生物微膠囊在鹽堿地應(yīng)用探究

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都，610065)

1 鹽堿地研究現(xiàn)狀

1.1 西北地區(qū)土壤鹽堿化現(xiàn)狀

中國西北地區(qū)鹽堿化問題嚴(yán)重，其中以新疆尤為突出，新疆處亞洲大陸內(nèi)部腹地，距離海洋相對較遠(yuǎn)，是地球上距海洋最遠(yuǎn)的一塊陸地，是溫帶大陸性氣候，具有豐富的土地、光熱資源，晝夜溫差非常大[1]，有利于作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。但是由于降雨量稀少，每天的水分蒸發(fā)量大，劇烈的地表水蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，使土壤中鹽分不斷上移，從而引起土壤中鹽分累積。新疆推廣應(yīng)用了先進(jìn)的膜下滴灌技術(shù)，改變了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的本質(zhì)問題，明顯地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。然而由于長期滴灌和不適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)灌溉會導(dǎo)致無法充分沖洗土壤中的鹽分，土壤中的水分只能停留于表層，無法進(jìn)入地下水，再經(jīng)過農(nóng)作物吸收和蒸騰作用，土壤中鹽分進(jìn)一步上移，不斷積累，又造成了土壤次生鹽漬化的發(fā)生[2]，加重了土壤的鹽堿化現(xiàn)狀。

1.2 鹽脅迫對農(nóng)作物的危害

通常來說，鹽離子對作物生長的抑制作用主要是由于Na+和Cl-引起的[3]。土壤中的可溶性鹽類太多，由于滲透勢增高[4]，按照水是由高勢向低勢活動的原理，根細(xì)胞內(nèi)的水勢一定要低于四周介質(zhì)的水勢才可以吸水，因此土壤鹽分多，根吸水就會困難，并且作物根系的水量有可能大量損失。所以鹽脅迫的通常表現(xiàn)本質(zhì)上是作物根系水分大量流失導(dǎo)致的旱害，特別是在大氣的相對濕度低的狀況下，隨蒸騰作用進(jìn)一步加強(qiáng)，鹽害作用更為明顯，一般作物在濕季耐鹽性增強(qiáng)。鹽離子對作物的危害主要表現(xiàn)為3個方面：

1.2.1 影響作物的光合作用

葉綠體是作物進(jìn)行光合作用的主要地方。植物光合作用強(qiáng)度的最重要的指標(biāo)之一是由葉綠素的含量所反映的。因為鹽的脅迫，植物沒法吸收到充足的水分及所需營養(yǎng)物質(zhì)，從而很快便會變得營養(yǎng)不良，從而導(dǎo)致葉綠素含量相對降低，影響到光合作用。

1.2.2 對植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的影響

鹽的脅迫會影響細(xì)胞的膜蛋白及膜脂，從而造成脂膜透性增大，膜脂過氧化，因而影響膜的正常生理功能。通常情況下，細(xì)胞壁和質(zhì)膜相互接觸，細(xì)胞在失水時細(xì)胞質(zhì)膜收縮，因為細(xì)胞質(zhì)膜與細(xì)胞壁的彈性力并不相同，質(zhì)壁相互“撕扯”變形，產(chǎn)生機(jī)械脅迫，使得細(xì)胞里面的游離Ca2+濃度變大，導(dǎo)致植物活性氧發(fā)射出來[5]。鹽脅迫使細(xì)胞失水，引起細(xì)胞滲透壓發(fā)生巨大變化。

1.2.3 阻礙農(nóng)作物蛋白質(zhì)合成

鹽度太高對蛋白質(zhì)代謝變化很大[6]，負(fù)刺激蛋白質(zhì)生成，正刺激分解，阻止蛋白質(zhì)生成的直接因素也許是毀損了氨基酸的生成[7]，使作物產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。鹽的抑制使植物內(nèi)部累積有毒的物質(zhì)，例如蛋白質(zhì)分解的產(chǎn)物游離的氨基酸、胺、氨等的積累，這些物質(zhì)對作物有毒害作用，使植物葉片生長不良，抑制根系生長，組織細(xì)胞變黑壞死等[8]。

1.3 針對緩解鹽分脅迫解鹽促生菌的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

最近幾年，大量研究發(fā)現(xiàn)作物根圍存在一些微生物可以幫助作物抗旱，澇，鹽、重金屬等很多不利環(huán)境條件，并且可以促進(jìn)作物生長。1978 年Burr 和Schroth首先報道了馬鈴薯上存在 PGPR 以后，國內(nèi)外相關(guān)研究不斷出現(xiàn)。PGPR具有許多有利的特性，包括氮素固定，礦物質(zhì)溶解，合成生長素，乙烯，細(xì)胞分裂素，維生素和其他重要的植物激素，為作物的快速生長和防止鹽脅迫所必需。至今，許多 PGPR 菌株已篩選、鑒定和驗證[9]。郭麗娜[10]等前期研究說明了Rs-198具有解鹽促生產(chǎn)IAA效果，但是對施入到土壤中時，受到活菌數(shù)的影響，對棉花的生長時段可能產(chǎn)生影響。

基于PGPR促進(jìn)作物生長、提高作物抗逆性等特點(diǎn)，國內(nèi)外的科學(xué)家都紛紛予以重視。利用微生物投入少，效果明顯周期較短對環(huán)境影響小的特點(diǎn)，圍繞PGPR的篩選和研究迅速成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

張暉、宋圓圓等從健康香蕉根際土中分離獲得的枯草芽孢桿菌、解淀粉芽孢桿菌、耳炎假單胞菌和綠針假單胞菌中篩選出香蕉根際微生物耳炎假單胞菌對物質(zhì)的病原菌有非常微妙的抑菌作用，并且刺激番茄的生成[11]。

近年來研究表明，一些研究者開始致力于采用微膠囊技術(shù)對菌株進(jìn)行包埋，以期提高其存活率，北京林業(yè)大學(xué)的郭佳利用海藻酸鈉和明膠作為壁材包埋了嗜乳酸桿菌，制成膠囊后其活菌數(shù)大大增加，并且提高了菌株對外界環(huán)境影響的抗逆性。微膠囊技術(shù)是一種新型的包埋技術(shù)。微膠囊可以是單層結(jié)構(gòu)也可是多層結(jié)構(gòu)[12]，多數(shù)的氣體、液體和固體材料可以被包封在微膠囊中。目前膠囊化被認(rèn)為是現(xiàn)在保護(hù)根圍促生菌的生存能力最有用的方法之一，細(xì)菌細(xì)胞的微囊化是最新最有效的技術(shù)之一。采用擠壓技術(shù)的微膠囊化技術(shù)已被用于保護(hù)細(xì)胞，使其在接種后土壤中更好地存活。微膠囊化的菌株在定殖入土壤后可以得到較好的保護(hù)而具有更高的存活性[13]。因此，許多學(xué)者著重于開發(fā)不同的技術(shù)來改善細(xì)菌菌株的存活。微膠囊已經(jīng)被用來包埋一些根圍菌。王少君的研究主要以海藻酸鈉-乳清蛋白-鈣凝膠為壁材，以嗜酸乳桿菌 La-5 為芯材，添加多糖制備微膠囊，研究微膠囊在貯藏期間的菌種變化情況及在乳制品中的應(yīng)用。Schoebitz等發(fā)現(xiàn)，藻酸鹽和淀粉中的根際細(xì)菌(Azospirillumbrasilense和Raoultellaterrigena)的封裝增強(qiáng)了其在儲存過程中的存活。此外，微囊化細(xì)胞可以以緩慢且可控的方式釋放到目標(biāo)土壤中，賦予更大的長期有效性[14,15]。

2 微膠囊概述

2.1 微膠囊的制備方法

微膠囊的制備方法有很多，總體來說大概有200多鐘，根據(jù)其形成條件大概可以分為三類，物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法。由于根偉菌非常敏感，要求膠囊化過程要溫和，不能破壞和損傷細(xì)胞，最大程度地保護(hù)菌種不被傷害，所以用于包埋微膠囊的壁材必須是無毒無害的。目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多種制備微膠囊的方法出現(xiàn)，并且已經(jīng)相對成熟了。

2.1.1 擠壓法

擠壓法指將芯材中的活性物質(zhì)或菌體均勻分散在糖類物質(zhì)等碳水化合物(壁材)中，之后通過擠壓將混合物質(zhì)擠到冷卻物質(zhì)中，迅速脫水降溫，使壁材析出硬化形成微膠囊。這種方法實(shí)行起來很簡單，而且中間較為緩和，成本較低。相關(guān)學(xué)者利用擠壓法制作了乳酸菌微膠囊，數(shù)據(jù)顯示，固定化的乳酸菌對低pH值的胃酸具有較好的承受力，并研究了海藻酸鈉、氯化鈣的濃度，微膠囊固定化時間等因素對微膠囊產(chǎn)品的影響。

2.1.2 噴霧干燥法

這種方法是將分散液霧化形成小水滴，可以立刻蒸發(fā)那些溶于壁材的溶劑，最終成為微膠囊。噴霧干燥的主要優(yōu)點(diǎn)干燥過程是連續(xù)的，且具備低成本、品質(zhì)高、迅速溶解、小尺寸和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。邢樹禮通過噴霧干燥法制備了鹽酸二甲雙胍緩釋微球，在一定條件下包封率可達(dá)到94%，并且收率和載藥量也較好[16]。不過，與此同時，也要將噴霧膠囊的缺點(diǎn)考慮在內(nèi)，如在這個過程中使用的高溫不適合于包封細(xì)菌培養(yǎng)，缺乏均勻性產(chǎn)生微膠囊，對于墻面材料的選擇也有所限制。

2.1.3 復(fù)合凝聚法

復(fù)合凝聚法是凝聚法中最常用的方法[17]。此方式是在靜電引力條件下，使得相反電荷的高分子材料間產(chǎn)生靜電作用，使得體系溶解度下降。復(fù)凝聚法常用于油溶性的芯材，明膠、阿拉伯膠等都是復(fù)合凝聚法常用的反應(yīng)物質(zhì)。

復(fù)凝聚法常用于制備微膠囊或微球。一般使用海藻酸鈉、殼聚糖等天然高分子材料作為壁材，他們通過靜電作用復(fù)合形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將生物活性物質(zhì)或菌體封裝在其內(nèi)部。目前采用海藻酸鹽和殼聚糖復(fù)合凝聚形成的電解質(zhì)膜，可以改善微球的結(jié)構(gòu)提高其對活性物質(zhì)的釋控作用。金言以殼聚糖和海藻酸鈉為壁材通過復(fù)凝聚法對丁香酚進(jìn)行微囊化，在一定條件下制備的凝聚產(chǎn)率高達(dá)97.3%[18]。

2.2 生物微膠囊材料

天然和合成的一些聚合物都被用于包埋根圍菌，如海藻酸鈉、明膠、淀粉和粘土類等都認(rèn)為是自然的、聚合和交聯(lián)的良好包埋材料。國內(nèi)外許多研究都在利用海藻酸鈉包埋微生物來提高其存活率。

2.2.1 殼聚糖

殼聚糖(chitosan)又稱脫乙酰甲殼素，是一種弱的聚堿。由于其無毒、無害，具有良好的保濕性、潤濕性，因此可以作為微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，可以被用來作為壁材包埋一些菌。

2.2.2 海藻酸鈉

海藻酸鈉(NaAlg)已被廣泛用于細(xì)菌的微膠囊化是由于其無毒性，易于處理和凝膠特性。此外海藻酸鈉是海藻細(xì)胞壁和細(xì)胞間質(zhì)的主要成分，具有良好的相容性和生物降解性。國內(nèi)外許多研究都在利用海藻酸鈉包埋微生物來提高其存活率。有關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，包埋后的菌株接種到土壤里，一星期后可以在小麥根的周圍擁有極大生存可能性。同樣，Bashan發(fā)現(xiàn)，在較長時間的存儲之后，根圍菌并沒有失去他們刺激小麥生長的特性。Schoebitz等研究發(fā)現(xiàn)，含巴西固氮螺菌干膠囊在儲存一年后展現(xiàn)出76%活菌率。

2.2.3 淀粉

淀粉由于其具有來源廣、廉價可再生和可完全降解的特性常作為膠囊化的材料。一些人通過研究淀粉與海藻酸鈉聚合開發(fā)可生物降解的微生物控釋肥，使其具有形狀規(guī)則，生物降解性，降低生物成本和滿足各種農(nóng)業(yè)需求。

許多微生物已經(jīng)用淀粉和藻酸鹽包封，但是僅使用復(fù)合壁材料研究單一的存活率或釋放性質(zhì)。一些作者顯示，通過向聚己內(nèi)酯中加入淀粉可以增加膠囊的生物降解性。通過內(nèi)部凝膠化技術(shù)使用藻酸鹽和淀粉可以是保護(hù)益生菌菌株的合適方法，并且可以比單獨(dú)使用海藻酸鹽更有效。同時，Roy發(fā)現(xiàn)隨著NaAlg，淀粉的重量百分?jǐn)?shù)從20增加到57.3%，生物聚合物微球的溶脹率增加。因此，必須了解Rs-2微膠囊的特征以及微膠囊性質(zhì)與藻酸鹽和淀粉量的相互作用，以獲得所需的潛在應(yīng)用性能。

3 研究展望

針對西北地區(qū)土壤鹽漬化日益加重的問題，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，肥料的使用也是超量低效，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境。目前一些研究表明，一些根圍菌可以促進(jìn)作物生長，但是游離菌容易受到環(huán)境脅迫影響而導(dǎo)致存活率不高，現(xiàn)在迫切需要一種可以提高菌株存活量的技術(shù)手段。

目前研究的有關(guān)微生物菌劑主要是接種劑或菌肥，有關(guān)提高作為抗逆性，尤其是針對鹽脅迫和病原菌大發(fā)生的條件下，微生物緩解脅迫促進(jìn)植物生長的研究已有大量報道。針對目前土壤鹽漬化現(xiàn)象日益嚴(yán)重的問題，開發(fā)同時具備解鹽防病促生的多功能防菌劑顯得尤為必要。