[科普中国]-解磷菌

简介

人们在20世纪初开始注意到微生物与土壤磷之间的关系。Sackett（1908年）发现一些难溶性的复合物施入土壤中，可以被作为磷源而应用，他们从土壤中筛选出50株细菌，其中36株在平板上形成了肉眼可见的溶磷圈。1948年Gerretsen发现植物施入不溶性的磷肥，经接种土壤微生物后，促进了植株的生长，增加磷的吸收。他分离出了这些微生物，发现这些微生物可帮助磷矿粉的溶解。从此，许多科学家致力于解磷菌的研究，相继报道了许多微生物具有解磷作用。2

种类具有解磷作用的微生物种类很多，也比较复杂。有人根据解磷菌分解底物的不同将它们划分为能够溶解有机磷的有机磷微生物和能够溶解无机磷的无机磷微生物，实际上很难将它们区分开来。报道具有解磷作用的微生物解磷细菌类有芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞杆菌（Pseudomonas）、欧文氏菌（Erwinia）、土壤杆菌（Agrobacterium）、沙雷氏菌（Serratia）、黄杆菌（Flavobacterium）、肠细菌（Enterbacter）、微球菌（Micrococcus）、固氮菌（Azotobacter）、根瘤菌（Bradyrhizobium）、沙门氏菌（Salmonella）、色杆菌（Clromobacterium）、产碱菌（Alcaligenes）、节细菌（Arthrobacter）、硫杆菌（Thiobacillus）、埃希氏菌（Escherichia）；解磷真菌类有青霉菌（Penicillium）、曲霉菌（Aspergillus）、根霉（Rhizopus）、镰刀菌（Fusarium）、小菌核菌（Sclerotium）；放线菌有链霉菌（Streptomyces）；AM菌根菌。1

数量解磷菌在土壤中的数量及生态分布，受土壤质地、有机质含量、土壤类型、耕作栽培方式的影响。尹瑞玲（1988年）对我国旱地土壤溶磷微生物的研究表明，溶磷微生物平均约为10 CFU/g土，占整个土壤微生物的27.1%~82.1%。其中以细菌所占比例最大。溶磷微生物数量因土壤而异，黑钙土>黄棕壤>白土>红壤>砖红壤>瓦碱土。在黑钙土中解磷菌以芽孢杆菌和假单胞杆菌为主，而黄棕壤和红壤中的解磷菌种类繁多。林启美（2000年）等调查农田、林地、草地和菜地等4种不同土壤生态环境中解磷菌数量和种群结构时，发现前3种土壤中的有机磷细菌只有菜地土壤的1/10，但农田土壤中解磷细菌的总数所占比例并不低。耕地土壤有机解磷菌主要是芽孢杆菌属，林地和菜地则主要是假单胞杆菌属；无机磷细菌种类比较少。罗明（2001年）等人研究了不同施肥措施对新疆地区棉田土壤磷细菌的影响结果表明，有机肥与N、P、K化肥合理的配施能有效促进磷细菌的生长繁殖。化肥中以氮肥的促进作用最为显著。Kucey（1983年）则报道土壤中解磷菌的数量只占土壤微生物总数的0.1%~0.5%，远远低于我国的报道。3

生态分布解磷菌在植物根圈不同区域的数量分布表现出强烈的根际效应。即根际土壤的数量要比非根际高的多。Katz

nelson(1962年)对从小麦根圈解磷细菌的分布研究表明，从根面上分离的磷细菌的数量要比非根际土和根际土区高18倍和6倍。林启美和赵小蓉研究结果也表明小麦和玉米根际土壤解磷菌数量要比非根际高1~2个数量级。解磷菌表现出的强根际效应可能与根圈磷素营养亏缺诱导有关，但由于根圈微生物的群落结构受根系分泌物及根脱落物的影响，导致不同植物根圈微生物的组成差别很大，这种作用也影响解磷菌的群落组成。Sundara Rao 和Sinha（1963年）发现小麦根际解磷菌主要为芽孢杆菌和埃希氏菌属；Elliott（1987年）报道春小麦根际解磷菌主要是芽孢杆菌、假单胞杆菌和链霉菌；赵小蓉报道夏玉米收获时期根际有机磷细菌主要是假单胞杆菌和黄杆菌属，无机磷主要是欧文氏菌属；Paul和Sundara Rao（1971年）发现豆科植物根际解磷菌主要是芽孢杆菌。1

解磷作用及机理测定微生物是否具有解磷能力一般有3种方法，一是平板法，即将解磷菌在含有难溶性磷酸盐或有机磷的固体培养基上培养，测定菌落周围产生溶磷圈的大小；二是液体培养法，测定培养液中可溶性磷的含量；三是土壤培养，测定土壤中有效磷含量。

继Gerretsen之后，Sperber对细菌解磷进行了深入的研究。Sperber从土壤中分离出291株细菌，其中184株能够生长在含有难溶性磷酸盐的平板上，84株在菌落周围产生1~10 mm的溶磷圈。尹瑞玲（1988年）测定了从土壤中分离出的265株细菌溶解摩纳哥磷矿粉能力，发现培养6 d（28 ℃）后，溶磷能力平均为2~30 mg/g，其中44株巨大芽孢杆菌、节杆菌、黄杆菌欧文氏菌及假单胞杆菌解磷最强，达25~30 mg/g。Sundara Rao等（1963年）利用磷酸三钙作为磷源，经14 d的液体培养后，发现几株芽孢杆菌解磷能力达70.52~156.80 mg/ml。Paul和Sundara Rao测定从豆科植物根际分离出来的几株芽孢杆菌溶解磷酸三钙的效率高达18%，其中解磷能力最强的是巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）。Molla和Chowdhury（1984年）也报道了不同的解磷菌株之间在解磷能力上的差异。另外，林启美和赵小蓉（2001年）将纤维素分解菌康氏木霉W9803Fn（Trichoderma konigii）、产黄纤维单胞菌W9801Bn（Cellulomonas flavigena）与无机磷细菌2VCP1共培养时发现，纤维素分解菌的分解作用，为无机磷细菌生长繁殖提供碳源，提高了无机磷溶解磷矿粉的能力。边武英（2000年）等人研究了高效解磷菌（PEM）对针铁矿-磷复合体吸附磷的活化作用，结果表明PEM能有效地利用矿物吸附磷，微生物利用率和转化率分别达到57.5%和61.7%，均明显高于一般土壤微生物。

解磷真菌在数量上远不如解磷细菌多，其种类也少，主要局限于青霉（Penicillium）、曲霉（Aspergillus）、镰刀菌（Fusarium）、小丝核菌（Sclerotium）等几个属种。由于青霉和曲霉在解磷真菌中占绝对优势，故对这两个属真菌的解磷作用及应用效果研究报道的较多。Kucey（1989年）从草原土中分离的解磷真菌大多为青霉和曲霉，并证明虽然解磷真菌的种类不多，但其解磷能力通常比细菌强。许多解磷细菌在传代培养后会丧失解磷动能，而且一旦丧失就不能再恢复，而解磷真菌遗传较稳定，一般不易失去解磷功能。Kucey（1987年）、Asea（1988年）、Cerezine(1988年)、Nahas (1990年)、王富民（1992年）和范丙全（2002年）对青霉菌（Penicillium bilaii，P. oxalicum）或曲霉菌（Aspergillus niger）解磷作用都进行了详细地研究报道。

解磷菌的解磷机制因不同的菌株而有所不同，有机磷微生物在土壤缺磷的情况下，向外分泌植酸酶、核酸酶和磷酸酶等，水解有机磷，转化为无机磷酸盐。无机磷微生物的解磷机制一般认为与微生物产生有机酸有关，这些有机酸能够降低pH值，与铁、铝、钙、镁等离子结合，从而使难溶性的磷酸盐溶解。Sperber（1957年）鉴定了解磷细菌可产生乳酸、羟基乙酸、延胡索酸和琥珀酸等有机酸。Louw和Webly（1959年）则认为微生物产生的乳酸和α-酮基葡萄糖酸是溶解磷酸盐的有效溶剂。林启美等也发现细菌可以产生多种有机酸，且不同菌株之间差别很大。赵小蓉等的研究表明，微生物的解磷量与培养液中pH存在一定的相关性（r =-0.732），但同时也发现培养介质pH值的下降，并不是解磷的必要条件，表明不同的有机酸对铁、铝、钙、镁等离子的螯合能力有差异。Rajan（1981年）等报道将磷矿粉、硫颗粒和一种硫氧化细菌混用，通过硫氧化细菌的作用使硫颗粒氧化成硫酸，溶解磷矿粉。

大量研究报道真菌的解磷作用与产生有机酸有关。王富民（1992年）等人对黑曲霉（Aspergillus niger）的研究表明，该菌在发酵过程中产生草酸、柠檬酸等多种有机酸。James（1992年）研究了Penicillium bilaii溶解磷酸钙的机制，结果证明Penicillium bilaii在培养过程中主要产生草酸和柠檬酸，且氮缺乏有利于柠檬酸产生，碳缺乏有利于草酸产生。范丙全等(2002年)对溶磷草酸青霉菌(Penicillium oxalium)溶磷效果研究表明，氮源影响草酸青霉菌产生有机酸的种类，使用氨态氮时主要分泌苹果酸、乙酸、丙酸、柠檬酸、琥珀酸，而在硝态氮条件下几乎不产生这些有机酸，可见氮源的不同影响了有机酸的代谢方向，并且同一种菌的解磷机理可能不只一种。另外，一些解磷菌导致培养介质酸度的提高与产生的有机酸无关，不产有机酸的微生物也具有解磷的作用，究其机制可能与呼吸作用产生碳酸和NH4/ H交换机制有关。研究证明微生物在摄取阳离子（如NH4）的过程中，利用ATP转换时所产生的能量，将H释放在细胞表面，有利于有机磷的溶解，如Penicillium effuscum。对AM（Arbuscular Mycorrhiza）菌根菌促进植物磷养分的吸收，促进作物生长，增加植株磷素浓度，改善植物的磷营养方面报道较多。宋勇春（2001年）在缺磷土壤中施用植酸和卵磷脂时，接种几种菌根真菌（Glomus mosseae，G. versiformea, Gigaspora margarita），对根际土壤测定表明，菌根菌增加了土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性；促进了土壤难溶性有机磷有效化及玉米和红三叶草对磷的吸收。Arihara等（2000年）对AM菌根与玉米生长关系的研究表明，即使在播种前土壤中有效性磷浓度相同（土壤），玉米产量与AM菌根菌定植率成正相关，R=0.80。AM菌根菌促进了植物对磷的吸收的机制主要为（1）菌根增加了植物根系吸收磷的表面，使植物可以吸收原来无法利用的磷源，并使之转化、输送给寄主植物；（2）菌根改变植物的生长状态，促进根际酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性提高；（3）菌根扩大了根圈范围，也就扩大了磷的消耗圈。1

解磷菌制剂及应用前苏联孟基娜（1935年）从土壤中分离一种解磷巨大芽孢杆菌（B. megaterium var. phosphaticum）能分解核酸和卵磷脂，并于1947年大量生产使用，接种土壤中能提高土壤有效磷含量。我国对解磷菌的研究始于1950年，前东北农科所于1950年从东北黑土和灰化土中分离出能分解有机磷的巨大芽孢杆菌。同年，中国科学院前林业土壤研究所从东北黑土中分离出一种假单胞菌（Pseudomonas spp.）也具有分解核酸和卵磷脂的能力。东北农科所将巨大芽孢杆菌制成菌剂在黑钙土和非黑钙土上施用，不同的作物增产幅度不同，平均增产黑钙土为13.5%，非黑钙土为11.7%。20世纪80年代以后，国内许多单位相继开发出了有多种芽孢杆菌组成的复合解磷菌制剂，但由于解磷细菌的遗传稳定性差，这些菌剂在生产上使用的效果并不理想。黑曲霉是一种解磷效果非常好的菌株，但由于它是多种植物的病原微生物，在土壤中大量存在，可导致种子霉烂和根系腐烂，故该菌株不宜作为解磷菌剂在土壤中直接应用。Penicillium bilaii是另外一种解磷效果很好的土壤真菌，大量的研究表明，用P. bilaii种子处理或土壤接种提高了土壤中有效磷含量，促进了多种作物磷吸收量增加和产量的提高。Gulden和Vessey （2000年）在3种磷素水平下接种P. bilaii，对在生长袋中生长的豌豆研究结果表明，接种处理增加根毛量22%，增加根毛长度33%。Vessey和Heisinger（2001年）在加拿大的两个地区用P. bilaii接种豌豆对其根形态、根长以及根和茎的参数的研究也证明接种处理提高根长48%，根重提高13%，茎部磷含量相对于无磷处理增加13%。另外还有文献报道接种P. bilaii还具有一定的后效。解磷菌施入土壤后解磷作用的发挥与土壤中碳素的供给关系密切。简宜裕等（1994年）所作的解磷菌施入土壤在土壤中存活及对土壤有效磷影响的研究表明，解磷菌必须和玉米粒配合使用，才能显著增加土壤有效磷含量。单独增施玉米粒于土壤中虽然也可以增加土壤有效磷含量，但不如解磷菌和玉米粒同时施入土壤的效果好，土壤中碳源的增加，有利于解磷菌的生存和繁殖。可见解磷菌与纤维素分解菌配合施用，可能更有利于提高解磷菌的解磷效果。另外还有报道解磷菌与根瘤菌或菌根菌配合应用，对发挥解磷功能和提高农作物的产量都具有很好的作用。1

研究意义和展望磷是植物生长发育的重要物质基础，作物吸收磷量与其生物量（r =0.97）和产量（r =0.75）呈显著的正相关。然而由于磷固定的存在使得土壤缺磷在世界范围内广泛存在，磷供给不足是世界农业生产中最重要的限制因素之一。从我国情况来看，全国有74%耕地土壤缺磷，解决这一问题不外乎两条途径：一是增加磷源投入，二是提高难溶性磷的利用率。从农业的可持续发展来看，第一条途径存在一定的问题，首先，磷是一个不可再生资源，根据已探明的磷矿储量和开采速度，世界现有磷矿资源只能维持100年左右，而且我国磷矿资源并不丰富，且品位较低，大量的磷肥依赖进口。其次，磷肥生产需要大量的硫酸或磷酸，能源消耗大，增加了农业生产的成本。再次，高水溶性磷肥施入固磷强的石灰性土壤中，作物的当季利用率一般只有5%~10%，加上作物的后效，也不超过25%。因此，大部分磷肥作为无效态（难溶态）在土壤中积累。据报道，至少有70%~90%的磷进入土壤而成为难以被作物吸收利用的固定形态（鲁如坤，1995年）。在这些土壤中，土壤有效磷含量很低而全磷含量较高，如据黄土高原7省区的调查，土壤全磷平均较有效磷高250倍；黄淮海平原黄潮土与风沙土全磷较有效磷高130~500倍（李振生，1992年）。我国自20世纪50年代施用化学磷肥以来，储存累积在土壤中的难溶性磷高达6000万 t，超过全国磷肥10年消费量的总和。而第二条途径的潜力则很大，它是对土壤中磷及所施入的磷肥进行活化提高其有效性，走低投入高产出的可持续发展之路。第二条途径包括三方面的内容：一是发挥植物的自身潜力，通过育种技术的创新，定向地筛选培育磷高效植物品种来开发利用土壤难溶性磷素资源，这方面研究已成为世界许多科学家研究的热点；二是在研究磷在土壤中的形态分布特征和作物吸磷特性的基础上，通过改进磷肥的施用技术等方式提高磷的潜在有效性；三是从土壤中筛选高效解磷微生物，研制成解磷菌剂拌种或直接施入土壤，将土壤中难溶性磷活化出来。可见解磷菌的研究对发展持续高效农业具有深远的战略意义。1