微生物解磷的研究进展

微生物解磷的研究进展
赵小蓉,林启美
(中国农业大学土壤和水科学系,北京　100094)
摘　要:综述了具有解磷能力的微生物在不同土壤、作物根际中的数量及种群分布,评价了不同微生物的解磷能力,探讨了微生物的解磷机制,还讨论了解磷菌对作物生长发育的影响以及实际应用效果。

关键词:土壤;根际;解磷微生物
中图分类号:S 154.39　文献标识码:A 文章编号:100220616(2001)0320007205
收稿日期:2000-06-20
基金项目:北京市自然科学基金重点项目(N o .6971003)。

作者简介:赵小蓉(1970-),女,博士,主要从事土壤微生物生态学研究。

磷是植物必需的营养元素之一,我国有74%的耕地土壤缺磷。

土壤中95%以上的磷为无效形式,植物很难直接吸收利用。

施入的磷肥当季作物利用率为5%～25%,大部分磷与土
壤中的Ca 2+、Fe 3+、Fe 2+、A l 3+
结合,形成难溶性磷酸盐。

提高磷的利用率一直是农学家关注的问题。

很多因素影响土壤磷的利用效率,微生物对土壤磷的转化和有效性影响很大。

大量的研究结果证明:土壤中存在大量的微生物,能够将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态,具有这种能力的微生物称为解磷菌或溶磷菌(Pho sphate -so lub ilizing m icroo rgan is m s ,PS M )。

有人对其中能够矿化有机磷化合物的称之为有机磷微生物;能够将植物难以吸收的无机磷酸盐转化为可直接吸收利用形态的微生物,称之为无机磷微生物,实际上却很难将它们分得很清。

本文对国内外有关解磷微生物在土壤和作物根际的分布特点、解磷机制、对作物生长发育的影响及其应用等方面的研究进展做一综合评述。

1　解磷微生物的数量
具有解磷能力的微生物包括细菌、真菌和
放线菌,在土壤中的数量,受土壤物理结构、有机质含量、土壤类型、土壤肥力、耕作方式和措施等因素的影响[1]。

尹瑞玲[2]发现我国旱地土壤解磷菌平均为107cfu g ,占土壤微生物总数的27%～82%,其中细菌所占比例最大。

溶磷细菌数量因土壤类型而异,黑钙土解磷菌最多,为4.89×107cfu g ,瓦碱土最少,仅有2×
104cfu g 。

林启美等[3]在调查农田、
林地、草地和菜地等4种不同生态环境土壤中解磷细菌的数量及种群结构时,发现这些土壤中有机磷细菌只有菜地土壤的1 10。

但是农田土壤中解磷细菌总数的比例并不低,尤其是有机磷细菌,占细菌总数约13%。

Kucey [4]也发现草地与残茬覆盖的农田土壤,其解磷菌占微生物总数的比例,不同土壤有很大的差异。

解磷菌的分布表现出强烈的根际效应,即根际土壤的数量比土体要多,但并不是根际微生物的优势菌落。

林启美等[5]和赵小蓉等[6]的研究结果表明:无论是有机磷细菌,还是无机磷细菌,小麦和玉米根际土壤的数量比非根际要
多1～2个数量级。

Kabznelson et al [7]
也发现玉米、红三叶草、亚麻、燕麦、大麦、黄桦树苗根际解磷细菌约有106～108cfu g ,比非根际土壤高
1～2个数量级,其中亚麻的根际解磷细菌数量
最多。

他们同时发现大麦对解磷细菌表现出选择性,其它植物则没有明显的选择效应,黄桦树苗还出现抑制作用现象。

对于根际土壤中真菌
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的解磷作用,除了AM真菌外,其他有关报道比较少。

2　解磷菌的种群结构
具有解磷能力的微生物种类很多,目前报道的解磷细菌主要有芽胞杆菌属(B acillus)、假单胞菌属(P seud o m onas)、埃希氏菌属(E s2 cherich ia)、欧文氏菌属(E r w in ia)、土壤杆菌属(A g robacterium)、沙雷氏菌属(S erra tia)、黄杆菌属(F lavobacterium)、肠细菌属(E n terbacter)、微球菌属(M icrococcus)、固氮菌属(A z otobacter)、沙门氏菌属(S a l m onella)、色杆菌属(Ch ro m obacterium)、产碱菌属(A lca li2 g enes)、节细菌属(A rth robacter)、硫氧化硫功菌(T h iobacillus th ioox id ans)和多硫杆菌属(T h iobacillus)等。

解磷真菌主要是青霉属(P en icillium)、曲霉属(A sp erg illus)和根霉属(R h iz op us),而解磷放线菌则绝大部分为链霉菌属(S trep to m y ces)。

但是不同的土壤,不同的作物根际,解磷菌种群分布存在一定的差异。

尹瑞玲[2]发现东北的黑钙土中芽胞杆菌和假单胞菌占优势,而黄棕壤和红壤中解磷菌种类繁多。

林启美[3]等发现芽胞杆菌属是耕地土壤主要的有机细菌,但林地和菜地土壤则主要是假单胞菌属;无机磷细菌种类比较少,农田只发现假单胞菌和沙雷氏菌两个菌属,菜地和草地则主要是假单胞菌属,林地主要是沙门菌属。

不同的作物其根际的解磷菌种群也有差异。

Sundara R ao&Sinha[8]发现小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属(B acillus)和埃希氏菌属(E scherich ia)。

E lli o tt et al[9]报道春小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属(B acillus)、假单胞菌属(P seud o m onas)和链霉菌属(S trep to m y ces)。

林启美等[6]发现冬小麦苗期根际土壤的有机磷细菌主要为假单胞菌属,无机磷细菌主要是单胞菌属和欧文氏菌属。

赵小蓉等[7]报道夏玉米收获时期根际有机磷细菌主要是假单胞菌属和黄杆菌属,无机磷细菌主要是欧文氏菌属。

D e F reitas等[10]从Canda(B rassica nap us L.)根际分离出的111种解磷细菌中芽胞杆菌属占34%,假单胞菌属占17%,还有少量土壤杆菌属及节细菌属等。

Pau l&Sundara R ao[11]发现豆科植物根际解磷微生物主要是芽胞杆菌属。

M o lla&Chow dhu ry[12]研究了黑麦草及小麦根际与非根际土壤中解有机磷微生物,主要为G-短杆菌、芽胞杆菌属(B acillus)、链霉菌属(S trep to m y ces)、曲霉属(A sp erg illus)、青霉属(P en icillium)、变形杆菌属(P roteus)、沙雷氏菌属(serra tia)、假单胞菌属(P seud o m onas)和微球菌属(M icrococcus)。

3　解磷能力
微生物的解磷能力一般有三种测定方法,一是将解磷菌株在含有难溶性磷酸盐的固体培养基上培养,测定菌落周围产生的透明圈的大小;二是进行液体培养,测定培养液中可溶性磷的含量;三是进行土壤培养,测定其有效磷的含量。

尹瑞玲[2]测定了从土壤中分离出的265株细菌溶解摩洛哥磷矿粉能力,发现经过6d的培养,溶磷能力平均为2～30m g g,其中44株巨大芽胞杆菌、节细菌、黄杆菌、欧文氏菌及假单胞菌的解磷能力较强,为25～30m g g。

Sundara R ao and Sinha[8]利用Ca3(PO4)2作为磷源,经过14d的摇瓶培养,发现几株芽胞杆菌属释放的可溶性磷为70.52～156.80Λg m l,埃希氏菌属为159.70～170.30Λg m l。

Pau l and Sundara R ao[11]测定从豆科植物根际分离出来的几株芽胞杆菌属溶解Ca3(PO4)2的效率高达19%,其中解磷能力最强的是B acillus.m eg a terium,最弱的为B acillus.brev is。

M o lla&Chow dhu ry[12]的研究也表明不同菌株分解Ca3(PO4)2的能力有很大的差异,摇瓶培养15d,培养液中可溶性磷浓度分别为:链霉菌属671Λg m l,青霉属479Λg m l,曲霉属517Λg m l,微球菌属377Λg m l,假单胞菌属423Λg m l,芽胞杆菌属589Λg
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m l,沙雷氏菌属62Λg m l。

林启美等[3]发现以磷矿粉作为唯一的磷源培养解磷细菌,5d后培养中可溶性磷的含量最高可达11.73Λg m l,解磷能力较强的菌株为假单胞菌属和欧文氏菌属。

A sea等[13]发现:纯培养条件下,两株青霉菌溶解磷矿粉的能力为P.bilaj i203Λg m l,P.f us2 cum298Λg m l,土壤培养条件下,分别为77.4Λg d和57.8Λg d。

Kucey[14]报道真菌的解磷能力一般是细菌的10倍,许多细菌在进一步的纯化中失去解磷能力,而真菌则始终保持其解磷活力,PD YA平板上(以沉淀的磷酸钙为磷源)培养8d,细菌的解磷能力为0.08～2.65m g P,而大部分真菌解磷能力均超过能力最好的细菌,最高可达12.8m g P。

林启美等[15]也发现真菌的解磷能力比细菌强,几株解磷能力较强的细菌溶解磷矿粉的量为26.92～43.34Λg m l,而大多数真菌则为59.64～145.36Λg m l。

赵小蓉等的研究结果表明:微生物在生长繁殖时,不仅分解难溶性的磷化合物,而且利用一部分分解的磷组建其细胞成分,有些细菌能够在细胞中贮藏磷酸盐。

如果将这一部分磷排除在外,会低估磷菌的解磷活力,有时甚至会导致错误的结论,所以微生物量磷也应是微生物分解的磷的一部分。

4　解磷机制
微生物的解磷机制一般认为是由于微生物分泌出有机酸,这些酸既能够降低pH值,又可与铁、铝、钙、镁等离子结合,从而使难溶性磷酸盐溶解。

林启美等[15]发现细菌能够分泌苹果酸、丙酸、乳酸、乙酸、柠檬酸,不同菌株之间差异很大;真菌分泌的有机酸种类比较复杂,菌株之间差别也比较大,主要有草酸、酒石酸、乳酸、乙酸、柠檬酸、丁二酸等。

杨秋忠等[17]发现水稻根际3株固氮菌A z otobacter spp C57、C72-1、C80-2均具有溶解铁磷的能力,pH值变化及胞外酶均不是铁磷溶解的原因,而分泌的有机酸(柠檬酸、丙二酸及羟基酚酸类有机酸)是溶解的机制。

赵小蓉等[16]发现解磷量与培养液中的pH值存在一定的相关性(r=-0.732),同时也发现培养介质pH值的下降,并不是微生物解磷的必要条件,很多学者发现二者之间相关性也比较微弱[18,19]。

培养介质酸度的下降,不仅与解磷菌分泌有机酸有关,H+还有其他的来源。

如N H4+ H+交换机制和呼吸作用。

A sea[13]发现一些解磷菌只有在介质中有N H4+存在时,才具有溶解无机磷酸盐的能力。

Ill m er et al[20]发现有些微生物不产有机酸也具有溶解钙磷酸盐的能力。

多硫细菌属的细菌依靠氧化S产生硫酸来溶解难溶性磷[27]。

土壤中的有机磷化合物主要有肌酵磷酸盐、植酸盐、磷脂等,耕地土壤有机磷的含量一般只占全磷的1 5左右,但有机磷对作物特别重要。

当磷是土壤微生物和植物生长的主要限制因子时,微生物和植物根就分泌胞外磷酸酶,水解有机磷,转化为无机磷酸盐。

土壤中许多微生物都能够分泌酸性或碱性磷酸酶,将植酸盐、磷脂等含磷有机化合物转化为简单的无机化合物[12]。

5　对作物生长的影响
Chabo t et al[21]报道解磷菌的溶磷作用是中、低肥力土壤上促进植物生长最重要的机制之一,他们发现在中等肥力和低肥力的土壤上接种R h iz obium leg um inosa rum bv.p haseoli R l,玉米和莴苣吸收磷量分别增加了8%和6%。

在石灰质土壤上接种P.bilaj i,小麦植株干物重增加了16%,吸收磷量增加了14%,磷矿粉存在时,P.bilaj i增加磷吸收量11◊[13]。

在温室栽培条件下,分别接种B.circu lans和B.m eg a terium va r p hosp ha ticum可增加黍和豌豆的产量及磷的吸收量[22]。

有人认为解磷微生物所释放的磷量很少,接种解磷菌增加植物吸收磷量,是由于解磷菌分泌的生长调节物质,促进了根系生长的结
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果[23],也有些报道发现解磷菌具有解磷和促进生长的双重作用[24]。

业已发现解磷微生物能够产生生长素(I AA)、赤霉素(GA)、细胞分裂素(CK)、铁载体、HCN等物质[25],具有PGPR菌株的许多重要性[14]。

B a rea et a l[25]
　发现50株解磷细菌中27株溶解磷矿粉,20株能够分泌上述3种激素类物质,43株产I AA,29株形成GA,45株产生CK类物质。

接种解磷细菌还能够增加植物对K、Ca、M g、Fe、Zn等营养元素的吸收[21],Kucey[18]接种P en icillium bilaj i,小麦体内Cu、Fe含量增加,产量也提高。

尽管解磷微生物促进作物生长的机制还不十分清楚,但并不影响这些微生物作为生物肥料进行使用。

最早的商品化解磷微生物肥料是前苏联筛选出的一株巨大芽胞杆菌(B.m eg a2 terium va r.p hosp ha ticum),并被广泛地用于前苏联和东欧各国。

许多学者对解磷微生物的使用条件进行了研究。

L aheu rte&B erthelin[26]研究发现低磷水平下接种解磷菌,能够增加植物对磷的吸收,而高磷水平下则没有效果,解磷菌的接种量一般为106个 m l,但不同的解磷微生物其接种量有所差异,有些为105个 m l,有的接种量要求达到108个 m l。

接种方法有浸种,根系接种、制备成菌剂等多种,但具体哪种方法更好还没有进行详细的比较研究。

6　应该加强的研究方向
磷是许多发展中国家农业生产重要的限制因素,提高土壤中磷的利用效率,将具有战略性意义。

目前大部分研究集中在土壤磷的物理、化学性状方面,土壤磷的生物转化是一个比较薄弱的环节。

众所周知,菌根在作物磷素营养中起到极其重要的作用,土壤尤其是根际土壤存在大量具有解磷能力的微生物,这些微生物在作物营养中的作用,知道得很不够。

鉴于此,应该在以下几个方面加强研究工作:
(1)解磷微生物的生态学特性:在继续筛选高效菌株的基础上,应该加强研究解磷微生物在不同土壤、不同作物、不同环境条件下的生长繁殖特点,以及影响因素。

(2)解磷微生物与作物根系生长发育及吸收功能之间的关系,尤其应该加强研究解磷微生物在根际微生物区系构筑过程中的作用和特征。

(3)解磷微生物与其它功能微生物,如自生固氮菌、根瘤菌、VA菌根、硅酸盐细菌等的相互作用,特别是注意解磷微生物与病原菌发生、发展的关系。

(4)微生物解磷的分子生物学机理:微生物解磷的机理目前仅发现与培养介质的酸度提高,有机酸的产生有关,并且还有不少矛盾的数据。

因此,有人推测可能存在其它更重要的解磷机制,但是否存在解磷基因,目前还没有做任何尝试。

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A Rev iew of Phospha te-d issolv i ng M icroorgan is m s
ZHAO X iao2rong,L I N Q i2m ei
(D ep a rt m en t of S oil&W a ter S ciences,Ch ina A g ricu ltu ra l U n iversity,B eij ing　100094)
Abstract:T h is p aper review s the study on pho sp hate2disso lving m icroo rgan is m s,their num ber and comm un ity structu re in so ils and p lan t rh izo sphere.T he capacity and m echan is m of dis2 so lving pho sp hate of differen t m icroo rgan is m s is also discu ssed.F inally,it is generally de2 scribed that the m icroo rgan is m s m ay be beneficial to p lan t grow th.
Key words:So il;R h izo sphere;Pho sphate2disso lving m icroo rgan is m s
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