微生物研究进展论文

微生物解磷机理的研究进展

摘要：磷元素植物生长必需的矿质元素之一，而土壤中可溶性磷的含量比较低。土壤中有大量的微生物存在，其中有一些微生物能够将土壤中的不溶性磷转化成可溶性磷。本文对解磷细菌的种类分布、解磷能力、解磷机制进行了综述。希望通过对解磷机制的了解，可以选择和构建出溶磷效果明显的菌株，更好的服务于农业生产。

关键词：土壤；解磷细菌；解磷机制。

Abstract: Phosphorus is one of the essential mineral elements to plant growth, however, there is fairly less content of soluble phosphorus in soil. There are lots of microbes in soil, some of them could dissolve insoluble phosphorus that could not be utilized by plants and transform them into soluble phosphorus. In the paper the advances in research of phosphorous solubilizing microorganisms （PSMs）were reviewed in aspects of species diversity, distribution, phosphorous-solubilizing ability and phosphorous-solubilizing mechanism. Though the understanding of phosphorous-solubilizing mechanism, we can choose and build a better effect of phosphorous-solubilizing strain and serve the agricultural production better.

Key words: soil; phosphorous-solubilizing bacteria; phosphorous-solubilizing mechanism.

磷是植物生长所必需的矿质元素之一，是植物体内核酸及多种酶、辅酶、ATP等重要组成成分，这些物质对于细胞来说是至关重要的。磷在土壤中主要以无机磷化合物和有机磷化合物两种形态存在，其中无机磷的含量约占全磷含量的50%以上，主要以矿物形式存在，所以土壤中可溶性磷的含量很低。为了解决土壤中的缺磷状况，每年我国要施用大量的磷肥，但是当施磷肥以后，在土壤中容易形成难溶性的磷。磷肥的利用率相当的低，当季的利用率只有10%一25%[1]。施人土壤中的磷肥除一小部分被植物吸收外，大约70%转化为Ca—P、Fe—P和Al—P等难溶性化合物而储存在土壤中，难以被植物吸收利用[2-3]。而土壤中的磷肥容易随着地表径流进入水体中，使水体出现磷素的富集氧化现象，对环境造成严重的污染。目前有机磷农药的残留在生活中也是很普遍的，我们急需对这些问题进行解决，不仅要对环境进行治理，更要从源头来进行防治。

如何提高磷素的利用率已成为研究的热点问题之一。很多研究表明从土壤中分离的某些细菌对这些难溶性的磷具有降解作用。然而，多年的实践结果表明，溶磷微生物的实际应用效

果并不理想，很多菌株在实验室条件下表现出明显溶磷能力，一旦应用到农田则溶磷效果不明显[4]。因此，我们有必要对溶磷菌的溶磷能力和溶磷机制进行研究，可以更好的利用和改善溶磷菌的解磷能力，选择优良的菌株为农业生产服务。本文对解磷细菌的种类分布、解磷能力、解磷机制及溶磷菌的前景进行了综述。

1解磷细菌的研究情况

1.1解磷细菌的种类

土壤中聚集着相当多的微生物。具有解磷能力的微生物也比较多，其中包括真菌、放线菌和细菌等。这些解磷微生物中，多以细菌为之，其中有芽孢杆菌属(Bacillus)、欧文氏菌属(Erwinia)、假单胞菌属(Pseudomonas)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、沙雷氏菌属(Serratia)、黄杆菌属(Flavobacterium)、肠细菌属(Enterbacter)、微球菌属(Micrococcus)、固氮菌属(Azotobacter)、根瘤菌属(Bradyrhizobium)、色杆菌属(Clromobacterium)、产碱菌属(Alcaligenes)、节细菌属(Arthrobacter)、硫杆菌属(Thiobacillus)、埃希氏菌属(Escherichia)、沙门氏菌属(Salmonella)等；解磷真菌主要是青霉属(Penicillium)、曲霉属(Aspergillus)和根霉属(Rhiopus)；放线菌有：链霉菌(Streptomyces)、AM菌根菌，绝大部分为链霉菌属[5-6]。1.2 解磷细菌的分布

由于受环境条件的影响，不同类型土壤的作物根际的解磷菌的种类和数量是不同的。有研究表明，我国干旱地区土壤解磷菌含量平均为100 cfu·g[7]，黑钙土壤中解磷菌最多，但种类较少，其中以芽孢杆菌和假单胞菌居多。瓦碱土中解磷微生物的数量较少[8]。林启美等[9]通过分析农田、林地、草地以及菜地土壤有机磷细菌和无机磷细菌的数量及种群结构，发现有机磷细菌数量比无机磷细菌多，且林地和菜地土壤中的解磷细菌主要是假单胞菌；在农田中只发现假单胞菌和沙门氏菌属两种解磷细菌。不同类型的土壤中，解磷菌的数量和种类是不同的，而且根际的数量远远高于其周围土壤中的数量。根际解磷菌的数量和种类主要受根系分泌物的影响，不同类型的分泌物导致根际周围的解磷菌的生态分布有很大的差异[10]。

1.2解磷细菌的解磷能力及测定方法

测定微生物解磷能力常用的测定方法有3种[11-13]，一是将解磷微生物菌株在含有难溶性磷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；二是将解磷微生物菌株进行液体培养，测定培养液中可溶性磷的含量；三是将解磷微生物菌株进行土培或砂培，测定土壤或砂子中有效磷含量。此外还可以用同位素示踪法进行测定。

不同种类的解磷细菌的解磷能力差异很大。尹瑞龄[7]从土壤中分离出了265株细菌并测定其分解磷矿粉的能力，发现经过6d的培养，溶磷能力平均为2～30mg/g，其中株巨大芽孢杆菌、节杆菌、黄杆菌、欧文氏菌及假单胞菌的解磷能力较强为25～30mg/g。张希涛等[14]通过对40株相思根瘤菌解磷能力的研究表明，根瘤菌的解磷量和pH值变化存在一定的关系。其中解磷能力最好的根瘤菌为G7-3菌株，在无机磷液体培养基中的解磷能力为4.142μg·mL-1，在有机磷液体培养基中的解磷能力为9.944μg·mL-1。而且还发现部分菌株在无机磷培养基中有很强的解磷能力，但在有机磷培养基中解磷能力不高；在有机磷培养基中表现出很强的解磷能力的菌株，在无机磷培养基中的解磷能力却较差。可以看出，菌株在不同培养基中的解磷能力表现出很大的差异，不同培养基对菌株的解磷能力有显著的影响。Sundana Rao[12]测定从豆科植物根际分离出来的几株芽孢杆菌属溶解Ca3(P04)2的效率高达19%，其中解磷能力最强的是巨大芽孢杆菌(B．megaterium)，最弱的为短芽孢杆菌(B．brevis)。

2解磷细菌的解磷机制

2.1无机难溶性磷的降解

土壤中的无机磷通常是以磷酸盐的形式存在，可分为难溶性和可溶性两种，其中的难溶性磷酸盐不能被植物直接利用。再加上长期使用磷肥，造成土壤中大约有95%以上的无机磷不能被植物直接利用。土壤中的解磷微生物可以降解这一部分难溶性磷，增加土壤中的可溶性磷的含量，从而被植物吸收利用。

微生物的解磷机制一般认为是由于微生物分泌出一些无机酸和有机酸，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。赵小蓉等[15]的研究报道微生物的解磷量与培养液中pH存在一定的相关性，但同时发现，培养液pH值的下降，并不是解磷的必要条件，不同的有机酸对铁、铝、钙、镁等离子的螯合能力有差异。Trolldenierp[16](1992)研究结果显示，溶磷微生物溶磷是依赖磷酸酶的作用。微生物通过呼吸作用放出CO2，能降低它周围的pH值，从而引起磷酸盐的溶解。Whitelaw等(1999)[17]在研究Penicillium radicum降解CaHP04、Ca3(PO4)2、FePO4·4H2O、A1PO4等无机磷的过程中发现其产生的有机酸，主要是葡萄糖酸，能降低pH值，还能与Al3+螯合。王富民等[18]对其筛选得到的一株Aspergillus niger的产酸性及接种土壤后的溶磷有效性进行研究后发现该菌株发酵过程产草酸、柠檬酸、琥珀酸、丙酸等多种有机酸，使土壤速效磷含量增加141．94%。

也有许多研究者认为，微生物的解磷作用与其在代谢过程中分泌的质子有关，使介质的PH值降低，从而溶解磷酸盐。Illmer等[19]研究认为Penicilliumauran tiosriseunrl和Pseudom onas spl能够降解无机磷，如羟磷灰石、透钙磷石，其机制不是生成有机酸，而是通过呼吸作用或NH4+同化作用产生质子，而使难溶性的无机磷溶解。

杜春梅等[20]通过对四株侧孢芽孢杆菌解磷能力的动态观察，发现解磷过程中出现2—3个解磷高峰，培养基的pH值也相应的变化几次。微生物分解难溶性磷是一个动态的过程。刚开始培养的时候，微生物分泌有机酸使难溶性的磷分解。然后微生物细胞可能改变它们的代谢机制，释放有机代谢物于基质中，如乳酸、琥珀酸、NH4+等，可能形成有机磷化合物而降低溶液中的磷含量。由于基质组成的变化，可能迫使微生物再次利用这些化合物作为能源或营养源，这可能导致再一次磷的释放。某些细菌能释放H2S，它能与磷酸铁作用，产生硫酸亚铁和可溶性的磷酸盐。

2.2对有机磷的降解

一般认为，解磷微生物对有机磷酸酯的分解是通过分泌植酸酶、核酸酶和胞外磷酸酶来实的。研究发现，解磷微生物在低磷而富含有机质的土壤中使用效果最好，当解磷细菌和植物在感受到低磷的胁迫时，微生物和植物就会分泌胞外磷酸酶，将有机磷水解，从而提高土壤中的有效磷含量[21]。当土壤中接种巨大芽孢杆菌后，土壤中的有效磷含量增加显著。主要原因是解磷细菌讲有机磷释放出来，转化成可利用的无机磷。此外，解磷细菌的细胞对磷素还有固定和释放作用，可溶性的磷酸盐进入到细胞内被固定，当细胞死亡后，又重新被释放出来。

有机磷农药在使用的过程中，会有很大一部分残留在土壤中，给环境带来了严重的污染。大多数的有机农药都是通过磷氧和磷硫双键连接的，单依靠物理和化学的方法是很难完全分解的，而且降解速度很慢。然而解磷微生物可以通过多种酶促反应进行降解，效果也比较明显。当有机磷农药进入土壤后，微生物马上能产生降解有机磷农药的降解酶，降解有机磷农药，多数微生物降解农药多属于此类。Hilda Rodriguez等(1999)[22]发现Pseudomonus、Bacillus 和Rhizobium属的许多菌株都具有强大的解磷功能，认为其在降解有机磷杀虫剂中起重要作用的是酸性磷酸酶，并且有些酸性磷酸酶的编码基因已经被克隆了。冯海艳等[23]研究三种AM真菌内生菌丝碱性磷酸酶活性与菌根共生效应的结果表明：接种不同AM真菌时，根内菌丝碱性磷酸酶活性高的菌根真菌对玉米生长促进作用较大，可提高玉米磷营养状况；反之则对玉米生长和磷营养状况无明显促进作用。

因此，解磷菌的解磷机制可以归结为以下几种：

1）通过生命代谢活动产生有机酸，这些酸一方面直接溶解土壤中难溶性磷酸盐，另一方面则是通过螯合作用释放出土壤磷素；

2）通过NH4同化作用放出质子降低pH值，溶解难溶性的磷；

3）过呼吸作用放出CO2，降低环境pH值，从而引起磷酸盐的溶解；

4）微生物对钙离子的吸收、使磷酸根离子进入土壤溶液；

5）细菌释放H2S，与磷酸铁进行化学反应产生硫酸亚铁和可溶性磷酸盐；

6）生物矿化，解磷微生物通过分泌植酸酶、核酸酶和胞外磷酸酶来分解有机磷和残留在土壤中的农药。

3前景展望

通过对解磷微生物的解磷机制的研究，我们对解磷微生物有了更深入的认识。可以为进一步构建具有高效解磷功能的生物工程菌打下基础，使其不仅解磷效率高，而且还能够降解多种无机磷和有机磷。目前，有些菌株在实验室条件表现出很强的解磷能力，但是当应用到实践中的时候，解磷能力往往不稳定，容易退化。因此，我们要继续筛选出既高效又稳定的解磷菌株。也可以将解磷与固氮菌、菌根菌等共同接种到土壤中，发挥其多重功能。

目前对根瘤菌的研究主要集中在固氮上，对其他能力的研究还比较少，重点应放在开发根瘤菌的解磷和固氮能力，筛选出既有很强的固氮能力又有高效的解磷作用的菌株。通过对这些解磷微生物的开发应用，减少化学肥料的使用，提高土壤中有效磷的含量，改善土壤环境，降低环境污染，更好地为农业生产服务。

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