土壤中磷、钾、硅、硅三元素的有机转化与利用

土壤中磷、钾、硅、硅三元素的有机转化与利用

20世纪30年代，前苏联科学家亚历山大普罗从土壤中分离并释放可分解的正长石和磷灰石，并将其称为磷酸细菌。在中国，它也被称为钾细菌。分类主要包括环磷细菌、细菌菌、假单胞菌和多粘菌。我国地域辽阔,土壤类型众多,包括黑土、褐土、黄土、红土和紫色土等。这些土壤中均含有丰富的磷、钾元素,它们多以稳定的铝硅酸盐和磷灰石状态存在,不能被作物直接利用,需要转化成“可给态”才能利用,硅酸盐细菌是土壤中一类特殊的细菌,它们能分解仅仅由硅酸盐和铝硅酸盐组成的岩石矿物,不仅具有溶磷、解钾等作用,亦有固氮能力。因此硅酸盐细菌是一类具有使矿物质形式的磷、钾元素转化成可给态的重要土壤改良微生物。本研究针对硅酸盐细菌的分布、研究方法、应用等方面对国内外硅酸盐细菌的研究概况作一简要综述。1土壤类型及立地条件对土壤中聚合物细菌群落的影响在自然界中天然存在着一类能够分解硅酸盐类并释放可溶性钾到土壤中为植物所利用的微生物,这类微生物被称为硅酸盐细菌。硅酸盐细菌对营养条件要求不高,世界各地分布十分广泛。欧亚大陆山地土壤占1/3,灰化土和荒漠土分别占16%和15%,黑钙土和栗钙土占13%。地带性土壤沿纬度水平分布由北至南依次为:冰沼土、灰化土、灰色森林土、黑钙土、栗钙土、棕钙土、荒漠土、高寒土、红壤、砖红壤。俄罗斯是欧亚大陆的重要组成部分,土壤类型以黑钙土为主,其中含有丰富的有机质、矿物质,这类土壤中栖息的微生物种群繁多,最早的硅酸盐细菌就是由原苏联学者亚历山大洛夫从俄罗斯的土壤中分离得到的。我国是亚洲大陆的重要组成部分,地形复杂,土壤类型较多,沿纬度水平由北至南依次为:黑壤、黄壤、红壤,土壤类型的多样性造成了微生物种群的多样性。土壤中硅酸盐细菌的种群和数量不但与土壤类型有关,而且与土壤中的有机质、全氮、pH等因素有关。盛下放从江苏南京黄棕壤、安徽庐江黄棕壤、广西都安水稻土中都分离出了硅酸盐细菌,主要是环状芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和多粘芽孢杆菌,其中江苏南京黄棕壤分离出的硅酸盐细菌总数达1.21×107(个/g干土),是后二者硅酸盐细菌总数的2～3倍,进一步的分析表明江苏南京黄棕壤有机质含量最高达20.35g/kg,广西都安水稻土全氮含量最高达1.86g/kg,三地土壤都呈酸性或微酸性,因此土壤类型及有机质、全氮、pH等因素的差异会导致分离出的硅酸盐细菌在种群和数量上有所差异,但无论哪种类型的土壤中分离到的硅酸盐细菌均以芽孢杆菌属的分布最广。北美洲与欧亚大陆的土壤类型不同,前者以灰化土为主,约占23%,其西半部(灰化土带以南,W95°以西,不包括太平洋沿岸地带)由东而西的土壤类型依次为:湿草原土、黑钙土、栗钙土、荒漠土;而在东部因南北走向的山体不高,土壤又表现出纬度地带性分布,由北至南依次为:冰沼土、灰化土、棕壤、红壤、黄壤。CAMARGO等从美国加利福尼亚州的土壤中也分离得到了解钾、溶磷的芽孢杆菌。由此可以看出硅酸盐细菌的分布并不完全受地域的限制,由于南北半球土壤类型存在许多相似性,可以肯定在南半球的土壤中也存在硅酸盐细菌,但这方面的报道较少。因此,硅酸盐细菌普遍存在于包括黑钙土、褐土、棕壤、黄壤、红壤等众多类型的土壤中,但不同土壤栖息的硅酸盐细菌无论在在种群还是在数量方面均有所差异,但均以芽孢杆菌属为主,而且呈微酸性或酸性的土壤更易于硅酸盐细菌的栖息和分离。2土壤中硅细菌的研究方法2.1不同植物生长性状的比较自亚历山大洛夫发现硅酸盐细菌以来,其分离、纯化方法一直是研究的重点。不同的硅酸盐细菌在不同的选择性培养基上具有不同的菌落形态,其中李明等对硅酸盐细菌在几种不同的培养基上菌落生长特征做了比较,如表1所示。大部分从土壤中分离得到的硅酸盐细菌一般具有如下形态特征:呈短杆状,长3.5～5μm,宽0.6～0.8μm,革兰染色阳性,有芽孢,且芽孢为椭圆形,包囊膨大,一至多层肥厚荚膜。荚膜的产生、大小、层数与培养中的营养成分有密切关系,营养丰富时,不形成荚膜或荚膜较小,反之荚膜大而肥厚,层数增多,荚膜的有无则是鉴别硅酸盐细菌的重要形态特征,在硅酸盐细菌培养基平板上菌落多为圆形,表面光滑湿润,边缘整齐,粘稠透明,富有弹性,可拉成丝。2.2酸盐和铵盐生理生化特征是微生物鉴定的基础,硅酸盐细菌也不例外,研究发现土壤中分离得到的硅酸盐细菌能够很好利用葡萄糖、麦芽糖、甘露醇和淀粉为碳源,以硝酸盐和铵盐作为为良好氮源,且能在无氮培养基上生长;除此之外,研究还发现它们都具有水解明胶、还原硝酸盐、使淀粉水解等特征,M.R、过氧化氢酶试验均为阳性,不产生吲哚,V.P反应为阴性。与16SrDNA测序鉴定相比,生理生化鉴定具有成本低、操作简单、不费时等特点,虽然16SrDNA测序鉴定方法已成为鉴定微生物的主要方法,但对于硅酸盐细菌由于其特殊的代谢过程对其功能影响巨大,因此生理生化的鉴定是必不可少的一个环节。2.3其他聚合物类物质硅酸盐细菌的溶磷、解钾能力与它的代谢产物有着密切关系。其重要的与硅酸盐分解有关的代谢产物主要有三大类:多糖、有机酸和氨基酸类物质。第一为多糖:硅酸盐细菌的发酵液中多糖的测定一般采用红外光谱仪分析法进行测定。目前已经清楚,硅酸盐细菌可以合成葡萄糖、阿拉伯糖、木糖、甘露醇、蔗糖、果糖、乳糖、麦芽糖、棉子糖、山梨醇和肌醇等多种糖醇类物质。研究发现硅酸盐细菌发酵产生的多糖官能团-COOH能有效络合金属离子,从而使发酵液中的K+含量增加。MALINOSKAYA等认为硅酸细菌的解钾作用,不但与硅酸盐细菌发酵产生的某些低分子量酸性代谢产物(乙酸、乳酸等)等有关,也与该菌产生的胞外多糖有关。第二为有机酸:分泌有机酸是许多微生物代谢活动常见的现象,有机酸的释钾作用主要是依靠有机溶液中解离的H+和有螯合能力的有机配位体作用的结果。席琳乔等研究表明在硅酸盐细菌的发酵液中均可检测到4种有机酸:草酸、乙酸、酒石酸和柠檬酸。在这些有机酸中,邻位带羟基和羧基的小分子有机酸很容易与矿物结构中的金属离子形成金属-有机复合体,从而加速矿物的分解。而H+的作用,一方面依靠酸溶作用促进了难溶性矿物的溶解,另一方面由于水合氢离子的大小与钾离子相似,可以取代矿物晶格中的钾,而使K+释出。具有溶磷能力的有些硅酸盐细菌能大量产生乳酸、羟基乙酸、草酸、延胡索酸、琥珀酸和柠檬酸等有机酸,使土壤中难溶性的磷酸盐得到溶解;而羟基乙酸中的氢氧根离子能与钙离子形成螯合物,从而磷酸钙中的磷得到有效释放。第三为氨基酸类物质:硅酸盐细菌可以合成各类型的氨基酸,包括酸性氨基酸、碱性氨基酸、中性氨基酸。目前可以进行定性、定量分析的氨基酸主要有:赖氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸和谷氨酸。氨基酸中的-COOH和-NH2具有络合金属离子的作用,对土壤中的矿物同样具有一定的溶解性。有关硅酸盐细菌解钾、溶磷机理的研究较少,除了上面提到的三大产物外,也有研究表明pH值下降与溶磷、解钾呈正相关,但菌株的溶磷、解钾能力与pH降低的程度并不一致,说明菌株溶磷、解钾能力还应与其他因素有关,酸解应该不是硅酸盐细菌解钾的唯一途径,而是多方面因素综合影响的结果。3盐藻硅菌肥在施肥中的应用价值随着农村经济建设的飞速发展,化肥施用量越来越多,我国的化肥使用量已占全世界的35%,平均施用量达到368kg/hm2,大大超出发达国家为防止化肥对土壤和水体造成危害所设置的225kg/hm2的安全上限。化肥的大量使用会引起土壤酸度变化、降低土壤微生物活性、导致土壤板结、肥力下降。而硅酸盐细菌具有的解钾、溶磷、固氮作用能很好地维系土壤养分平衡,恢复土壤有机状态,因此如果很好地将硅酸盐菌肥进行深入的研究和广泛地应用必将会给世界施肥领域带来一次革命。下面将硅酸盐细菌在解钾、溶磷和固氮等方面的应用进行简要介绍。3.1不同类型农作物中聚合物菌肥的使用效果由于硅酸盐细菌具有解钾、溶磷的作用,国、内外学者对其作为生物肥料的应用开展研究,在ABOUEL以巨大芽孢杆菌制备的硅酸盐菌肥的溶磷、解钾实验中,其磷和钾的溶解率达到了117%和82%,在玉米田中施用该菌肥后,可使玉米对磷、钾的吸收率提高140%;虽然在同样的玉米地里施用化肥后可使玉米对磷、钾的吸收率达到204.5%,但化肥作用时间短,并且需要不断追肥,而硅酸盐细菌肥料作用时间长,一般可不再需要追肥。在不同磷、钾水平的土壤中施入硅酸盐菌肥,磷、钾的释放率也不同,CAROLYN等将假单胞菌肥施入磷水平不同的土壤中,研究发现它在低磷土壤中释磷率可达22%～33%,但在高磷土壤中作用效果不明显或无作用。吴洪生等在缺钾土壤中施入硅酸盐菌肥,发现土壤中速效钾可提高128.6%,但在含钾丰富的土壤中,作用效果不明显。在不同的农作物中施入硅酸盐菌肥,其作用效果也不同。北京世纪阿姆斯生物技术有限公司研制开发成功“阿姆斯”世纪生物肥料,在施入蔬菜、棉花农作物的田地中,发现蔬菜增产13%～21%、棉花增产28%。不同的硅酸盐菌肥对同一种农作物的增产效果也不同。在同样灭菌的土壤盆栽试验中,董昌金等发现对照组(无菌)番茄和油菜作物的产量不增加,复合菌剂组(PlKlNl)番茄和油菜的增产量分别达65.9%和68.4%,复合菌剂组(P2K2N2)番茄和油菜的增产量分别达36.1%和38.3%。以上研究说明硅酸盐菌肥能促进作物生长,增加产量,但不同菌株间差异较大,在应用硅酸盐菌肥的过程中,应注意选择高效菌株,才能得到较好的增产效果。硅酸盐细菌具有解钾、溶磷的作用,但在不同磷、钾水平土壤和不同农作物施入硅酸盐菌肥,其作用效果不同,因此应依据土壤和农作物的类型,有选择地使用硅酸盐菌肥。不同的硅酸盐菌肥对农作物的作用效果不同,应筛选高效菌株制作菌肥,才能使农作物的增产效果良好。在农田施入硅酸盐菌肥后,一般不需要追加施肥,但化学肥料通常需要追加施肥。一般而言,硅酸盐菌肥成本较化学肥料成本低50%以上。随着对硅酸盐菌肥的研究逐步深入,其应用将会越来越广泛。3.2土壤中硅酸细菌的利用绝大多数硅酸盐细菌不仅具有解钾、溶磷的作用,亦有固氮的能力。凯氏定氮法检测表明硅酸盐细菌每利用1g糖,可固定1～3mg氮。氮元素是农作物生长的必需元素。农田分别施入化学氮肥和硅酸盐菌肥后,化学氮肥的氮元素利用率为30%～41%,硅酸盐菌肥的氮元素利用率则为10.4%～57.9%。化学氮肥中含有重金属,施肥后易造成重金属污染,硅酸盐菌肥则具有利用率高、无污染等特点。有学者研究表明,硅酸盐细菌配合一定量的化肥施用,可以更好地发挥化肥的作用,进一步的研究表明:N、P、K的比例一般以1︰2︰2为好。虽然硅酸细菌具有提高农作物吸收氮元素的能力,但这方面的报道并不多。土壤中的硅酸盐细菌除了能把土壤中难溶的磷、钾解离出来以外,还能提高植物对氮元素的吸收,以供植物利用,促进植物生长。硅酸盐菌肥虽然在挖掘土壤潜在肥力、提高作物产量等方面具有明显的作用,但固氮效果不稳定,因此在应用的过程中,应注意选择高效稳定的固氮硅酸盐菌株,才能在硅酸盐菌肥应用方面取得良好的效果。4聚合物生物复合培养中的应用随着社会经济的发展,人们对健康食品的需求量必将与日俱增,硅酸盐细菌不仅可以增加土壤肥力、降低农作物生产成本、提高作物产量和品质,而且还对人体无害、对环境无二次污染。虽然硅酸盐细菌具有以上优点,但仍面临着作用范围有限、解钾、溶磷及固氮能力弱,起效周期长的缺点,因此高效、稳定的硅酸盐菌