微生物资源开发与利

土壤微生物资源开发与利用

摘要:从土壤微生物生态和资源开发利用、土壤生物化学、生物固氮、土壤微生物多样性和应用现代生物技术手段实现土壤微生物资源的生理活性物质的开发研究及其产业化等方面,阐述了我国土壤微生物研究成就,今后在这一领域的研究和发展方向,主要涉及到微生物资源的认识、特点、开发与利用步骤以及微生物资源开发利用的重大研究课题等内容。

关键词：土壤微生物；资源；开发利用；前景展望

前言：微生物是一类重要的自然资源。微生物资源的开发利用已产生了巨大的社会和经济效益。微生物生产的青霉素是20世纪重大的发明之一,她带动了其它抗生素及生物活性物质的寻找和发现,促使抗生素工业的形成。目前全世界青霉素的年产量达5万吨左右。制剂产值约40亿美元。青霉素和其他抗生素对人类保健事业的贡献,无论怎样形容都不为过。我们很难想象,没有青霉素类药物,世界将是什么样子。但是,我们不能不看到,对微生物资源的重要性的认知远远不及对动植物资源那样普及,保护微生物资源的意识更是和者甚寡。

1.中国土壤生物学的主要研究内容与进展

1.1土壤微生物多样性

土壤具备微生物生活所需的各种条件,是微生物生活和繁殖的良好场所。土壤中广泛分布着数量众多的微生物,重要的类群有细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物。土壤微生物多样性包括物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性,其与土壤中的主要生态过程与功能密切相关。中国的土壤微生物学多样性研究早期主要借助于平板培养方法,通过对微生物区系分析反映土壤微生物与土壤肥力之间的关系Biolog微平板法是20世纪90年代建立起来的一套用于研究土壤微生物群落结构和功能多样性的方法,这种方法是根据微生物对单一碳源底物的利用能力的差异,来表征土壤微生物代谢功能多样性或结构多样性一种方法。采用Biolog体系能够较好地评价我国不同耕地、草地、森林等土壤中的微生物群落结构[1]。

随着分子生物技术的广泛引入,通过非培养方法研究土壤微生物多样性的报道不断增加,这些方法包括磷脂脂肪酸)方法、脂肪酸甲酯方法、限制性片段长度多态性方法[2]以及DGGE/TGGE方法等,通过这些方法已经揭示出土壤环境中存在高度的微生物多样性。

我国作为世界微生物资源大国,微生物资源开发利用具有重要的科研和经济价值。在根结线虫生防真菌、有机污染物降解微生物、根瘤菌、黏细菌、放线菌等方面均开展了大量的研究,分离、筛选出一批重要的微生物菌种资源。近年来,国家科技部启动“环境微生物菌种资源整理、整合”项目,必将极大地推动微生物资源开发的进程[3]。

1.2微生物资源的特点

物种繁多:迄今我们所认识的真菌达7万多种,细菌5,000多种,放线菌3,000多种。可见,微生物是一类物种丰富的生物资源和基因资源。生长繁殖速度极快:有的细菌繁殖一代,仅需20min。由于这一特点,微生物产品可以在人工控制条件下,实现大规模生产。这是目前栽培的任何农作物都无法比拟的。比较容易大幅度提高产率:相对而言,微生物的基因组小得多,

拷贝数比较少,比较容易通过基因操作,大幅度提高产率。微生物资源开发利用不会有灭绝物种之虞:一些动植物资源的不合理开发利用导致物种的减少,甚至绝灭,造成严重的环境问题。但是微生物资源的开发利用不存在这个问题。从严格意义上讲,我们只要得到一个活菌体,就可以在短时间内无穷克隆。因此,微生物资源的开发利用本身不会导致物种减少和环境破坏。但是,由于环境的改变和恶化(如温泉开发成旅游区,原始森林被毁坏等),许多赖以生存的微生物在人类还没有认识它之前就悄悄灭绝了。例如, 25年前,我们在某地很容易分离到游动放线菌。现在,在同一地点取样、用同样的方法就分离不到它们了。因此,微生物资源的保护仍然是一个值得引起重视的问题[4]。

1.3土壤微生物资源作用

我国土壤资源类型丰富、土地利用方式多变、人为干扰程度强烈,这些特点为我国的土壤学研究工作提供了十分有利的条件。土壤是物理、化学、生物等复杂过程的综合体,陆地生态系统的大部分作用过程都发生在土壤中或与之直接相关。土壤是微生物的大本营,其中生活着极其丰富的微生物类群[4],蕴藏着自然界最巨大的微生物种质与基因资源,它们在自然生态系统中扮演着非常重要的角色。土壤微生物是土壤中物质形成与转化的关键动力,伴随着土壤的形成与发育,在维系土壤结构、保育土壤肥力、影响土壤植被等方面起着不可替代的作用;土壤微生物是主要分解者,对生态环境起着天然的过滤和净化作用,是决定土壤自净、污染物消纳等重要功能的主导因子;同时土壤微生物也是联系大气圈、岩石圈、水圈和生物圈的纽带,在全球物质循环和能量流动中起着重要作用[5]。因此,加强对土壤微生物资源的综合管理与开发应用是提升生态系统稳定性与生产力、保障我国粮食安全和土壤可持续利用的重要途径。

2.土壤微生物在农业中的应用

从土壤中分离获得的微生物在农业中的应用相当广泛，已经成为产品的实例不计其数，给人们带来极大的经济效益和社会效益。

2.1 微生物肥料

微生物肥料的菌种相当庞大，主要有根瘤菌、固氮菌、放线菌、光合细菌肥料、硅酸盐细菌、微生物生长调节剂等[6]。

根瘤菌是目前用相广泛的微生物肥料，根瘤菌可以将环境中的植物不能直接利用的氮元素固定成植物可以利用的氨，以增加氮元素在植物体内的循环效率。一过程没有任何的环境污染，且利用率相当高，使用过程无氮流失。因此，根瘤菌肥料在农业生产中所发挥的经济效益、

生态效益等越来越受到重视。

硅酸盐细菌肥料和磷解细菌肥料能分解土壤中难溶性的硅酸盐和磷等矿物，并把它们转化成易溶性的矿质化合物，帮助植物对这些矿质元素的吸收。光合细菌肥料可促进植物的光合作用，作为叶面肥已经广泛应用。

光合细菌也在渔业中有所应用，以增加鱼塘的养分含量。微生物生长调节剂主要是一些微生物代谢产生的激素类产品，如生长素、赤霉素等。这类微生物肥料在施用后，可刺激和调控植物的生长，促进植物代谢的作用。

2.2 微生物农药

微生物农药是指应用生物活体及其代谢产物制成的防治作物病害、虫害、杂草的制剂，包括保护生物活体的助剂、保护剂和增效剂，以及某些杀虫毒素和抗生素的人工合成的制剂。目前主要产品有细菌杀剂、

细菌杀菌剂、抗生素、病毒杀虫剂和真菌杀虫剂以及微生物除草剂。

3.土壤生物化学研究

主要是研究土壤微生物参与土壤中物质转化及能量流动生物化学反应的生态过程,它们参加的重要生物化学反应的生态过程有:有机化合物、高等植物和微生物残体的水解(降解或酶解),以及转化成为植物可利用的形态,生物固氮作用,腐殖质分解与合成作用,磷、硫、铁及其它元素转化和氧化还原反应以及地球上的碳循环、氮循环及磷、硫循环等等[7]。所有生物化学过程都是通过酶的催化作用完成的。土壤酶是土壤生物化学反应的重要指标之一,土壤中许多重要的物理、化学、生物化学、团粒结构、土壤有机质、腐殖质、胡敏酸及微生物活性物质,都与土壤酶有着密切的相关性。土壤酶在过去四十多年的研究中,已积累了不少宝贵的资料。土壤酶的来源已基本搞清楚。利用土壤酶学技术使农业增产,例如中科院生态所的长效尿素、长效碳铵的科研成果,即尿酶抑制剂(也称肥隆)的生产和应用,提高了尿素肥料在土壤中的利用率,如既减少了土壤中N2O的排放,又可使水稻增产10%～15%,从而引起人们的重视。近年来,人们发现主要由于人类活动的影响,地球的生态环境正在遭受破坏,在过去的100 a内,大气CO2的浓度增加了约25%,平均气温上升约0.3～0.6℃,将对陆地生态系统产生严重的后果。最近,研究全球气候变暖、大气CO2浓度上升的土壤微生物及土壤生物化学的反馈机制已成为今日土壤微生物学研究的热点之一。

4.土壤微生物的关键应用技术

土壤微生物作为一种宝贵的生产资料和可持续利用资源具有良好的应用前景,尤其是在农业和环保等领域,诸如促进作物秸秆和其它固体废弃物的腐熟利用、培肥地力和提高化肥利用率、净化和修复污染土壤、降低作物病害发生以及提高产品质量和食品安全等方面。在生产实践中应加强土壤土著微生物的调控管理,维持和激发土著微生物的活性与繁育,旨在提升土壤肥力质量与健康质量,提高生产力。当然,在发挥土著微生物功能的基础上,还应关注土壤微生物优质种质资源的开发与生产应用,在优良菌种选育、工程菌构建、发酵工艺、下游产品加工、质量检测和配套应用技术等方面凝练技术力量,利用现代生物技术为我国微生物制剂的科技产业化服务。此外,微生物新产品的研发应以市场为导向,尽可能降低产品成本、提高产品收益,同时实现经济效益与社会效益的最大化[8]。