生物复合菌肥的研制

生物复合菌肥的研制

随着我国经济的快速发展，特别是工业化和城市化的加剧，污染日益严重。据有关材料报道,农业生态环境每年正受到工业排放的368亿吨废水、1500万吨烟尘和大量固体废弃物的围困,这些污染物大部分来自城镇中小企业和乡(镇)企业。此外,由于长期施用化肥和上述污染物的影响,目前,遭受“三废”污染的面积已达1000万公顷以上,每年因此损失的粮食为120多亿公斤。过量施用化肥,造成水体和土壤的污染,致使土壤理化性质恶化,肥力降低。化肥污染已成为当今世界一大公害。为了保护生态环境和土壤的污染。1972年国际成立了有机农业运动联盟(IFOAM),以推动无公害健康食品的生产和监测。将全国第二次土壤普查资料与第一次对比发现:在全国1403个县的耕地中,土壤无障碍因素的耕地仅占耕地总面积的16.3%;土壤有机质低于0.6%的耕地占10.6%;59%左右的耕地缺钾;23%左右的耕地缺磷;12%的土壤板结。总之,由于过量使用化肥,施用有机肥相应减少,致使土壤肥力都不同程度的下降,对作物的产量、质量和食品的安全、人类的健康都有很大的影响。对发展“一优、两高”生态农业是个重要的障碍性因素。为了发展生态农业,开发生产“绿色食品”,在肥料方面,无论是发达国家,还是发展中国家,都提倡施用复合肥(含有机、无机复合肥)和生物复合肥料。肥料的产量、质量和应用效果,又标志着一个国家农业生产发展的水平。尤其是生物肥料在国际上称之为第三代化肥。本所研制的生物肥料是一种无污染、无副作用的多功能产品,此种肥料对发展生态农业具有重要作用。1物菌肥的加工生物复合菌肥的生产分为菌剂和载体两大系统。微生物部分主要有原种筛选、一级菌种培养和二级菌液扩培,生物菌肥采用复合菌种即钾细菌和固氮细菌。载体加工包括载体的选择和接种。载体的选择,依据微生物的生活习性和原料来源。按此原则选择泥炭和钾长石粉以及其他辅料等。经过对原料予处理,如风干、粉碎,按一定比例混合,并接入扩培液,湿度控制在20%~35%,通过质检、分装,即为成品,其生产工艺流程见图1所示。1.1初始筛选及其作用1.1.1芽孢杆菌生长特性原种从吉林、桦甸、敦化等地的农田采集玉米根系和根际土壤10余个样品。采用硅酸盐细菌的分离培养基等技术进行筛选,从中分离筛选出具有解钾能力的菌株,复筛出解钾能力最强,且产生多种生理活性物质的细菌,以此菌作为生物钾肥的生产菌株。菌体细胞为杆状,菌落呈圆形、半透明,革兰氏染色阴性,氧化酶阴性。以葡萄糖、阿拉伯糖和甘露醇等碳水化合物为碳源。上述生理生化性状和形态特征与芽孢杆菌属相符,故菌株应归属于芽孢杆菌属胨冻样芽孢杆菌,钾细菌亦称硅酸盐菌,具有转化土壤中无效钾、磷、硅等灰分元素的机能,可改善植物钾、磷等元素的营养水平。同时分泌多种生理活性物质,促进植物生长发育并有增强植株的抗寒、抗旱以及抵御病虫害等多种作用。1.1.2生物复合菌肥的制备原种从桦甸、敦化等地的玉米根系和根际土壤中采集的15个样品。采用固氮细菌的分离培养基等进行筛选,从中分离、纯化筛出具有固氮能力的菌株,复筛出固氮能力最强的细菌,以此菌作为生物复合菌肥的生产菌株。菌体细胞幼年为杆状,成长后变为圆形细胞常成对呈“8”字形,有时4个细胞联在一起或者形成菌胶团。其菌落特征产生非水溶性色素,在阿须贝琼脂培养基上生长的菌落由无色透明变为白色,逐步变为褐色或黑色,所以称为圆褐固氮菌。固氮菌的生理特点可利用分子态氮为氮源。它能利用的碳源很多,常用的有葡萄糖、蔗糖等,约每消耗1g碳水化合物可固氮10mg。1.2细菌培养和分离钾细菌和固氮菌均采用阿须贝培养基,即白糖10g、磷酸二氢钾0.2g等养分,最后加入定量的琼脂稀释到1000mL。除琼脂外,将上述各种营养成分溶于水中加热再缓缓加入琼脂,不断搅拌,待琼脂全部溶化后,分装至试管(或培养皿)。然后用棉花把试管塞严,再用防潮纸捆好,置于高压灭菌器内灭菌。将试管制成斜面,使之凝固。然后在无菌室内将钾钿菌和圆褐固氮菌分别接入试管(或培养皿)培养基上。在一定温度条件下,置于恒温培养箱内培养,分别观察两种细菌生长状况。钾细菌,在斜面上可看到粘稠的钾细菌菌苔,表面光滑凸起,粘而有弹性,似半个玻璃球扣在上面。用复红染色镜检时,可看到杆状菌和周围的荚膜。圆褐固氮细菌在斜面上可看到凸起半球形菌落,经一定时间培养在菌苔上呈现非水溶性褐色色素。1.3菌液的制备及检测二级扩培液在阿须贝营养成分基础上,做了适当调整,经扩培试验取得良好效果。将上述营养物质置于干净的容器中,用自来水稀释至10000mL,充分混匀再分装至500mL清洁的点滴瓶中,分别用带有防潮纸的棉塞捆好,置于高压灭菌器内灭菌,冷却后送到无菌室,分别接入钾细菌和圆褐固氮细菌,在一定的温度下进行扩培。在培养中钾细菌采用摇床培养,以满足对氧气的需求。菌液外观呈灰白或浅褐色,微酸味,下部呈胶团,其液比原液粘稠。经检测每种菌液其菌数20~25亿个细菌/毫升,杂菌数小于15%。该菌液亦称液体钾肥和氮肥,可直接用于蔬菜菜苗蘸根和基肥等。二级扩培菌在培养过程中,如发现菌液有异味,其下部不呈胶团,溶液浑浊,菌数减少,杂菌数增加。此种菌液不能作为生产菌液使用,否则影响菌肥质量。1.4选择合适的载体圆褐固氮菌和钾细菌,在pH值为6.5~7条件下易生长繁殖。按二者生活习性,对其载体要有良好的通气性,pH值近于中性,吸附能力强,对增加土壤有机质,提高土壤肥力,改善土壤理化性质均有一定的作用。此外,选择的载体要廉价、易得、减少运输,降低生产成本也是非常重要的。依据上述,载体主要有:泥炭和钾长石粉等。将泥炭和辅料等经预处理按一定比例混均匀,把二级扩培菌液分别接入载体再混均,水分控制在20%~35%,经质检合格、分装,即成品——生物复合菌肥。2有机碳肥料的原料及其生产条件的选择2.1矿物资源量和土壤养分含量泥炭:生物复合菌肥其载体以草本泥炭为主料,但不是所有的草本泥炭都符合要求。由于泥炭形成环境不同,其质量差异较大。为了确保菌肥的质量,我们选择了部分地区的草本泥炭进行了理化性质分析。分析结果见表1。由表1可以看出,敦化大桥草本泥炭灰分含量最低,有机质和腐植酸含量则最高。在此基础上,又对大桥泥炭进行了微量元素的分析。分析结果见表2。按表1、表2多项指标分析,选择了敦化大桥草本泥炭做为菌肥的载体。该地泥炭资源储量丰富,泥炭层厚度为1.5m左右,最厚可达2m以上。直接裸露地表,便于开采,为生物菌肥的开发提供了丰富原料。钾长石粉和磷矿粉是生产生物菌肥的辅料。我国土壤全钾平均含量为1.66%,但95%存在于钾长石和云母两种矿物中,土壤是在地壳风化成土母质上形成的。因此土壤是植物惟一钾源。据测算每亩(1亩=666.67m2,下同)耕层含钾量为1740kg,但大部分钾的存在形态呈矿物态钾和固定态钾,不能被植物吸收利用。仅有极少量的水溶性钾和代换性钾,才能被植物吸收利用。磷矿粉成分比较复杂,其中以磷酸三钙为主,仅有少部分溶于弱酸的有效磷能被植物吸收利用。其余大部分是难溶性的无效磷。两种矿石中存在的钾、磷等元素,大部分不能被植物利用。硅酸盐细菌具有分解释放有效性钾、磷等元素。所以,在载体中选择钾长石粉和磷矿粉,为菌肥施入土壤后,起着“离娘奶”的作用。2.2扩培温度和载体配比筛选在实验过程中,我们对硅酸盐细菌和圆褐固氮细菌的最适宜的培养温度、pH值、培养时间等进行了条件实验研究,其结果见表3。钾、氮两种细菌均属于中温型微生物,在20~35℃的范围内均可生长,但最适宜的培养温度为28~30℃温度,过高或过低对微生物生长、繁殖均有影响,因为微生物细胞的一切代谢活动与自身的酶系统有密切关系。温度过低影响细菌生物代谢缓慢;温度过高,降低酶的活性,影响细菌生长发育。钾细菌和固氮菌一级斜面培养和二级生产菌种扩培的培养时间过短,活菌数量相对减少;培养时间过长,虽可增加菌数,但菌种老化,影响其活力。钾、氮细菌在二级扩培中pH值在6.5~8之间皆可生长,但以pH值在6.5~7之间为最适宜。由于微生物代谢作用产生酸类物质,使pH值一般降低0.5~1个单位,因此配制二级扩培液时可将pH值调至7.2~7.8,细菌仍能正常生长。载体配比的优选,由泥炭和辅料组成不同配比的混合载体,分别接入定量钾、氮扩培菌液,然后分别测定其菌数,比较不同配比对菌肥质量的影响,最后选定“711”方案较为适宜。产品菌数每克可达1.5亿。菌肥批量生产工艺参数见表4。3产菌性能测试结果泥炭生物复合菌肥经10余次批量生产,产品质量经敦化市复合肥厂和吉林大学测试中心等单位测试结果:(1)外观呈暗褐色粉末、疏松、湿润;(2)活菌数≥1.5×108/g;杂菌数≤15%;(3)pH值6.5~7.0;(4)含水量20%~35%。4生物菌肥使用对水稻产量的影响泥炭生物复合肥料应用效果,从1992-1995年在吉林省长春、桦甸、东丰、敦化等地试验,示范约1000余亩。试验作物有玉米、水稻、大豆、小麦、黄瓜、白菜、萝卜等10余种。据试验得出:玉米增产9.5%~10.94%;水稻增产9.4%~16.7%;黄瓜增产28.5%~33.1%;白菜和萝卜增产20%~30%。试验结果概述如下。玉米是喜钾的高产作物,也是吉林省主要粮食作物之一。目前土壤有效钾不足是限制玉米提高单产的主要因素。1993年在桦甸北台子农业站试验结果表明,玉米应用生物菌肥拌种,二铵做底肥与对照相比,苗期叶色浓绿,拔节后植株增高且健壮,根系发达、根粗、次生根多,茎粗、抗倒伏。生物菌肥组比对照组亩增产58kg,增产率为10.5%,比氯化钾(或硫酸钾)组增产36.5kg,增产率为6.4%,因此施用生物菌肥是一项有效的经济增长措施。水稻是吉林省主要粮食作物之一,也是需钾较多的作物。经在长春和东丰两地试验结果表明:东丰试验点应用生物菌肥水稻秧苗蘸根,以二铵做底肥,尿素追肥。结果比对照组水稻增产52.8kg,增产率为9.4%;比氯化钾增产11kg,增产率为1.88%。长春试验点应用生物菌肥水稻秧苗蘸根盆栽试验,盆土肥力相同,其结果表明:从株高、植株(克/盆)和总重量(克/盆)泥炭菌肥组均优于对照组,总重量比对照组增加44(克/盆);比N、P、K组和1/2N、P、K菌肥组分别增加7(克/盆)和2.3(克/盆)。此外,玉米、小麦、大豆应用生物菌肥做基肥,各生育期的表现,均优于对照组,同样获得显著效果。黄瓜苗应用泥炭生物菌肥蘸根,移栽时按每亩施菌肥2kg与对照组相比,明显促进秧苗生长,植株健壮、叶片大且厚,叶与叶节间短、开花、座瓜早2~3天,以20株计增产4.65kg,增产率为33.1%;比生物菌肥底肥组增产0.65kg;增产率为3.6%。按河北农科院微生物研究所试验,生物菌肥用于黄瓜还提高了其品质,含糖量比对照组增20%,8种必须氨基酸比对照组增加8.94mg/100g,提高6.6%。白菜和萝卜示范试验在敦化市监狱。试验地土壤有机质含量低,质地粘重的岗地白浆土。该地从未种植过蔬菜,1995年应用生物有机—无机复合肥每亩施40kg和2kg菌肥,不追肥。试验结果表明,白菜连座期调查株高、叶宽和叶片数,比对照组株高增加3.47cm,叶宽增加13.54cm,叶片增加1.93片,白菜鲜重相差0.3kg。萝卜示范区其总重比对照区增重0.06kg,肉质根增重0.04kg。此外,在敦化官地镇农业技术推广站和林胜乡大甸子村等地还进行了玉米、水稻试验,均获得良好效果。5k等营养水平的研究农作物施用生物复合菌肥后,改变了植株N、P、K等营养水平,增强了作物体内氧化酶的活性,使氧的营养条件也得到了改善,加速土壤中物质的转化,促进作物生长发育,提高产量和改善其品质。5.1生物菌肥及其应用经试验分析,施用生物菌肥后,土壤中钾细菌菌数增加。我们在玉米地亩施菌肥2kg,经35天后取田间试验土样用平板稀释法测定钾细菌菌数,试验区为每克土1.1×105个,对照区为每克土5.2×104个,试验区比对照区增加一倍多。土壤中钾细菌数量增多,由于其生命活动,土壤中速效钾、磷的含量提高。从敦化市林胜大甸子取从上述可看出,施用生物菌肥不仅增加了土壤中速效磷、钾元素的含量,且增加了植株及籽粒氮、磷、钾的含量,三要素对植物的生长发育、产量的形成、品质的优劣起着重要作用。钾细菌还能分解土壤中硅酸盐矿物使其水溶性硅酸含量增加。水稻和小麦属含硅酸较高的作物,需硅也多。我们在水稻上施生物菌肥试验中取其植株化验,硅的含量为9.95%,未施用菌肥的植株含量为7.76%,二者相差2.19%。关于硅酸盐细菌分解土壤中硅酸盐矿物的机理问题。据国内文献报道,在钾细菌溶解磷矿石过程中,发现此菌大量胶团围绕矿物颗粒而释放磷、钾养分。如用火棉胶把钾细菌和磷矿石分开时,钾细菌不能生长,磷矿石也不能分解,因而认为钾细菌利用岩矿养分的可能有两种途径:第一,钾细菌和矿石接触并产生特殊的酶,破坏矿石晶格结构从而释放其中的养分;第二,钾细菌和矿石表面接触土壤样化验,玉米播前土壤速效钾含量为43mg/kg,速效磷含量为6.0mg/kg;收获后施生物菌肥的土壤速效钾含量为60~65mg/kg,速效磷7.5mg/kg,比不施生物菌肥土壤速效钾、磷分别增加17~22mg/kg和1.5mg/kg。施用生物菌肥,对各种植物的营养体,甚至种子果实的氮、磷、钾含量也有明显变化,见表5。而进行交换作用,释放其代换性钾被植物吸收利用。此外,也有的文献提出,钾细菌活化土壤矿物中的钾、磷、铁、镁、硅等各种元素,与钾细菌菌体分泌的酸有关,如呼吸作用产生碳酸,在有碳源的条件下产生琥珀酸、乳酸、柠檬酸等。这些有机酸和无机酸都可以破坏含钾矿物晶格结构,释放钾、磷等元素,还能和钙、铁、铝等金属离子形成更稳定的磷酸盐有机化合物,即金属有机酸复合体,从而增加了难溶性磷酸盐的溶解度。钾细菌通过上述几种途径将长石、云母等铝硅酸盐矿物晶格中的钾释放出来。一部分钾为其生命繁殖活动所需要,组成菌体成分。在菌体灰分中钾的含量可高达33%~43%。此种菌体内的钾当菌体死亡之后,又从其体内游离出来,可为植物吸收利用。另一部分钾从矿物晶格中释放出来直接为植物吸收利用。5.2培养硫酸钾的结果经试验研究表明,利用酸洗粘土为底物,添加适量硫酸钾,作接菌与不接菌的对比试验,在相同条件下经3天培养其结果钾素固定降低21.1%;培养10天降低37.5%,明显提高了钾素的有效性。5.3内标法测定菌株中赤霉类和较多的细胞分裂素钾细菌菌株在其生命活动中产生植物生长刺激素,利用高压液相色谱,用内标法测定结果表明,该菌株培养液中含有较多的赤霉类和少量的细胞分裂素。这些生理活性物质可以直接刺激作物生长发育。5.4有利于作物生长发育施用生物菌肥后,土壤中由于钾细菌的增殖,从多方面改善了作物营养条件,特别是钾、磷、硅等元素都是有利于作物生长健壮和增强抗病能力的。1996年在江南乡官屯村吕福成家保护地黄瓜发生霜霉病,施用生物菌肥和未施菌肥对照区内调查,在试验区病情轻,对照区病情严重,甚至植株死亡。5.5土壤条件的改善,促使作物生长发育生物复合菌肥,除含速效养