解磷微生物研究及應(yīng)用進(jìn)展

池景良， 郝 敏， 王志學(xué)， 李 楊

(1.遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122000；2.錦州市教師進(jìn)修學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

1 磷素在土壤中的存在方式及其對作物生長的作用

磷是植物生長所必需的重要營養(yǎng)元素之一，是原生質(zhì)體重要組分，磷在植物體中的含量僅次于氮和鉀，含有磷的高能磷酸鍵是能量的載體，植物體內(nèi)許多重要的有機化合物都含有磷，植物的光合作用和體內(nèi)重要生化過程都有磷參與，其中包括植物體內(nèi)的光合作用、細(xì)胞分裂及增大、呼吸作用、能量儲存和傳遞等過程。磷能促進(jìn)植物根系形成和生長，提高植物適應(yīng)逆境條件的能力，磷還有助于增強植物的抗病性。

土壤中重要的磷酸鹽礦物有氟磷灰石[Ca5(PO4)3F]、磷酸鈣[Ca(H2PO4)2]、磷酸氫鈣[CaHPO4]、磷酸三鈣[Ca3(PO4)2]、輕磷灰石[Ca5(PO4)3OH]、碳酸鹽磷灰石[Ca10(PO4)6CO3]、磷酸八鈣[Ca8H2(PO4)5H2O]、磷酸十鈣[Ca10(PO4)F2]、磷鋁石[AlH2PO4(OH)2]、磷鐵石[FeH2PO4(OH)2]。

農(nóng)作物在生長繁殖過程中，需要吸收大量磷素肥料，由于磷素易被土壤吸附固定，當(dāng)磷肥添加于土壤后，磷與土壤產(chǎn)生的吸附作用使磷肥不再以原有形態(tài)存在。在我國的南方地區(qū)，土壤大多數(shù)呈酸性(紅壤、磚紅壤、赤紅壤)，由于光照強、降水充足等原因，土壤風(fēng)化程度高，而且土壤中鐵、鋁等離子含量較高，施入土壤中大部分可利用的磷肥被游離的鐵、鋁等離子固定，并轉(zhuǎn)化為磷酸鐵、磷酸鋁等，這兩種化合物含磷量可高達(dá)80%。在我國北方地區(qū)主要是堿性土壤，由于風(fēng)化程度低，土壤中含有大量的鈣離子，可與游離的磷酸根結(jié)合，轉(zhuǎn)化為磷酸二鈣、磷酸八鈣，最終轉(zhuǎn)化為磷酸十鈣[5]。在石灰性土壤中，磷與土壤中鈣等結(jié)合，轉(zhuǎn)化為無效態(tài)磷，使土壤溶液中磷酸鹽濃度下降，當(dāng)季磷肥利用率一般為5%～10%，加上作物的后效作用，利用率一般不超過25%。磷肥的應(yīng)用可以改變土壤中磷素形態(tài)、含量及有效性，其形態(tài)及有效性同樣受土壤、氣候類型及耕作管理模式影響。因此，作物栽培過程中利用增施解磷菌劑等方法，以增加磷的溶解度并減少磷的固定，從而提高土壤中磷肥利用率。

2 解磷微生物種類及在土壤中的分布

解磷菌一般指通過菌體生長繁殖過程中分泌的代謝物或者與其他菌體協(xié)同產(chǎn)生某些作用，將難溶性的磷轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的有效磷，便于植物直接吸收利用。根據(jù)解磷菌作用底物不同，解磷菌分為有機磷分解菌和無機磷分解菌，兩者之間沒有嚴(yán)格界限，部分菌種同時具備降解有機磷和無機磷作用。

2.1 解磷微生物研究歷史

Stalstrom等[6]發(fā)現(xiàn)一些原本不溶于水的磷酸鹽和天然的磷礦石能被一些細(xì)菌所溶解吸收。Gerrestsen[7]研究了微生物對植物吸收利用磷素的影響,研究結(jié)果表明，生長于不滅菌土壤中的植物生物量明顯比生長于滅菌土壤中的植物生物量高，增加幅度在72%～188%之間，磷總吸收量增加幅度在79%～340%之間，由此認(rèn)為是土壤微生物作用的結(jié)果。Sackett等[8]發(fā)現(xiàn)，一些難溶性的含磷復(fù)合物作為土壤磷源應(yīng)用，從土壤中篩選出細(xì)菌50株，其中36株在平板上形成了溶磷圈。1935年，前蘇聯(lián)學(xué)者蒙金娜從土壤中分離到1株巨大芽胞桿菌(Bacteriamegatherium)，其具有分解核酸和卵磷脂等作用。自20世紀(jì)50年代開始，國內(nèi)開始解磷菌的相關(guān)研究及應(yīng)用,先后從東北黑土和灰化土中篩選出具有解磷能力較強的芽胞桿菌、極毛桿菌等；80年代開始進(jìn)行解磷菌解磷作用機理研究,并對解磷機制進(jìn)行了探討；90年代以后，陸續(xù)從多個菌株中克隆出一些相關(guān)基因；到目前為止，對于解磷菌的作用機制研究仍在進(jìn)行中。

2.2 解磷微生物種類及分布

細(xì)菌、真菌和放線菌中都具有解磷功能的微生物種類,在不同生態(tài)環(huán)境土壤中也均有解磷功能微生物分布，解磷菌在土壤中的數(shù)量及種類受環(huán)境因素、土壤類型、土壤理化性狀、人為干擾等因素影響。尹端玲[9]發(fā)現(xiàn)，我國旱地土壤中的溶磷菌數(shù)量大約為107cfu/g,占土壤微生物總數(shù)的27%～82%,其中解磷類細(xì)菌所占比例最大。解磷細(xì)菌數(shù)量與土壤有機質(zhì)含量密切相關(guān)，因土壤類型而異,黑鈣土溶磷菌最多,達(dá)4.89×107cfu/g，瓦堿土最少，只有2×104cfu/g。林啟美等[10]在研究不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤中溶磷細(xì)菌數(shù)量時發(fā)現(xiàn)，溶磷類細(xì)菌不僅總數(shù)差異很大,而且細(xì)菌總數(shù)占總菌數(shù)的比例也有很大差異。易艷梅等[11]發(fā)現(xiàn)，溶磷微生物在不同生態(tài)區(qū)土壤中的分布各不相同, 磷礦區(qū)土壤中溶磷微生物數(shù)量和種群豐度普遍高于重金屬污染區(qū)和鹽漬區(qū)。在極端生態(tài)環(huán)境條件下，也存在解磷菌， Pankaj等[12]從印度喜馬拉雅地區(qū)玉米根際土壤中篩選出的波狀假單胞菌(Pseudomonascorrugata)，經(jīng)過誘發(fā)突變后，在4～28 ℃條件下，具有良好的解磷能力。Gaind等[13]在1991年從45 ℃的高溫環(huán)境中發(fā)現(xiàn)枯草芽胞桿菌、環(huán)狀芽胞桿菌(Bacilluscirculans)及3株黑曲霉都具有良好的解磷性能。

根際效應(yīng)明顯影響解磷菌的分布,即根際土壤中的解磷菌類數(shù)量比其周圍土體多,但并不一定是根際微生物的優(yōu)勢菌群。Sperber[14]發(fā)現(xiàn)，植物根際土壤解磷菌數(shù)量遠(yuǎn)大于其他區(qū)域土壤的數(shù)量。Katznelson等[15]對小麥根圈解磷菌篩選結(jié)果為根際土壤中的解磷菌比非根際土壤高6～18倍。趙小蓉等[16-17]對小麥和玉米土壤解磷菌的研究表明，根際土壤比非根際土壤解磷菌數(shù)量高10～100倍。不同植物根際解磷菌數(shù)量種類也有很大差異，遼寧省微生物科學(xué)研究院采集50多種野生植物根際土壤篩選解磷菌，結(jié)果表明在同一地點采集的不同種類植物，其根際解磷菌數(shù)量、種類差異巨大，具有解磷圈菌落數(shù)量最高比最低高10倍以上。Sundara等[18]發(fā)現(xiàn)，小麥根際解磷菌主要是芽胞桿菌屬和埃希氏菌屬，Elliott等[19]分析春小麥根際解磷菌主要是芽胞桿菌屬、假單胞菌屬和鏈霉菌屬。易艷梅等[11]發(fā)現(xiàn)，磷礦區(qū)土壤中溶磷微生物數(shù)量和種群豐度普遍高于重金屬污染區(qū)和鹽漬區(qū), 但優(yōu)勢種屬間數(shù)量差異不明顯；重金屬污染土壤中解磷細(xì)菌比例較高, 但種群單一, 優(yōu)勢種群為巨大芽胞桿菌, 重金屬污染區(qū)解磷細(xì)菌數(shù)量與土壤重金屬綜合污染指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，解磷細(xì)菌豐度與有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；鹽漬土中解磷細(xì)菌少,優(yōu)勢種群為假單胞桿菌屬(Pseudomonas)、芽胞桿菌屬(Bacillus)和黃單胞桿菌屬(Flavobacterium),其數(shù)量和種群豐度分別與有機質(zhì)和有效磷含量呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

耕作措施影響土壤中解磷菌類微生物數(shù)量，臧威等[20]研究發(fā)現(xiàn),小麥、水稻、玉米、大豆根際土壤中分布大量解磷菌,菌數(shù)達(dá)到(2.15～6.68)×105cfu/g,涉及解磷菌群明顯不同，分別涉及9、11、13、12個菌屬。李雙喜等[21]研究發(fā)現(xiàn)，生物耕作處理土壤中無機磷分解菌最多，表層(0～5 cm)的無機磷分解菌為1.14×106個/g，生物耕作及免耕處理分別是機械耕作的1.42、1.29倍,不同處理間無機磷分解菌數(shù)量差異顯著，接種蚯蚓和免耕處理都能增加無機磷分解菌的數(shù)量；吳瑕等[22]發(fā)現(xiàn)，間作和栽培作物明顯比不種植任何作物土壤中解磷菌數(shù)量多，番茄、分蘗洋蔥根際及無苗對照土壤中無機磷分解細(xì)菌數(shù)量均呈先下降后上升的趨勢，間作番茄根際土壤無機磷細(xì)菌數(shù)量明顯高于單作和無苗對照，且在定植第23天和37天時，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；分蘗洋蔥在定植第23天時,間作分蘗洋蔥根際土壤中無機磷細(xì)菌數(shù)量顯著低于單作，而間作后期，單作和間作土壤無機磷細(xì)菌數(shù)量無顯著差異，但兩種處理均顯著高于無苗對照(P<0.05)。秸稈還田明顯增加土壤中有機質(zhì)含量，還可促進(jìn)土壤麥角固醇積累，其對溶磷微生物群體和高效溶磷菌生長均有促進(jìn)作用，并且可顯著增加耕層土壤中細(xì)菌、霉菌、放線菌、解磷解鉀菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等數(shù)量，改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[23-25]。

2.3 解磷微生物種類

解磷菌種類繁多，目前已經(jīng)報道的解磷菌有20多個屬，其中具有解磷作用的細(xì)菌種類及數(shù)量最多，并且目前市場上應(yīng)用最多的解磷菌也是細(xì)菌，如巨大芽胞桿菌。具有解磷作用的細(xì)菌種類主要有芽胞桿菌屬、假單胞桿菌屬、歐文氏菌屬(Erwinia)、伯克氏菌屬(Burkholderia)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)、西地西菌屬(Cedecea)、沙雷氏菌屬(Serratia)、黃桿菌屬(Flavobaccterium)、腸細(xì)菌屬(Enterbacter)、微球菌屬(Micrococcus)、固氮菌屬(Azotobacter)、不動細(xì)菌屬(Acinetobacter)、根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、沙門氏菌屬(Salmonella)、色桿菌屬(Clromobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、節(jié)細(xì)菌屬(Arthrobacter)、 硫桿菌屬(Thiobacillus)和埃希氏菌屬(Escherichia)。

已經(jīng)篩選出且被證明具有解磷作用的真菌種類比較少，實際應(yīng)用于生產(chǎn)的種類更少，在生產(chǎn)上應(yīng)用比較多的具有解磷作用的真菌主要是菌根菌類。具有解磷功能的真菌類群主要有青霉菌屬(Penicillium)、曲霉菌屬(Aspergillus)、鏈格孢屬(Alternaria)、根霉屬(Rhizopus)、短梗霉屬(Aureobasidium)、鐮刀菌屬(Fusarium)、踝節(jié)菌屬(Talaromyces)、小菌核菌屬(Sclerotium)、酵母菌屬(Saccharomyces)和菌根菌(Arbuscularmy)。

具有解磷作用的放線菌主要是鏈霉菌屬(Streptomyces)，雖然鏈霉菌屬放線菌解磷作用相對較差，但由于其獨特的防病功能，使其具有較好的應(yīng)用前景[26-27]。

3 解磷微生物作用機制

解磷菌解磷功能的強弱除了與自身基因相關(guān)外，還與外界條件相關(guān)。解磷菌在生長過程中向外分泌各種小分子酸類物質(zhì)、質(zhì)子、多糖、酶等分解難溶性磷，而解磷菌向外分泌這些物質(zhì)的多少，受解磷菌與環(huán)境條件互作的影響，如溫度、土壤含水量、不同的碳、氮、磷源等營養(yǎng)供給等，環(huán)境條件在影響解磷菌分泌物的同時，也受解磷菌分泌物的影響而有所改變。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(dǎo)致含磷礦物的溶解。

3.1 酸解

3.2 磷酸酶的作用

解磷菌通過分泌磷酸酶分解有機磷酸酯，磷酸酶還能礦化有機磷酸鹽，使其成為植物可吸收利用的可溶性磷。鐘傳青[38]研究發(fā)現(xiàn)，解磷菌溶磷過程是通過有機酸和磷酸酶的協(xié)同作用完成的，其中巨大芽胞桿菌和青霉菌發(fā)酵過程中能夠產(chǎn)生分解植酸鈣的酶，增加發(fā)酵液中有效磷含量。李文紅等[39]篩選出的具有分解無機磷和有機磷功能的解磷菌，其主要解磷機制是菌體代謝產(chǎn)生磷酸酶的作用。

3.3 環(huán)境pH值變化

3.4 其他作用

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，磷酸鹽的降解是多種降解機制的綜合作用，解磷菌在以難溶性磷酸鹽為唯一磷源的培養(yǎng)基上生長繁殖時，其呼吸和代謝因土壤或介質(zhì)條件的差異而表現(xiàn)出不同解磷機制。有研究發(fā)現(xiàn)，解磷菌通過解磷作用所釋放的磷很少，主要作用是其分泌的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)促進(jìn)了作物生長的結(jié)果，如根毛數(shù)量和長度、須根數(shù)量、表面積、生物量比以及比根長等，或者是菌株具有解磷和促進(jìn)生長的雙重效果[42-44]；解磷菌的使用顯著提高了根際微生物數(shù)量、種類，增加了土壤微生物多樣性，改善了土壤微生態(tài)條件，由此增加了土壤中有效磷含量。有些解磷菌在降解動植物殘體過程中，形成腐殖酸類物質(zhì)，該類物質(zhì)能與難溶性磷酸鹽中的鈣、鐵、鎂等螯合，從而釋放出磷酸根。

4 解磷微生物菌劑研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

Kang等[44]研究發(fā)現(xiàn)，接種Penicilliumsp.能提高玉米產(chǎn)量，接菌處理的玉米株高增加1.4倍，根長增加1.2倍，干質(zhì)量提高5.2～8.1倍。朱培淼等[45]使用NBRIP液體搖瓶篩選出兩株假單胞菌屬解磷菌，兩株解磷菌對磷酸三鈣[Ca3(PO4)2]的降解率是空白對照的10.5倍；田間試驗結(jié)果表明，接種假單胞菌處理的玉米株高、莖粗和干質(zhì)量顯著高于空白對照處理。王奎萍等[46]篩選得到134株具有解磷、固氮和產(chǎn)吲哚乙酸菌株,溫室試驗結(jié)果表明，三種處理對辣椒植株的干質(zhì)量分別增加了10.24%、9.13%和8.60%。蔣欣梅等[47]研究發(fā)現(xiàn)，“紫京城茄”的株高、莖粗、產(chǎn)量等均隨解磷菌肥施用量的增加而顯著增加。徐文鳳等[48]盆栽試驗結(jié)果表明，將1%～2%的解磷真菌PFK-1與硝基肥復(fù)配處理能明顯增加油菜的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，同時增加土壤中有效磷含量。邢芳芳等[49]研究發(fā)現(xiàn)，解磷真菌PSFK具有很強的降解無機磷酸鹽能力，且能顯著提高雞毛菜的生物量和葉片數(shù)量。何雪香等[50]通過秋茄盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，從紅樹林地區(qū)篩選得到的部分解磷菌和固氮菌使秋茄株高和生物量明顯增加，其中一株解磷菌He4#比國外引進(jìn)的地衣芽胞桿菌(Bacilluslichenciformis)的促生效果更明顯。閆小梅等[51]盆栽試驗結(jié)果表明，接種菌株熒光假單胞菌(Pseudomonasfluorescens)Y1的花生根長、根表面積、根直徑分別比對照增加159.0%、133.0%、18.9%，植株對氮、磷、鉀的吸收量分別比對照高73.6%、26.6%、41.0%，差異均達(dá)顯著水平。馮健等[52]在設(shè)施黃瓜栽培中使用解磷菌，結(jié)果表明，有秸稈存在的情況下，能明顯促進(jìn)黃瓜秧苗吸收鈣、鎂、銅，與對照相比，吸收量分別增加6.26%、8.25%、11.57%。胡倡等[53]使用解磷菌 HZP1或PS-1均有促進(jìn)紫云英和大豆生長作用，將兩株解磷細(xì)菌分別與根瘤菌混合接種，能進(jìn)一步提高大豆和紫云英的地上生物量、根瘤鮮質(zhì)量和根瘤數(shù)。

5 展 望

耕地土壤中磷素含量普遍不高,再加上土壤中對磷素的固定作用，導(dǎo)致磷肥利用效率較低。解磷菌具有提高土壤有效磷含量、減少磷肥使用量及促進(jìn)植物生長的作用，目前成為研究的熱點，但解磷菌的研究及應(yīng)用仍然存在很多問題：①目前篩選解磷菌使用的植物種類還很少，多數(shù)具有解磷功能的菌種還沒有篩選出來；②解磷菌培養(yǎng)工藝還不夠完善，每一個菌種都有其獨特的生產(chǎn)工藝，如何發(fā)揮其最佳使用效果的生產(chǎn)工藝有待研究；③解磷菌單獨使用效果有限，與其他有益菌復(fù)合使用可能發(fā)揮其效應(yīng)；④解磷菌轉(zhuǎn)代次數(shù)越多、保藏時間越長，其解磷效果會降低，如何穩(wěn)定解磷功效有待研究；⑤提高解磷菌使用效果的關(guān)鍵是解除土壤抑菌效應(yīng)，目前對提高解磷菌在土壤中定殖能力研究很少。

隨著解磷菌研究的深入，解磷菌部分替代磷肥將成為現(xiàn)實，在提高磷肥利用率及作物產(chǎn)量的同時，改善土壤環(huán)境、減少磷素對土壤及河流污染，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加可持續(xù)發(fā)展。