功能微生物在有機(jī)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展前景

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一、功能微生物（群）的定義

功能微生物是指具有特定功能和生物活性的微生物，比如乳酸菌、酵母菌、甲烷菌等，可將大分子物質(zhì)分解為小分子物質(zhì)，其代謝產(chǎn)物含有植物激素、有機(jī)酸等化學(xué)物質(zhì)。功能微生物群是指在某一生態(tài)系統(tǒng)水平上生物生化過程中作用協(xié)同互補(bǔ)的微生物群落的組合。通俗來講就是經(jīng)過特定的培養(yǎng)條件篩選出的一類生物學(xué)功能互補(bǔ)，具有共生協(xié)同作用的微生物集合體。例如，土壤微生物中含有固氮微生物功能群、溶磷微生物功能群、纖維素分解微生物功能群等。功能微生物（群），在種植業(yè)的增產(chǎn)、防病、產(chǎn)品安全方面，在養(yǎng)殖業(yè)畜禽免疫力提升和糞便的無害化處理方面，在生活垃圾的有機(jī)利用和污水治理方面，都有明顯效果。

二、有機(jī)農(nóng)業(yè)背景下功能微生物群的應(yīng)用

有機(jī)農(nóng)業(yè)是指在生產(chǎn)中完全不用人工合成的肥料、農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑和畜禽飼料添加劑，而采用有機(jī)肥滿足作物營養(yǎng)需求的種植業(yè)，或采用有機(jī)飼料滿足畜禽營養(yǎng)需求的養(yǎng)殖業(yè)。有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展可以幫助解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來的一系列問題，如農(nóng)藥和化肥大量使用對環(huán)境造成的污染（如嚴(yán)重的土壤侵蝕和土地質(zhì)量下降、物種多樣性的減少等）和能源的消耗，在提高農(nóng)民收入、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)方面有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

有機(jī)農(nóng)業(yè)尊重自然生態(tài)規(guī)律，是一種環(huán)境友好型的生產(chǎn)方式。與使用化肥農(nóng)藥的工業(yè)化農(nóng)業(yè)相比，有機(jī)農(nóng)業(yè)可為微生物提供良好的生態(tài)環(huán)境，使微生物發(fā)揮更大的作用。功能微生物群是利用自然界微生物之間的協(xié)同關(guān)系篩選出的微生物群，它具有效果顯著、構(gòu)成穩(wěn)定、抗逆性強(qiáng)、可連續(xù)培養(yǎng)等特點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室多年研究，介紹功能微生物群（菌劑）在生物有機(jī)肥、青貯飼料、厭氧發(fā)酵、酵素與腸道菌群等各方面的應(yīng)用情況。

1.生物有機(jī)肥

生物有機(jī)肥是指將有機(jī)肥和生物菌肥兩者結(jié)合，把特定功能微生物與主要以動(dòng)植物殘?bào)w（如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等）為來源并經(jīng)無害化處理、腐熟的有機(jī)物料復(fù)合而成的肥料。生物有機(jī)肥完全腐熟，不燒根，不爛苗，氣味輕（幾乎無臭），營養(yǎng)元素齊全，能夠改良土壤，提高產(chǎn)品品質(zhì)，改善作物根際微生物群，提高植物的抗病蟲能力，非常適合有機(jī)種植。

生物菌肥（微生物肥料）是指含有活性微生物，通過這些微生物生命活動(dòng)增加植物營養(yǎng)元素的供應(yīng)，產(chǎn)生植物生長激素，或者抑制有害微生物活動(dòng)，從而提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)的活體制品。現(xiàn)已從市售生物菌肥中分離到生癌腸桿菌、假腸膜明串珠菌等10種有效微生物，大致可以歸為腐解菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌和生防菌五大類，它們本身并不是肥料，只是施用微生物菌劑在植物根部后形成的優(yōu)勢菌落，具有改善植物營養(yǎng)條件和拮抗病原的功能。

生物有機(jī)肥與生物菌肥混施可以克服生物有機(jī)肥肥效緩慢和生物菌肥肥效不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，其應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)主要集中在水稻、小麥、玉米、甘蔗等禾本科植物和少量的熱帶牧草上使用。胡君蔚通過比較養(yǎng)分含量（即每千克含氮元素0.1、0.2克）有機(jī)肥配施生物菌肥、化肥單施、有機(jī)肥單施及不施肥（對照）處理盆栽燕麥，探究產(chǎn)量與氮素吸收利用、根際土壤環(huán)境因子與根際微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，得到如下結(jié)論：有機(jī)肥與生物菌肥配施可以保證燕麥拔節(jié)期穗分化階段與灌漿期養(yǎng)分供應(yīng)，增加穗粒數(shù)與千粒重，擴(kuò)大燕麥庫容，促進(jìn)養(yǎng)分吸收和向籽粒的轉(zhuǎn)移，提升籽粒產(chǎn)量與籽粒氮素積累，最終提高氮肥利用效率，達(dá)到甚至超過等氮磷鉀化肥處理。

2.青貯飼料

青貯飼料是將易被耗氧微生物損壞的新鮮多汁的植物性原料（如牧草、禾本科植物、豆科作物和蔬菜廢棄物等）切斷、壓實(shí)和密封，在厭氧條件下經(jīng)微生物發(fā)酵制成的飼料。

青綠飼草有放牧收獲和刈割收獲兩種收獲方式，這兩種方式都具有明顯的季節(jié)性，從而導(dǎo)致家畜飼草供給出現(xiàn)夏秋季節(jié)供應(yīng)過剩、冬春季供應(yīng)不足的情況。由于受年度間氣候條件差異影響，飼草收獲易出現(xiàn)豐歉年，不能滿足家畜飼養(yǎng)需求，從而導(dǎo)致供給不平衡，氣候寒冷、生長期短的北方地區(qū)尤其嚴(yán)重。青貯作為儲存手段，可有效保存飼料中的營養(yǎng)物質(zhì)，緩解冬季寒冷地區(qū)畜禽飼料單一匱乏等狀況，從而保證飼草資源夏季和冬季的供給平衡，提高畜禽生產(chǎn)質(zhì)量和總飼養(yǎng)效率。青貯過程規(guī)避了因天氣條件、機(jī)械損失、長時(shí)間風(fēng)吹日曬等惡性條件導(dǎo)致的飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的損失、青貯飼料的氧化分解、關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)維生素和可溶性糖等養(yǎng)分損失。相較于干草，青貯飼料最大限度地保存了飼草原料中的營養(yǎng)物質(zhì)，具有儲藏期長、適口性好等特點(diǎn)，是草食家畜日糧的重要組成部分。

代佳麗針對高寒牧區(qū)燕麥飼草收獲時(shí)節(jié)溫度偏低，直接青貯常規(guī)菌劑活性受限的問題，從燕麥青貯料中篩選出適合低溫環(huán)境的高活性青貯菌劑。這一菌劑主要由短乳桿菌、植物乳桿菌等構(gòu)成，具有適應(yīng)低溫、產(chǎn)酸種類多、風(fēng)味物質(zhì)多、高發(fā)酵成功率、培養(yǎng)成本廉價(jià)等特點(diǎn)。劉晶晶以營養(yǎng)生長期的低地型柳枝稷為青貯原料，單獨(dú)添加乳酸菌或纖維素酶，以及聯(lián)合添加二者，探討了通過添加不同的生物添加劑對青貯效果的影響和作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)乳酸菌數(shù)量和水溶性碳水化合物（WSC）含量是影響柳枝稷青貯的重要因素。聯(lián)合添加乳酸菌和纖維素水解酶可以使柳枝稷青貯飼料品質(zhì)達(dá)到優(yōu)等水平。

3.厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵，是指生物質(zhì)原料（如作物秸稈、雜草、人畜糞便垃圾、污泥、城市生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水等）在厭氧環(huán)境中，在一定的溫度、濕度、酸堿度等條件下，通過種類繁多、數(shù)量龐大、功能各異的專性及兼性厭氧微生物的分解代謝，最終形成以甲烷、二氧化碳為主要成分的混合氣體，該過程還可以稱為厭氧消化或厭氧生物處理。沼氣經(jīng)過提純后甲烷含量可達(dá)到97%以上，可作為生物天然氣使用。

厭氧發(fā)酵過程是從大分子復(fù)雜有機(jī)質(zhì)到終產(chǎn)物甲烷產(chǎn)生的過程，整個(gè)生化鏈條是由各類微生物串聯(lián)起來的，根據(jù)功能的不同分為發(fā)酵型細(xì)菌、產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌，前兩者協(xié)同作用負(fù)責(zé)將大分子轉(zhuǎn)化為小分子，后者則利用小分子物質(zhì)產(chǎn)生甲烷，三類微生物構(gòu)成一個(gè)厭氧發(fā)酵微生物群，協(xié)同完成整個(gè)生化過程。

厭氧發(fā)酵能將有機(jī)農(nóng)業(yè)中各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物有效利用，其底物可以是畜禽糞便、作物秸稈、農(nóng)村生活污水、有機(jī)垃圾等有機(jī)質(zhì)。沼氣可用于生活烹飪、供熱、發(fā)電等；副產(chǎn)物沼液和沼渣中含有豐富的有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素，并且還富含植物激素及抑菌物質(zhì)，可在保證沼液及沼渣安全性的前提下，代替農(nóng)藥與化肥用于有機(jī)農(nóng)業(yè)中作物的種植。沼液和沼渣在有機(jī)農(nóng)業(yè)中如何安全使用還有待于進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。endprint

4.酵素

酵素是指以一種或多種新鮮蔬菜、水果、菌菇、中草藥等為原料，經(jīng)多種有益菌發(fā)酵而產(chǎn)生的，含有豐富的維生素、酶、礦物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物等營養(yǎng)成分的功能性微生物發(fā)酵產(chǎn)品。目前按照用途可分為食用酵素和環(huán)保酵素。

食用酵素是一種微生物利用原料中可發(fā)酵性糖而形成的發(fā)酵產(chǎn)品，酵素不但保存了發(fā)酵原料中所固有的營養(yǎng)物質(zhì)，而且產(chǎn)生了一些新的生物活性物質(zhì)，有效成分大量增加。酵素功能的相關(guān)研究與報(bào)道有：趙金鳳等通過對小鼠連續(xù)注入植物酵素，證明大高酵素能夠促進(jìn)便秘小鼠排便，具有顯著的潤腸通便功能；王壯凌認(rèn)為酵素能夠改善體質(zhì)，凈化血液，促進(jìn)新陳代謝等；張?jiān)?、文浩等對其發(fā)酵工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)“室溫—高溫—低溫”三階段處理且糖含量在35%～40%的酵素的有機(jī)酸含量較多，感官評價(jià)最優(yōu)。

環(huán)保酵素來源于泰國樂素昆博士，按照紅糖：有機(jī)廢棄物：水=1：3：10的比例發(fā)酵3個(gè)月，然后以一定比例稀釋后噴施或澆灌于植物上。環(huán)保酵素作為有機(jī)農(nóng)業(yè)中植物保護(hù)的關(guān)鍵手段，具有刺激植物生長、改善果蔬質(zhì)量、防蟲防害、改善土壤理化性狀等作用，發(fā)酵后的渣滓可直接作為有機(jī)肥施于土壤。另外，環(huán)保酵素還可代替家用清潔劑，用于清洗果蔬等，有明顯的去油去污作用。

但無論是哪種酵素，都存在市場混亂、夸大炒作、價(jià)格高昂、缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題，國家和政府需要對此制定相關(guān)法律法規(guī)。此外，對于酵素發(fā)酵過程、功能成分、微生物種類和動(dòng)態(tài)變化的研究也十分缺乏，需要相關(guān)科研人員及時(shí)研究揭示作用機(jī)理。

5.腸道益生菌群

人體腸道內(nèi)寄生著約10萬億個(gè)細(xì)菌，這些細(xì)菌構(gòu)成人體腸道菌群。人體腸道的正常微生物中的乳酸桿菌等，能合成多種人體生長發(fā)育所必需的維生素，利用蛋白質(zhì)殘?jiān)铣杀匦璋被幔⑴c糖類和蛋白質(zhì)的代謝，同時(shí)還能促進(jìn)鐵、鎂、鋅等礦物元素的吸收。這些營養(yǎng)物質(zhì)對人類的健康有著重要作用，一旦缺乏會引起多種疾病。目前已經(jīng)鑒定出來的腸道微生物有2000余種，占人體體重的1%～3%。在數(shù)量上，腸道微生物有絕對的優(yōu)勢，多的時(shí)候可達(dá)到人體細(xì)胞的10倍，一般情況下估計(jì)為人體細(xì)胞的1.36倍左右。腸道菌群分為有害菌、中性菌和有益菌，相關(guān)研究說明，益生菌超過腸道菌群的80%時(shí)，表明人體健康，否則人體處于亞健康或非健康狀態(tài)。腸道菌群失調(diào)，會帶來諸多危害，例如便秘、免疫力低下、消化不良等。影響腸道菌群結(jié)構(gòu)組成的因素有人體的年齡、日常飲食和生活環(huán)境，它們不但影響腸道菌群的組成，還會影響其數(shù)量，并直接反映在人體的各項(xiàng)機(jī)能上。

應(yīng)用到養(yǎng)殖業(yè)上，是從健康人體糞便中分離出益生菌比例較高的腸道菌群后，將其轉(zhuǎn)接至特定培養(yǎng)基定植培養(yǎng)成菌液，并作為配餐供動(dòng)物食用，從而定向調(diào)節(jié)動(dòng)物的腸道菌群。當(dāng)有益菌占據(jù)優(yōu)勢時(shí)，動(dòng)物自身的免疫力會明顯增強(qiáng)，從而減少疾病的發(fā)生，便可以從源頭減少抗生素的使用，有利于后期肉類的食品質(zhì)量安全和糞便的多元化處理。

三、功能微生物群的發(fā)展前景

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)胡躍高教授指出，當(dāng)今世界正面臨著食品安全危機(jī)、糧食安全危機(jī)、鄉(xiāng)村社會危機(jī)及自然地理危機(jī)，面對這四大危機(jī)，惟有有機(jī)農(nóng)業(yè)能開啟生態(tài)文明建設(shè)的新時(shí)代。建設(shè)有機(jī)農(nóng)業(yè)就是建設(shè)生態(tài)文明，有機(jī)農(nóng)業(yè)就是未來生態(tài)文明建設(shè)的核心基礎(chǔ)。而在有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，微生物作為生態(tài)系統(tǒng)的分解者，不僅分解有機(jī)農(nóng)業(yè)的廢棄物，還可通過發(fā)酵將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為多種抑菌物質(zhì)和植物激素的產(chǎn)品。它不僅直接參與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，還可通過微生物的初次級代謝產(chǎn)物對植物病害防治、土壤微生態(tài)平衡系統(tǒng)的建立等起到積極作用。

長期以來，工業(yè)化農(nóng)業(yè)依賴化肥、激素，濫用農(nóng)藥、抗生素等，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題十分嚴(yán)峻。功能微生物群將開啟一個(gè)新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新時(shí)代。楊振寧先生曾說：“21世紀(jì)是微生物世紀(jì)”。的確，在環(huán)境可控的條件下，功能微生物一般都能很好地發(fā)揮作用，例如青貯菌劑、堆肥發(fā)酵劑、分解纖維素菌系、酵素啟動(dòng)菌劑等。但在開放的環(huán)境條件下（如在大田中），生物肥料的作用就會受復(fù)雜的環(huán)境因素影響，因此需要開發(fā)高效的微生物載體，用于提高微生物的定植效果。對于關(guān)鍵微生物的代謝途徑、發(fā)酵過程中的功能成分的確定、發(fā)酵底物復(fù)雜導(dǎo)致穩(wěn)定性問題以及使用的具體時(shí)期與方式還未探明，需要繼續(xù)深入研究以便開發(fā)活性較高、功能穩(wěn)定的微生物肥料和微生物農(nóng)藥，并形成一套標(biāo)準(zhǔn)化的制作和施用方法，治理當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和水資源污染難題，使功能微生物群更好地服務(wù)于有機(jī)農(nóng)業(yè)。

通訊作者簡介：王小芬，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣δ芪⑸铩⒅参锔H促生微生物機(jī)理研究、木質(zhì)纖維素快速分解機(jī)理研究等。聯(lián)系地址：張?jiān)胶S高王小芬北京市海淀區(qū)圓明園西路2號中國農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū) 郵編：100193；朱安妮北京六合神州生物工程技術(shù)有限公司 郵編：100029。endprint