷溶解，在隨后生長中，解磷菌可能改變代謝機制，釋放有機代謝物如乳酸、琥珀酸等于基質中形成較高濃度難溶有機磷化合物，解磷菌再次以其為磷源，致使磷的再一次溶解.在整個過程中pH值幾次變化，產生不同有機磷化合物，然后礦化成可溶性磷被植物吸收利用，直到自身缺乏營養(yǎng)而死亡.

1.2.2 有機磷農藥殘留的降解機理

解磷菌降解有機磷農藥在土壤磷轉化中具有重要的意義.一種是酶的溶解機制，就是解磷菌直接作用于農藥，本身含有的酶促基因馬上產生可降解該農藥的降解酶，發(fā)生酶促反應降解農藥.主要有脫氫、合成、氧化、還原等幾種酶促類型.其降解過程首先是農藥吸附在解磷菌表面，然后農藥進入解磷菌的細胞膜內后發(fā)生酶促反應.另一種則是以解磷菌生物活動去改變土壤環(huán)境間接作用于農藥，有礦化作用生成無機磷，生物濃縮、生物累積或是微生物對農藥其它的間接作用.

2 解磷菌種類及分布

2.1 解磷菌的種類

20世紀初開始注意到土壤磷與微生物之間的連系.1908年發(fā)現(xiàn)溶磷微生物的存在，1948年Gerretsen發(fā)現(xiàn)溶解磷礦粉的微生物可促進植株生長，既能增加磷元素的吸收[6]，又可促進植物生長.之后，多種微生物的解磷作用相繼被報道.

解磷菌種類繁多，根據種類，可分為細菌、真菌和放線菌等.也可以根據解磷菌作用對象，即分解底物的不同，分為了有機磷微生物(能夠轉化有機磷化合物)和無機磷微生物(將難溶無機化合物轉為可吸收的可溶磷).其實很難根據分解底物的不同將解磷菌區(qū)分開來，無機磷和有機磷都能被鏈霉菌屬所溶解.目前，報道的菌屬約有20多種，其中解磷細菌研究最多，也較深入，主要集中在芽孢桿菌屬、假單胞桿菌屬、沙雷氏菌屬、歐文氏菌屬、土壤桿菌屬、黃桿菌屬、埃希氏菌屬、節(jié)細菌屬等.巨大芽孢桿菌，膠質芽孢桿菌具有較強的解磷能力，應用報道的較多.

解磷真菌類報道較少，但真菌磷能力強是關注的熱點.研究較多的有青霉菌屬、曲霉菌屬、根霉屬、鐮刀菌屬、小菌核菌屬等.放線菌主要是鏈霉菌屬、AM菌根屬，研究的重點在新菌株的篩選和解磷效果分析等方面.

2.2 解磷菌的數(shù)量及生態(tài)分布

土壤是微生物良好的生長繁殖地.趙小蓉等研究表明，玉米、冬小麥根際要遠比非根際解磷菌的數(shù)目多得多[7-8].土壤中，解磷菌呈現(xiàn)出極強的根際效應分布(受根際微域環(huán)境，如土壤結構、質地、有機物物含量、耕作方式和措施等影響).植物根際解磷菌的數(shù)目要比周圍土壤多得多，其中不同的土壤類型和磷源，解磷菌的數(shù)量不同，一般為黑鈣土地>黃棕壤地>白土地>紅壤地>磚紅壤地>瓦堿土地.黑鈣土地以芽孢桿菌和假單胞桿菌為主，而紅壤地和黃棕壤地中菌種繁雜.2001年羅明等人研究，新疆棉田地區(qū)施用不同的肥料措施對解磷菌的影響，表明肥料與氮、磷、鉀等元素的合理搭配對解磷菌的生長和數(shù)目具有促進作用，氮肥的效果最顯著[9].林啟美[10]研究了四種不同土壤類型中的解磷菌數(shù)目和種群結構，發(fā)現(xiàn)菜地里有機磷細菌最多，其他三種土壤則很少，解磷細菌在農田中最多.

Katznelson[11]等的研究發(fā)現(xiàn)，小麥根面的解磷細菌數(shù)量要比根際和非根際土讓中多好十幾倍；大麥、紅三葉等根際解磷菌的數(shù)目遠多于非根際土壤.所以不同作物的根際，解磷菌分布也不同.根際微生物的數(shù)目可能受根系分泌物多少的控制，而根際微生物群落結構則受根系分泌物類型的影響.另外，解磷菌代謝產物與根系分泌物也有密切的聯(lián)系，既可影響植物根部的分泌，又可改善土壤環(huán)境.

3 不同解磷菌解磷機理的研究進展

3.1 葡糖醋桿菌qzr14解磷機理

解磷菌解磷能力的強弱由本身所決定，但外界條件的不同，即不同的生長時期，代數(shù)和不同的氮源、磷源等營養(yǎng)供給，而表現(xiàn)出解磷能力差異.解磷機理被認為主要通過分泌有機酸、質子和多糖等溶解難溶性磷.其實不同解磷菌的解磷機制不同，有些菌通過其中的一種機制，有些菌通過多種機制導致磷礦粉的溶解，其中高效解磷菌葡糖醋桿菌qzr14在研究中發(fā)現(xiàn)可能通過分泌有機酸即葡糖酸，使pH降低是溶磷的主要原因，但pH和溶磷多少沒有一定規(guī)律的聯(lián)系，說明還可能與有機酸種類和多糖等有關.隨后的研究表明葡糖醋桿菌qzr14的數(shù)量、解磷菌生長速率、活性等原因對其解磷能力有一定的影響.

實際生產中，葡糖醋桿菌qzr14應用于黃瓜苗，具有土壤磷的溶解吸收，固氮和解鉀能力，促進生長.隨后發(fā)現(xiàn)還具有激素釋放、抵抗病原的多種功能.

3.2 K3菌株解磷機理

生長周期短，代謝旺盛，有強溶Ca3(PO4)2作用和促進植物幼苗生長的K3菌屬于假單胞屬，革蘭氏陰性菌，解磷細菌K3的解磷機理主要是分泌有機酸，還可能與金屬離子發(fā)生絡和作用.但以葡萄糖為碳源的培養(yǎng)中沒有按照傳統(tǒng)途徑，將葡萄糖用酶氧化成葡萄糖酸，達到溶磷目的.并隨著供給碳源的不同，K3產生的有機酸種類和數(shù)量都會不同，另外土壤的緩沖容量對解磷有一定的抑制作用.在K3解磷研究中還發(fā)現(xiàn)通過與礦物磷競爭吸附來降低磷酸根吸附作用，來進行解磷.

3.3 鹽堿地高效解磷菌的解磷機理

3.4 地衣芽孢桿菌PS-1解磷機理

在玉米根際分離出地衣芽孢桿菌PS-1，革蘭氏陽性桿菌，既是解磷菌，又是促生菌，分泌調節(jié)生長物質，促進根際生長，具有解磷和促生長的雙重作用.

4 解磷真菌的解磷機理

解磷真菌的解磷機制與真菌相似，但略有不同，與其產生有機酸有密切的關系.王富民等研究發(fā)現(xiàn) AP-2黑曲霉的解磷主要是通過產酸，在酸性條件下溶解磷.草酸青霉菌P8、Pn1在供給不同的氮源條件下使有機酸代謝方向的發(fā)生了不同，所以同一種菌得解磷機理也不可能是一成不變的一種，另外，有的解磷真菌溶液酸度的提高與其產生的有機酸沒有關系.有的真菌有解磷能力但不產生有機酸，目前對它的解磷機理還不明確.

解磷真菌也可以增強植物吸收含磷的肥料.研究發(fā)現(xiàn)，可能真菌與植物共同生長，增加了表面積吸收磷量；改善了植物根系的土壤環(huán)境，是多種酶的活性增高；又可能真菌幫助根系擴大磷的吸收范圍.

5 解磷菌的應用

5.1 解磷菌在應用上的優(yōu)勢

(1)促進植物體對營養(yǎng)物質的吸收：解磷菌能與植物根系周圍的微量元素發(fā)生螯和促進吸收營養(yǎng)物質，并且在代謝過程中還可以釋放利于植物生長調節(jié)物質，促進根系發(fā)展，增強植物的抗病能力.解磷菌自身能夠大量繁殖在植物根際形成優(yōu)勢群，有的還能與病原微生物發(fā)生拮抗作用，從而大大減少了病原微生物的繁殖機會.(2)肥效高：化學磷肥在施用過程中有一大部分由于土壤磷的固定使肥效喪失，而解磷菌能溶解難溶性磷化合物，為植物提供優(yōu)質的磷素營養(yǎng).(3)減少環(huán)境污染：由于從土壤中直接篩選分離優(yōu)質解磷菌，所以生產菌劑是沒有環(huán)境污染，并且解磷菌的生命活動有修復土壤的作用，可以說，解磷菌是真正意義上的環(huán)保型肥料.

解磷菌肥料的生產簡單，見效快，市場競爭力強.因此，解磷菌肥不僅能夠促進植物生長，使作物增產，還能提高磷利用率，使土壤環(huán)境改善，促進生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展.

5.2 解磷菌微生物在農業(yè)上的應用

最早將解磷菌投入到生產的是蒙基娜，1935年從土壤中分離出解磷巨大芽孢桿菌，測定其解磷能力特別強.將其接種到土壤后有效磷至少提高15%[12].很多國家相繼將解磷能力強的菌株制成了生物菌肥，在不同的領域都有相應的應用.

5.2.1 制作解磷微生物肥料

微生物菌肥是解磷能力強的解磷菌經發(fā)酵制成.可以供給植物根部可吸收磷，促進生長.改善改良土壤，又可以幫助植物吸附銅、鈣等微量元素.另外解磷菌繁殖會在一定程度上抑制病原微生物，增強植物的抗病能力[9].

5.2.2 控制農業(yè)面源的污染

在農業(yè)生產中投入過多含有氮、磷、鉀等元素肥料，通過地表徑流和滲漏造成了農業(yè)面源污染.科學指導農民施肥是防止污染的有效措施.但要從根本上控制，必須從污染源治理入手.利用解磷菌制成的肥料或菌劑直接施入被無法利用的磷素污染的土壤中，不但減少了農業(yè)中磷肥的過量施用，而且可以把土壤中難利用的磷溶解吸收，這在一定程度上減少了農業(yè)面源的污染[10].

5.2.3 改善土壤酸化

土壤缺磷是土壤酸化的重要原因.隨著植物不斷吸收磷量，從而使植物根際間的有機酸不斷增加，使土壤酸化加劇.另一研究表明在低磷環(huán)境下，主要通過分泌有機酸來轉化土壤中難溶性磷，致使陰、陽離子不平衡.施用磷肥可減少植物體內陽離子含量，減緩土壤酸化.[11]

5.3 解磷微生物在環(huán)境修復上的應用

5.3.1 土壤污染的修復

重金屬Pb、Cr、Cd等不僅造成土壤污染，而且會隨食物鏈在生物體內進行濃縮和累積，危害到生物.解磷菌既可以降低重金屬毒性，也可以對其進行固定.有研究表明，根際解磷菌有降低重金屬毒性來保護植物免受毒害，并且對土壤中的重金屬進行固定，使鉛等高毒性重金屬物質形成穩(wěn)定的化合物，可減少重金屬的危害，但微生物固定的重金屬在長時期穩(wěn)定性和后續(xù)處理等方面還需進一步研究.

5.3.2 農業(yè)固體廢物的轉化

在開發(fā)生物肥料中，從腐爛木薯皮中分離得到煙曲霉和黑曲霉真菌，通過半固體發(fā)酵技術轉為可利用的肥料[12].將農業(yè)廢棄物轉化為磷肥，既減少環(huán)境污染，又能化廢為寶，一舉多得.

5.3.3 水體污染

據研究，分離出伯雷克氏菌MB14應用于沉積物的除磷，防止水體富營養(yǎng)化.該菌利用葡萄糖為碳源產生乙酸和葡萄糖酸，使酸度提高.伯雷克氏菌MB14解磷的最適條件為缺氧，以葡萄糖和蔗糖為碳源，以精氨酸作為氮源.將MB14接種采集的沉積物，使沉積物溶解，再通過物理或化學方法將其去除[12].對于水體富營養(yǎng)化的防治，此方法為治理水體污染提供了新思路，解磷菌在水體污染修復方面應用前景廣闊.

6 展望

磷是許多國家農林業(yè)生產的限制因素，目前我國對解磷微生物及其肥料的開發(fā)利用研究還不夠透徹和廣泛.分離篩選強溶解能力的解磷菌種類還不夠多；解磷菌不同菌株解磷能力差異較大，對于解磷菌最佳生長條件也不明確；解磷菌的解磷機理研究復雜和不明確等問題制約著解磷菌的研究發(fā)展.因此，筆者提出以下幾方面建議：分離純化解磷菌，篩選高效菌種進行選育，提高解磷能力；探索解磷微生物解磷的分子，遺傳機制，利用分子遺傳手段改良或高效誘變構建高效解磷工程菌株，開發(fā)微生物肥料；研究解磷菌與其他微生物的相互作用關系，利用不同生物施肥措施來提高土壤營養(yǎng)利用率；解磷菌的種類繁多，如何在不同的土質和植物類型中大道最佳解磷效果是研究的關鍵；深入研究解磷菌施入土壤后和長期動態(tài)變化和活動，挖掘磷的利用潛力，更好地為環(huán)境服務.

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Research Progress and Prospect of Phosphate-Solubilizing Microorganisms

PENG Jing-jing1, 2, GAO Hui-yuan2

(1. School of Biology and Brewing Engineering, Taishan University, Tai'an, 271021；2. School of Life Science, Shandong Agricultural University, Tai'an, 271000, China)

This article describes the undissolved difficult absorption of phosphate translates into the absorption and utilization of soluble phosphate and its general situation, such as its type, distribution and phosphate-solubilizing ability. It emphatically studies the phosphate-solubilizing mechanisms of phosphate-solubilizing microorganisms, and the research progress of different species, for example qzr14, K3, efficient saline-alkali phosphate-solubilizing bacteria, PS-1, and phosphate-solubilizing fungal phosphate-solubilizing mechanisms. In addition, phosphate- solubilizing bacteria widely used on agricultural and environmental restoration has a significant meaning, like it made into fertilizer on agricultural, used agricultural solid wastes, soil heavy metal were fixed on environmental restoration, improved the soil acidification, and degraded sediment in the water, and improve water pollution. But, the study of the mechanism of the phosphate-solubilizing bacteria and it s application was not yet fully at present. In this paper we made some summary about it.

mechanism; phosphate-solubilizing bacteria; application; prospect

2016-09-20

山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金項目(2014BSB01004)

彭靜靜(1983-)，女，山東泰安人，泰山學院生物與釀酒工程學院講師，博士.

*[通訊作者簡介]高輝遠(1958-)，男，山東萊西人，山東農業(yè)大學生命科學學院教授.

S154.39

A

1672-2590(2016)06-0095-05