微生物次級代謝產(chǎn)物及其在肥料中的應(yīng)用

馬志明，武 良,2,3，高璐陽,3

(1.新洋豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司 湖北荊門 448000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物專用肥料重點實驗室 北京 100193；3.山東新洋豐肥業(yè)有限公司 山東菏澤 274000)

化肥作為保障糧食安全的基礎(chǔ)物質(zhì)，極大地促進了糧食的生產(chǎn)，在改善土壤養(yǎng)分條件、提高作物經(jīng)濟產(chǎn)量、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用[1]。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的改革和推進，對肥料質(zhì)量的要求進一步提高，但目前仍存在施肥結(jié)構(gòu)不合理、施肥量偏多、肥料利用率較低和水體污染嚴重等問題[2-3]，制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在化肥使用量零增長的前提下，開發(fā)和應(yīng)用新型功能性肥料是保障我國糧食安全的有效措施之一。

微生物次級代謝產(chǎn)物在改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)等方面有重要作用[4]。利用不同活性微生物次級代謝產(chǎn)物與化學肥料進行復配，制備不同新型功能性肥料，應(yīng)用前景十分廣闊。本文綜述了微生物次級代謝產(chǎn)物概念、來源及其在肥料中的作用，探究微生物次級代謝產(chǎn)物與肥料復配和應(yīng)用的關(guān)鍵，并對新型肥料的發(fā)展前景進行展望，以期為新型功能性肥料的研究和應(yīng)用提供參考。

1 微生物次級代謝產(chǎn)物概況

1.1 微生物次級代謝產(chǎn)物的定義及特點

在微生物的代謝活動中，通常將微生物在一定生長時間內(nèi)，以初級代謝產(chǎn)物為前體，合成一些對當前生命活動無明確功能物質(zhì)的過程稱為微生物次級代謝，代謝合成的物質(zhì)稱為微生物次級代謝產(chǎn)物。

微生物次級代謝產(chǎn)物大多是分子結(jié)構(gòu)較復雜的化合物，因微生物和培養(yǎng)條件的不同，代謝產(chǎn)物也不盡相同。通常次級代謝產(chǎn)物是被分泌到細胞外，在與其他生物競爭的過程中起重要作用。但次級代謝產(chǎn)物不參與細胞結(jié)構(gòu)的組成，也不是酶活性所必需的，即使在某個環(huán)節(jié)發(fā)生障礙，也不會致使機體停止生長或死亡。微生物次級代謝產(chǎn)物被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品和醫(yī)療等領(lǐng)域，前景廣闊。

1.2 微生物次級代謝產(chǎn)物的來源

微生物種類多、分布廣，其次級代謝產(chǎn)物數(shù)量眾多，來源廣泛。與人類生活密切相關(guān)的次級代謝產(chǎn)物主要來源于細菌、真菌和放線菌等。部分微生物次級代謝產(chǎn)物來源及作用見表1[5]。

表1 部分微生物代謝產(chǎn)物來源及作用

1.2.1 細菌

細菌隨處可見，其生物量僅次于植物體總生物量[6]。細菌代謝產(chǎn)物具有結(jié)構(gòu)多樣性和廣譜活性，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)化和醫(yī)藥產(chǎn)品的制造。研究表明：細菌中芽孢桿菌屬產(chǎn)生的抗菌性代謝產(chǎn)物，如桿菌霉素、雙效菌素及抗霉菌枯草桿菌素等，被廣泛應(yīng)用于作物病害防治中[7]，γ-聚谷氨酸具有較強的抗逆促生作用，被廣泛應(yīng)用于新型肥料生產(chǎn)；假單胞菌屬產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，如2,4-二乙?；g苯三酚、硝吡咯菌素等，是目前被研究最多的細菌生物防治劑。

1.2.2 真菌

真菌具有生物多樣性，種類和數(shù)量眾多，目前已了解的真菌種類有9.7萬余種，但僅占其種類數(shù)量的6%。在真菌微生物次級代謝產(chǎn)物中，約50%是由絲狀真菌產(chǎn)生的[8]。研究表明，木霉菌、非致病性鐮刀菌和聚端孢霉等是少數(shù)能夠產(chǎn)生多種抗菌代謝產(chǎn)物的真菌屬。木霉菌能夠產(chǎn)生木霉素和殺病毒劑等抗生素次級代謝產(chǎn)物；厚垣鐮孢的次級代謝產(chǎn)物能夠有效抑制花生銹病病原菌的產(chǎn)生；粉紅聚端孢菌能夠產(chǎn)生大量抗病毒次生代謝產(chǎn)物和具有農(nóng)藥活性的抗生菌；單端孢菌素作為粉紅聚端孢菌的產(chǎn)物被廣泛用于棉籽枯萎病的防治[9]。

1.2.3 放線菌

對于微生物次級代謝產(chǎn)物的研究，大多數(shù)基于對放線菌的挖掘。放線菌能夠產(chǎn)生大量具有不同生物活性的次生代謝產(chǎn)物，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。放線菌次級代謝產(chǎn)物種類豐富，約占已報道的微生物活性物質(zhì)的50%，根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)，這些代謝產(chǎn)物可分為β-內(nèi)酰胺、糖肽、核苷、多肽和聚酮類等[10]。放線菌次級代謝產(chǎn)物的來源主要是鏈霉菌屬，具有抗菌、殺蟲、免疫抑制和激活等功效[11]。研究表明：放線菌能夠用于生產(chǎn)多種抗菌劑和抗真菌藥，如四環(huán)素、氯霉素和紅霉素等；除莠霉素是可用作生產(chǎn)除草劑的代謝產(chǎn)物[12]。

2 微生物次級代謝產(chǎn)物的作用

微生物次級代謝產(chǎn)物種類和數(shù)量眾多，不同代謝產(chǎn)物具有不同的作用，微生物次級代謝產(chǎn)物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要作用見圖1。

2.1 調(diào)節(jié)作物生長，增強作物抗逆性

微生物通過代謝活動產(chǎn)生的各種物質(zhì)能夠調(diào)節(jié)作物生長，提高作物對土壤旱澇、酸堿和有害金屬元素的耐受力，增強在脅迫條件下作物的存活率。研究表明：根際微生物產(chǎn)生的生長素、赤霉素等生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以刺激細胞分裂，促進植物生長[13]。部分假單胞菌產(chǎn)生的細胞分裂素可誘導植株生長，促進細胞分裂[14]。某些促生菌能夠調(diào)節(jié)細胞分裂素和脫落酸的平衡，延緩作物衰老[15]。利用微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的病原菌可提高作物抗病能力。研究還表明，鹽脅迫條件下，施用根瘤菌和施用氮肥的相同花生品種間氮肥利用率無明顯差異[16]。惡臭假單胞菌可提高鹽脅迫下棉花種子的萌發(fā)率，增加對Mg2+、K+、Ca2+的吸收，減少對Na+的吸收[17]。假單胞菌可提高水淹狀態(tài)下蘆筍的發(fā)芽率[18]。

2.2 改善土壤狀況，提高供養(yǎng)分能力

微生物代謝產(chǎn)物能夠改善土壤狀況，溶解土壤中難以直接利用的營養(yǎng)元素，提高土壤供給養(yǎng)分的能力。研究表明：微生物代謝產(chǎn)物可加快植物殘體的腐解速率，提高土壤通透性，增加土壤有機質(zhì)[19]。大量有益微生物還能夠釋放出糖類物質(zhì)與土壤礦物胚體結(jié)合，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)[20]。固氮菌能夠有效增加土壤氮素，促進作物對氮素的吸收利用，提高供氮能力。溶磷細菌和解鉀細菌能夠分泌多種有機酸，增強對土壤磷、鉀的溶解性，提高土壤中磷、鉀養(yǎng)分含量，滿足作物對磷、鉀養(yǎng)分的需求[21-22]。

2.3 促進氮磷鉀養(yǎng)分吸收

微生物代謝產(chǎn)物能夠通過固氮、溶磷、解鉀等方式，增強作物對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用。根瘤菌類、自生固氮菌和聯(lián)合固氮菌類能夠通過自身生命活動將空氣中的氮素固定，并將其轉(zhuǎn)化為植物可利用的氮源。研究表明，在小麥和玉米上應(yīng)用固氮菌肥，可增加玉米、小麥經(jīng)濟產(chǎn)量[23]。解磷菌可通過代謝過程分解有機磷化合物，產(chǎn)生有機酸和無機酸分解無機磷，進而提高植物對磷的利用效率。土壤中90%以上的鉀存在于硅酸鹽礦物中，難以被植物吸收利用。解鉀菌能夠分解土壤中難溶性礦物，將其轉(zhuǎn)化為易溶性物質(zhì)，以便于植物吸收鉀養(yǎng)分，其中以膠質(zhì)芽孢桿菌和多黏芽孢桿菌為主。

3 微生物次級代謝產(chǎn)物在肥料中的應(yīng)用

微生物通過自身生命活動產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復雜，依據(jù)代謝產(chǎn)物來源和種類的不同，主要被應(yīng)用于細菌肥料、放線菌肥料和真菌肥料。

3.1 細菌肥料

細菌肥料主要有根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌肥料、解鉀菌肥料和光合細菌肥料等。根瘤菌和固氮菌可利用固氮酶將空氣中的N2還原成NH3，被植物吸收利用。研究表明：大豆根瘤菌AWCS13-4具有耐酸、耐鹽等特點；褐球固氮菌可提高小麥、燕麥的氮固定[24-25]。解磷菌是一種根際促生菌，可將土壤難溶性磷轉(zhuǎn)化為易于植物吸收的形態(tài)。研究還表明，黃桿菌屬、假單胞菌屬、芽孢桿菌屬和微球菌屬代謝產(chǎn)物都具有良好的溶磷能力[26-27]。解鉀菌是能將土壤中難溶性鉀和硅轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锟晌招螒B(tài)的一類微生物。研究表明，芽孢桿菌屬C1和Y3等高效菌株，已被廣泛應(yīng)用于肥料行業(yè)[28]。林啟美等[29]分離出的解鉀菌株RGBC13能夠促進番茄生長，增加番茄對磷、鉀的吸收量。光合細菌對土壤培肥效果顯著，白紅娟等[30]的研究表明，光合細菌可抑制蔬菜從土壤中吸收Pd、Cd等元素，保證食品安全；曾益波等[31]的研究表明，光合細菌PSBO6可提高水稻種子活力，是一種高效浸種劑。

3.2 放線菌肥料

放線菌通常能夠產(chǎn)生抗逆性較強的孢子，并定殖于植物根部土壤，抑制多種植物病原菌，目前已發(fā)現(xiàn)的微生物次級代謝產(chǎn)物有70%來源于放線菌[32]。鏈霉菌是放線菌次級代謝產(chǎn)物的主要來源，研究表明，鏈霉菌S-101對病原菌有很好的拮抗作用，可抑制黃瓜尖鐮孢菌和草莓炭疽菌[33]；鏈霉菌HBERC-57169能夠有效防治蔬菜枯萎病、青枯病和根腐病的發(fā)生[34]。鏈霉菌AgN23可促使擬南芥葉片產(chǎn)生防御反應(yīng)，抵抗念珠菌感染[35]；密旋鏈霉菌AcBT12可促使堆肥酸度降低，增加有效磷、有效鉀和有機質(zhì)的含量[36]。婁徹氏鏈霉菌也是放線菌的一種，主要用于真菌病害的防治，如番茄青枯病、黃瓜枯萎病、水稻稻瘟病等[37-38]。

3.3 真菌肥料

真菌肥料主要包括菌根菌肥料、解磷菌肥料和真菌有機肥等。菌根菌可產(chǎn)生植物激素和其他抗生素，主要作為植物生長促進劑、生物防治劑或生物肥料接菌劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。解磷菌能夠提高土壤磷酸鈣的溶解性，其解磷能力一般強于細菌的。研究表明，高效解磷真菌C2′(草酸青霉菌屬)在代謝過程中產(chǎn)生的蘋果酸和酒石酸對溶磷起重要作用[39]。溶磷青霉菌株FC28、FC39和產(chǎn)黃青霉菌株P(guān)SM-1可增大磷酸三鈣的溶解量；溶磷菌株V1可提高土壤中有效磷的含量[40-42]。與解磷細菌相比，解磷真菌可始終保持解磷活力。

4 微生物代謝產(chǎn)物與肥料復配、應(yīng)用的關(guān)鍵

肥料中含有的微生物及代謝產(chǎn)物不同，肥料效果和作用機制也不同。在肥料實際生產(chǎn)和使用過程中，通常會因不同環(huán)境條件、施用方式等造成肥料效果差異，因此需提前根據(jù)作物、環(huán)境特點及肥料中微生物活性進行預試驗。在微生物代謝產(chǎn)物與肥料復配生產(chǎn)和應(yīng)用時，需要注意以下幾個方面。

(1)嚴格按照種植作物實際需求使用復配肥料產(chǎn)品。必須根據(jù)種植作物實際需求、土壤理化性質(zhì)和肥料特點選擇適合的肥料，避免因?qū)ξ锪咸攸c、效果不了解造成功能性肥料在生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)各種問題。

(2)嚴格依據(jù)肥料的施用方法、所需環(huán)境條件應(yīng)用復配肥料。微生物代謝產(chǎn)物是生物活性物質(zhì)，在適宜的水肥氣熱條件下才能發(fā)揮作用。肥料在使用前，需合理調(diào)節(jié)土壤pH至6.5～7.5，及時補充土壤水分，保持適宜的土壤濕度，避免與未腐熟的農(nóng)家肥和殺菌劑等共同使用。

(3)明確產(chǎn)品信息，配套使用肥料產(chǎn)品，開展適當?shù)霓r(nóng)化服務(wù)。肥料應(yīng)用過程中，需查看肥料有效期和肥料產(chǎn)品是否已登記，確保登記證信息與肥料產(chǎn)品一致，避免使用質(zhì)量無保障的肥料產(chǎn)品。相關(guān)肥料生產(chǎn)企業(yè)需為其經(jīng)營的產(chǎn)品開展農(nóng)化服務(wù)，說明產(chǎn)品應(yīng)用注意事項等配套信息，確保復配肥料的正確使用。

5 展望

目前新型肥料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，微生物功能性肥料因其特有的優(yōu)勢逐漸在肥料市場和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有席位，并具有廣闊的前景。但新型功能性肥料在新產(chǎn)品開發(fā)、農(nóng)業(yè)推廣和全面應(yīng)用方面仍存在許多問題：代謝產(chǎn)物分離提純難度大，與肥料結(jié)合不穩(wěn)定；肥料效果研究僅針對于增產(chǎn)原因分析和田間試驗驗證，對代謝產(chǎn)物作用機制、功能性肥料生產(chǎn)的工藝條件等探索較少；肥料種類較少，作用機理尚不明確，推廣應(yīng)用較緩慢等。為加強新型肥料的開發(fā)、應(yīng)用和推廣，建議采取以下措施。

(1)建立完全的市場化機制，統(tǒng)一微生物代謝產(chǎn)物培養(yǎng)和加工標準，加深對代謝產(chǎn)物生物學特性和作用機理的研究力度。

(2)加快研究成果與知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)化，肥料生產(chǎn)企業(yè)與相關(guān)高校院所展開合作，提升肥料新產(chǎn)品的研發(fā)力度。

(3)政府及相關(guān)行業(yè)機構(gòu)應(yīng)加強聯(lián)合宣傳和肥料應(yīng)用推廣示范，以促進新型肥料的合理利用。

新型功能性肥料的開發(fā)與應(yīng)用是改善和保障生態(tài)環(huán)境的重要措施，是我國糧食安全體系的基礎(chǔ)。隨著對新型功能性肥料的進一步深入研究、肥料標準的完善和人們對生態(tài)環(huán)境保護意識的增強，我國功能性肥料產(chǎn)業(yè)必將得到更快的發(fā)展，具有更加廣闊的市場前景。