根際微生物在控制面源污染中的積極作用

靳皓琛，崔寧博，曹 陽，劉 宏

(1. 四川省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，成都 610031； 2. 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水利水電學(xué)院，成都 610065)

引 言

目前，全國生態(tài)環(huán)境的形勢還非常嚴(yán)峻，所以2015年2月，中央政治局常務(wù)委員會會議審議通過關(guān)于水資源保護(hù)的重磅條例《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》；2016年5月，《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》由國務(wù)院印發(fā)。環(huán)境保護(hù)事關(guān)每一個(gè)人的切身利益，也事關(guān)中華民族偉大復(fù)興，事關(guān)全面建成小康社會。近年來，越來越多人認(rèn)識到，面源污染，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染，是中國水質(zhì)污染的一個(gè)重要來源。據(jù)估計(jì)，面源污染對中國水污染的總量貢獻(xiàn)，氮總量高達(dá)81%，磷含量高達(dá)93%[1]。

據(jù)報(bào)告，2010年～2011年全球氮磷鉀肥料的消耗量分別約為10.4千萬t、4.1千萬t、2.8千萬t，而到了2016～2017年這些肥料的消耗量將為11.5千萬t、4.6千萬t、3.7千萬t。更重要的是，這些從外部供給的養(yǎng)分實(shí)際上只有很少一部分被植物吸收了，大約40%～70%的的氮，約80%～90%的磷和約50%～70%的鉀，被直接或間接的釋放到了環(huán)境當(dāng)中[2]。如此巨大的農(nóng)肥損失水平不僅導(dǎo)致減產(chǎn)和寶貴資源的損失，而且嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境。因此，必須提高肥料的利用率，以實(shí)現(xiàn)最佳的作物產(chǎn)量和更高的營養(yǎng)利用率(NUE，每單位養(yǎng)分投入的作物產(chǎn)量)。

在土壤-植物的生態(tài)系統(tǒng)下，許多土壤和環(huán)境因素都可以提高植物的養(yǎng)分利用率和作物的生產(chǎn)力。而其中最具影響力的可能是構(gòu)成根際土壤微生物群落的生物[3～6]。根際微生物種類繁多，本文討論的根際微生物特指對植物生長有益的微生物。

德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner在1904年提出了根際的概念，即根系范圍內(nèi)受根系生長影響的土壤及其周圍的土壤即為根際[7]。根際微生物是能夠在植物根際定居，并通過多種有效機(jī)制影響植物的生長發(fā)育，以及營養(yǎng)成分的利用的微生物。它們的功能包括有機(jī)物礦化、對土壤傳播的病原體進(jìn)行生物控制、氮固定、鉀、磷和鋅的增溶以及促進(jìn)根生長等[8]。

1 根際微生物組成和功能

根際是一個(gè)狹窄的土壤區(qū)域，也是無數(shù)的微生物和無脊椎動(dòng)物的家。根部區(qū)域被認(rèn)為是地球上最局動(dòng)態(tài)的界面之一。根際的微觀世界被數(shù)量巨大的微生物所占據(jù)，其中包括真菌，細(xì)菌，放線菌，藻類和線蟲，其種類優(yōu)勢受植物根系的影響。由于“根際效應(yīng)”，土壤微生物的種群和功能動(dòng)力學(xué)在根際區(qū)域和非根際區(qū)域均有所不同[9-10]。這是由于界面處微生物的營養(yǎng)供應(yīng)增加所致，因?yàn)楦客ㄟ^自光合作用和其他植物過程釋放出許多類型的有機(jī)化合物(例如分泌液和黏液)[11-12]。根際微生物區(qū)系中的生物會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物的生長，營養(yǎng)和健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[13～15]。根際微生物群也可以直接或間接的影響自然生態(tài)系統(tǒng)中植物群落的組成和生物量[16-17]。許多微生物促成了這些過程，導(dǎo)致地下、地上的植物，拮抗劑和共生體之間發(fā)生無數(shù)相互作用[18～20]。改變植物根部附近生化活性的三個(gè)最重要因素是植物根部細(xì)胞分泌或滲出的可溶性有機(jī)物質(zhì)，根冠細(xì)胞產(chǎn)生的碎片，垂死的根毛和皮層細(xì)胞以及植物裂解的根細(xì)胞。植物根部釋放的有機(jī)化合物包括氨基酸、脂肪酸、核苷酸、有機(jī)酸、酚類、植物生長調(diào)節(jié)劑、腐質(zhì)、固醇、糖和維生素。有機(jī)物供應(yīng)增加了根際中的碳，為微生物的繁殖提供了非常有利的生活環(huán)境[21]。而這些微生物群落通過改變根際的各種化學(xué)和生物學(xué)特性而帶來了進(jìn)一步的變化。因此，根際是具有高微生物活性，多樣性和串?dāng)_的環(huán)境。這些多樣性，活動(dòng)和串?dāng)_的重要結(jié)果是造成了強(qiáng)烈的微生物紊亂，總體上對根部發(fā)育和植物生長具有反饋?zhàn)饔肹22～24]。

Hiltner(1904)將根際描述為植物根部周圍的區(qū)域，該區(qū)域由獨(dú)特的微生物種群居住，他還推測微生物會受到植物根部釋放的化學(xué)物質(zhì)的影響。在此后的幾年中，根際定義已重新定義為三個(gè)區(qū)域，這三個(gè)區(qū)域是根據(jù)它們與根的相對距離并因此受到根的影響而定義的。根際內(nèi)層，包括皮質(zhì)和內(nèi)胚層的一部分，微生物和陽離子可以在其中占據(jù)細(xì)胞之間的“自由空間”(質(zhì)外生空間)。根際平面，是與根直接相鄰的內(nèi)側(cè)區(qū)域，包括根表皮和粘液[25-26]。最外層的區(qū)域是根際層，從根際平面延伸到整個(gè)土壤。由于植物根系固有的復(fù)雜性和多樣性，可以預(yù)見根際不是一個(gè)確定大小或形狀的區(qū)域，而是由沿著根的化學(xué)、生物和物理性質(zhì)變化的梯度范圍組成，該梯度在徑向和縱向上均會發(fā)生變化。

根際土壤中的植物-微生物相互作用是影響植物生長，發(fā)育和養(yǎng)分遷移等各種過程的原因。與植物根部相關(guān)的多種根際微生物，即根瘤菌，真菌和放線菌，都具有通過多種機(jī)制，促進(jìn)自然農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)下宿主植物生長的能力[27]。諸如磷[26,28-29]，鉀[30～33]和鋅的溶解[25,34]，植物生長調(diào)節(jié)劑的生產(chǎn)[10,35～37]。此外，根際中的植物相關(guān)微生物通過釋放螯合劑，酸化和氧化還原變化來增強(qiáng)植物營養(yǎng)素的移動(dòng)性和可用性[35,38-39]。另一方面，植物通過向根際釋放次級代謝產(chǎn)物(例如吡喃酮，倍半萜)來刺激或抑制特定的根際微生物的生長[40-41]。這些微生物還可以利用包含不同化合物(例如有機(jī)酸、糖、維生素和氨基酸)的植物衍生物質(zhì)(例如根系分泌物)作為其生長和發(fā)育的主要營養(yǎng)素[32,42]。

2 根際微生物在養(yǎng)分利用及污染因子控制中的作用

目前國內(nèi)的面源污染主要因子為氮、磷，主要來源是農(nóng)田中未被吸收肥料通過地表徑流或地底滲透進(jìn)入水體。根際微生物是土壤-植物-微生物系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵組成部分[12,43]。這些微生物在養(yǎng)分的增溶、轉(zhuǎn)移、礦化、溶解和吸收養(yǎng)分中起重要作用[29,32,44]。它們可以通過各種活動(dòng)促進(jìn)植物生長并抑制疾病。營養(yǎng)物增溶(磷、鉀、鋅和硫)，促進(jìn)植物生長(PGP，Plant growth promoting)，鐵載體生成，生物固氮(BNF，biological nitrogen fixation)，反硝化，免疫調(diào)節(jié)，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和病原體控制是公認(rèn)的根際微生物群落介導(dǎo)的過程，可促進(jìn)植物生長并保護(hù)植物免受蟲害[45～47]。

2.1 氮的利用與控制

水質(zhì)的富營養(yǎng)化會導(dǎo)致藻類或其他水生生物過度繁殖，從而導(dǎo)致水質(zhì)惡化，水的溶解氧降低，加速水體老化，進(jìn)而破壞水體生態(tài)系統(tǒng)。而氮、磷作為外界輸入的營養(yǎng)源，是導(dǎo)致該現(xiàn)象的重要條件。在針對玉米的研究中，使用15N作為示蹤劑進(jìn)行測算，得到的結(jié)果是植物氮素的損失大約占未測算氮素的52%至73%[48]，大致介于21%[49]和41%[50]之間。Stutte等人也證明了氣態(tài)植物氮的損失超過45 kg N ha-1yr-1[51]。據(jù)報(bào)道，由于施用的肥料脫氮而導(dǎo)致的氣態(tài)氮損失在冬小麥和低地水稻中約為10%[12,52-53]。在零耕地的表面上并入秸稈會使反硝化損失增加一倍[54]。地表徑流中肥料氮的損失介于施用的總氮的1%[55]到13%[56-57]之間，當(dāng)尿素肥料不摻入地表時(shí)，由于NH3造成的肥料氮損失超過40%[12,58]，并且通常隨著溫度，土壤pH值和表面殘留物的增加而增加。

豆科植物獨(dú)有的根瘤菌共生是由土壤重氮營養(yǎng)細(xì)菌引起的，該細(xì)菌可誘導(dǎo)宿主植物根部形成根瘤。根瘤菌固定大氣中的氮?dú)?N2)并以銨態(tài)形式提供給植物，這種形態(tài)的氮很容易被植物吸收。因此，生物固氮極大地促進(jìn)了豆類的氮收支。例如與植物根際相關(guān)的固氮菌，產(chǎn)堿菌，節(jié)桿菌，不動(dòng)桿菌，芽孢桿菌，伯克霍爾德菌，腸桿菌，歐文氏菌，黃桿菌，假單胞菌，根瘤菌和沙雷氏菌均具有進(jìn)行生物固氮的能力。據(jù)估計(jì)，其在植物總氮吸收中的比例高達(dá)65%-95%[12,57]。新技術(shù)已經(jīng)確定了各種各樣的根際微生物，例如與植物根際相關(guān)的固氮菌，產(chǎn)堿菌，節(jié)桿菌等多種菌類均具有進(jìn)行生物固氮的能力。相對于在溫帶地區(qū)的單種人工林中生長的樹木，豆科植物的樹木使樹木的生長量增加了約28%，這歸因于生物固氮作用釋放的氮的有效性增加[25]。因此，豆科植物作為農(nóng)作物間作系統(tǒng)中氮素的供應(yīng)者和土壤有機(jī)質(zhì)的構(gòu)建者，在未來可能會變得越來越重要[59-60]。生物固氮極大地?cái)U(kuò)展了我們對固氮?jiǎng)┒鄻有院推毡樾缘恼J(rèn)識，但是我們對生物固氮在生態(tài)系統(tǒng)和全球范圍內(nèi)的速率和控制的理解并未以相同的速度發(fā)展。然而，確定生物固氮的發(fā)生率和控制對于將人為的變化置于氮循環(huán)的背景下，以及對理解，預(yù)測和管理全球環(huán)境變化的許多方面至關(guān)重要。與最近的計(jì)算相比，這種方法得出的估計(jì)值要低得多；這表明人為交替的氮循環(huán)的幅度比設(shè)想的要大得多。

2.2 磷的利用與控制

同樣的，磷作為生物的主要營養(yǎng)元素之一，在水體富營養(yǎng)化中也具有巨大的貢獻(xiàn)。在營養(yǎng)利用中，磷的動(dòng)員和增溶劑作為土壤-植物系統(tǒng)的作用更為重要，因?yàn)橹挥屑s15%的磷施肥直接可用于植物的生長發(fā)育，其余的約85%則通過徑流，不利的土壤條件下的磷固定等不同過程而損失。然而，杰出的土壤肥力科學(xué)家認(rèn)識到，短期內(nèi)施用磷肥的土壤反應(yīng)會限制植物直接吸收磷肥；由于磷以低效的形式保留在土壤中，因此長期恢復(fù)率可達(dá)到約90%[26,51,61-62]。

除了植物營養(yǎng)對磷的基本需求外，磷肥是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的主要方向，原因包括：肥料價(jià)格飛漲，用于其他行業(yè)中提供更昂貴產(chǎn)品的高質(zhì)量磷酸鹽巖，例如食品防腐劑，防腐劑，化妝品等，并且高質(zhì)量磷酸鹽的來源正在迅速減少，并且有望在約100年內(nèi)耗盡。因此，農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)是：由于全球范圍內(nèi)都可大量購買低品位礦石，因此未來將低品位磷酸鹽巖(P2O5含量在9%～11%或以下)作為磷肥，以及其他磷酸鹽來源(如或從處理廢水中獲取鳥糞石衍生品)。磷增溶微生物是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通過其有益或有害的活動(dòng)直接或間接影響土壤的物理，化學(xué)和生物學(xué)特性。根際微生物介導(dǎo)土壤過程，例如分解，養(yǎng)分動(dòng)員和礦化，養(yǎng)分的儲存釋放。磷增溶能力還可以將不溶性磷酸化合物轉(zhuǎn)化為土壤中的可溶形式[43,63-64]，并使其可用于農(nóng)作物。

根際微生物在礦物磷增溶中對磷的增溶作用早在1903年就已為人所知。此后，人們對利用自然豐富的根際微生物對礦物磷增溶作用進(jìn)行了廣泛的研究。來自細(xì)菌假單胞菌屬，芽孢桿菌屬，根瘤菌屬和腸桿菌屬的菌株以及青霉菌和曲霉屬真菌是最有效的磷增溶劑[28-29]。巨大芽孢桿菌，圓形芽孢桿菌，枯草芽孢桿菌，多粘芽孢桿菌，粘液芽孢桿菌，紋狀假單胞菌和腸桿菌可能是最重要的菌株。磷增溶微生物包括不同種類的微生物，它們不僅使磷可以被從不溶形式的磷酸鹽中吸收，而且還導(dǎo)致大量可溶性磷酸鹽的釋放量超過其要求。曲霉屬和青霉屬的物種是被鑒定為具有磷增溶能力的真菌分離株。具有這種能力的細(xì)菌屬包括假單胞菌，假單胞菌等[8,12,28-29]。通過人為增加磷增溶微生物的作用能力，可以大大降低磷肥的施用量，從而減少磷對環(huán)境造成的壓力。

2.3 鉀的利用與控制

雖然我國鉀資源相對匱乏，但有研究表明農(nóng)田土壤鉀素虧損量仍然十分巨大。近幾十年來，土壤-植物-微生物之間的相互作用變得非常重要[12]。已知許多類型的微生物可以棲息在土壤中，尤其是根際，并且在植物的生長和發(fā)育中起著重要的作用[28-29,33,41]，這里有大量的微生物在繁衍。眾所周知，相當(dāng)多的微生物(細(xì)菌和真菌)具有功能關(guān)系，并與植物組成了一個(gè)整體系統(tǒng)[65-66]。它們能夠在根際輕松繁殖，以促進(jìn)植物生長和出產(chǎn)量[8,10,25]。很多農(nóng)民在耕作過程中沒有進(jìn)行化肥管理或以平衡方式施用化肥，因?yàn)樗麄儾恢乐参镄枰嗌俜柿希曳柿嫌忠蜃魑锒?。研究人員對于耕作的理解和農(nóng)民之間的差距非常大[31]。大多數(shù)農(nóng)民僅將尿素用作氮源，磷酸二銨用作磷源，只有極少數(shù)的人使用鉀肥用于作物生產(chǎn)[67]。因此，土壤中可用形態(tài)的鉀由于被農(nóng)作物大量吸收而減少。但是，農(nóng)作物殘留物中的鉀含量高于其他元素。如今，農(nóng)民沒有在土壤中添加農(nóng)作物殘留物，這是土壤系統(tǒng)中鉀耗竭的重要原因之一，這最終表現(xiàn)為農(nóng)作物表現(xiàn)不佳[32,68]。為了緩解這種情況并保持土壤的肥力狀態(tài)，盡管發(fā)現(xiàn)化肥成本昂貴且對環(huán)境不利，但仍需平衡使用化肥[26,69]。鉀增溶細(xì)菌(KSB)能夠從不溶性礦物中釋放鉀[15,30,32,70]。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，鉀增溶細(xì)菌可以通過抑制病原體和改善土壤養(yǎng)分和結(jié)構(gòu)來對植物生長產(chǎn)生有益的影響[68]。例如，某些細(xì)菌可以風(fēng)化硅酸鹽礦物釋放鉀、硅和鋁，并分泌生物活性物質(zhì)以促進(jìn)植物生長。這些細(xì)菌被廣泛用于生物鉀肥和生物浸提中[32,71]。

根際土壤中存在大量的鉀增溶微生物，它們促進(jìn)了植物的生長[72-73]。人們普遍認(rèn)為，礦物鉀溶解的主要機(jī)理是有機(jī)酸的作用。由根際微生物合成，有機(jī)酸的產(chǎn)生導(dǎo)致微生物細(xì)胞及其周圍環(huán)境的酸化，從而促進(jìn)礦物質(zhì)鉀的增溶[33,72]。研究還發(fā)現(xiàn)硅酸鹽細(xì)菌可從不溶性礦物中分解出鉀，硅和鋁[74]。硅酸鹽細(xì)菌對植物的生長和產(chǎn)量會產(chǎn)生有益的影響。鉀增溶微生物可以促進(jìn)硅酸鹽礦物中鉀的增溶作用，對于提高土壤的肥力狀況非常重要[75～77]。根際微生物通過其有益或有害的活動(dòng)直接或間接地影響土壤的物理，化學(xué)和生物學(xué)參數(shù)。

根際微生物有助于可溶性化合物的滲出，養(yǎng)分的儲存和釋放，養(yǎng)分的移動(dòng)和礦化，土壤有機(jī)質(zhì)的分解和鉀的增溶等土壤中的過程[78-79]，以及磷增溶，氮固定，硝化，反硝化和硫的氧化還原等過程[80,81]。這些具有增鉀能力的細(xì)菌可以將不溶或礦物結(jié)構(gòu)的鉀化合物以土壤溶液的形式轉(zhuǎn)化為土壤中的可溶形式，并提供給植物[32,78]。因此，增加鉀增溶微生物的數(shù)量和利用率被認(rèn)為是提高農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力的合理策略。這項(xiàng)新技術(shù)還被證明具有恢復(fù)退化，邊際生產(chǎn)力和非生產(chǎn)力農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)力的能力[77,82]。但是由于農(nóng)民和從業(yè)人員缺乏知識，我們也發(fā)現(xiàn)鉀增溶微生物的利用受到了限制[83]。

2.4 根際微生物在其他營養(yǎng)及環(huán)境因子控制中的作用

鐵對于植物的生長和發(fā)育必不可少，并且是與許多重要的代謝過程(包括光合作用和呼吸作用)有關(guān)的蛋白質(zhì)的輔助因子。在鐵限制條件下，根際微生物產(chǎn)生稱為鐵載體的低分子量化合物，從而競爭性地獲得鐵離子[10,84]。

提高糧食作物植物中鋅和鐵的濃度，從而提高作物產(chǎn)量并改善人類健康是一項(xiàng)重要的全球挑戰(zhàn)。在微量營養(yǎng)素中，作物和人類均存在鋅缺乏癥[38,85]。通過在田間施用鋅肥可以克服鋅缺乏的問題，但是大多數(shù)化肥價(jià)格昂貴，對環(huán)境有不利影響。因此，為克服這種情況，需要一種生態(tài)友好且具有成本效益的方法[12,86]。與化學(xué)肥料相比，根際微生物增溶鋅具有更好的前景[87-88]。根際微生物在植物生長和農(nóng)業(yè)面源污染控制中的作用還包括鐵載體生產(chǎn)[28-89]、植物激素的生產(chǎn)[8,25,33]和抗生素生產(chǎn)[12,15]。

3 小結(jié)與展望

在綜合營養(yǎng)管理(INM)系統(tǒng)中，應(yīng)在多種情況下考慮將微生物接種劑與化肥含量降低相結(jié)合，因?yàn)樗ＷC了高產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。有益的根際微生物的商業(yè)用途還必須等待涂層技術(shù)的發(fā)展，以改善在不喪失活性的情況下存儲和施用細(xì)菌的方法。研究者還必須開發(fā)轉(zhuǎn)基因的土壤和區(qū)域特定的新型微生物干預(yù)技術(shù)以及最終將其轉(zhuǎn)移到田間的技術(shù)，并在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)并轉(zhuǎn)教給農(nóng)民。尋找新的生物肥料、有益微生物菌株以及在多種區(qū)域開發(fā)微生物多樣性圖譜，也可能會有所幫助。我們還可以通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)校準(zhǔn)和測試，開發(fā)與微生物性質(zhì)及其在改變的深水氣候條件下的行為模式有關(guān)的高級仿真模型，以期在不久的將來更好地開發(fā)和維持良好的生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)可持續(xù)性以及微生物多樣性。

有益根際微生物是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)生態(tài)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的潛在工具。為此，迫切需要進(jìn)行研究以明確定義哪些細(xì)菌性狀對于不同的環(huán)境條件和植物是有用的和必需的，以便可以選擇和改善最佳的微生物菌株。目前已經(jīng)有研究人員正在設(shè)計(jì)協(xié)同相互作用的根際微生物菌株的組合，并且許多最新研究顯示了接種技術(shù)領(lǐng)域中的一些新的希望的趨勢。開發(fā)適合的替代制劑，即液體接種劑，以方便選擇用于生物測定中針對多種植物病原體的生物防治，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的先決條件，更是環(huán)境保護(hù)的決定條件。