溶磷菌论文

溶磷菌对难溶性磷酸盐溶解作用的研究现状

戴柳琴

(桂林理工大学环境科学与工程学院，桂林，541004)

摘要：难溶性磷酸盐的有效利用对提高农业产量能起到非常重要的作用，溶磷菌能够起到使难溶性磷酸盐转化为有效性磷酸，能够被植物吸收利用。本文阐述了溶磷菌的三种溶磷机理，不同溶磷菌的溶解能力，以及对溶磷菌溶解性的研究展望。

关键字：溶磷菌；难溶性磷酸盐；溶解

引言

磷是植物必需的营养元素之一。我国土壤中的总磷量相当可观，但95%以上的磷以稳定的铝硅酸盐和磷灰石等无效形式存在(陈延伟等，1960)，植物很难直接利用。我国有74%的耕地土壤缺磷[1]，因此绝大多数农作物及林木都要追施磷肥。目前主要施用的速效磷肥生产成本高、能耗大，施入的磷肥当年利用率仅为10%~25%(张宝贵等，1998)，一部分磷肥随雨水流入江河湖泊，造成水体的富营养化，引起水质污染(李发云等，1997)；另一部分磷与土壤中的Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等结合，形成难溶性磷酸盐(赵小蓉等，2001)，植物无法吸收利用。近年来国内外大量研究证明，土壤中存在许多溶磷微生物，能够将土壤中难以被植物直接吸收利用的磷转化为植物可吸收利用的形态，从而提高作物产量[2~4]。

微生物对土壤磷的转化和有效性影响很大，其本身有无毒无害、不污染环境、成本低、节约能源等特点，应用生物技术提高土壤养分的有效性和化肥的利用率，具有重要的理论价值和实践意义(陆文静等，1999)。长期以来，人们十分关注土壤难溶性磷的生物有效化，试图利用微生物的溶磷作用来活化土壤磷素，达到减少磷肥施用的目的。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。其原因可能是多方面的，菌株在自然条件下缺乏竞争力，难以大量繁殖可能是重要原因之一，菌株的溶磷功能退化可能是另一重要因素，对溶磷微生物的溶磷机理认识不清限制了溶磷菌的广泛应用。分子生物学和分子遗传学技术的发展与应用，促进了对土壤微生物溶磷作用机理的认识，为培育高效稳定的溶磷微生物菌种提供科学依据和研究平台。

1 溶磷菌溶解难溶性磷的机理

土壤中的无机磷通常是以磷酸盐的形式存在，可分为难溶性和易溶性两种，其中难溶性磷酸盐不能被植物直接利用，约占土壤磷酸盐总量的95% ~99%。农业中虽然长期施用磷肥，但磷在土壤中极易形成作物难以利用的固定态磷。微生物的解磷作用主要是指它能够将难溶性的磷酸盐转化为水溶性磷，有效地增加土壤中可溶性磷的含量，从而供植物吸收利用。

微生物解磷机理非常复杂，现在的研究发现主要包括以下三种情况。第一种情况认为微生物之所以能够溶解难溶性磷酸盐，主要是由于其在代谢过程中分泌多种有机酸，一方面降低了培养介质的pH值，另一方面有机酸与Ca2+、Fe3+、Fe2+、Al3+等离子螯合而使难溶性磷酸盐溶解。JamesE·Cunningham等(1992)[4]发现Penicilliumbilaii在降解Ca3(PO4)2的过程中主要产生草酸和柠檬酸。其中柠檬酸在氮源缺乏的情况下，在生长期和稳定期产生，而草酸在碳源缺乏的情况下，在稳定期产生。Whitelaw等(1999)[5]在研究Penicillium radicum降解CaHPO4、Ca3(PO4)2、Fe-PO4·4H2O、AlPO4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。同样，Hilda Rodríguez等(1999)[6]也发现Pseudomonas、Bacillus和Rhizo-bium属的许多菌株都具有强大的解磷功能，并认为其降解无机磷的机制是产生有机酸。HildaRo-driguez等(2004)[7]通过Azospirillum·brasilense报道了微生物体外产生的葡萄糖酸直接导致Ca3(PO4)2的降解。而Hameeda等(2006)[8]研究表明，微生物解无机磷的能力与其产生葡萄糖酸的量有一定的关系，解无机磷能力强的，其相应的产生葡萄糖酸的量也多，并且还发现在培养96h内会出现一个pH值的降低。Chen等(2006)[9]从台湾中部分离到具有解无机磷功能的细菌，其解磷作用与有机酸的产生和培养基pH值的降低有关。通过HPLC分析发现了8种不同的有机酸，它们是柠檬酸、葡萄糖酸、乳酸、琥珀酸、丙酸和3种不知名的有机酸存在于它们的培养基中。另外,有研究表明不同的有机酸与Ca2+、Fe3+、Fe2+、Al3+等金属离子结合能力也存在巨大的差异[10]。

第二种情况认为微生物的解磷作用主要是由于在其代谢过程中分泌质子的缘故，使培养介质的酸度提高，即介质的pH值降低，从而使磷矿粉溶解。Illmer 等(1995)[11]研究认为Penicilliumaurantiogriseum和Pseudomonassp·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NH+4同化作用产生质子，而使难溶性的无机磷溶解。

第三种情况认为微生物的解磷过程是一个动态的分段过程。解磷微生物在以难溶的无机磷为磷源的培养基上生长，在整个培养过程中，培养基质第一次磷含

量的增加可能是由于微生物产酸，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、NH+4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，这可能导致第二次磷的释放。在整个过程中可影响pH值变化几次，产生不同的有机磷化合物，直至由于缺乏营养而死亡。赵小蓉等(2001)[12]研究发现有些细菌在生长繁殖过程中，利用大量所溶解的磷，将其转化为有机磷，但是他们没有对这些解磷微生物进行解磷的动态观察。杜春梅等(2005)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。

2 不同溶磷菌的溶解能力

不同菌株的溶磷能力有较大的差异。尹瑞林[13]从土壤中分离出的265株细菌的溶磷能力平均为每g土壤2~30 mg磷，其中巨大芽孢杆菌、节细菌、黄杆菌、欧文氏菌及假单胞菌的溶磷能力较强，其次为产碱菌、多黏芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌。Sundara等[14]利用磷酸三钙为磷源，经过14 d的培养后发现芽孢杆菌和埃希氏菌的溶磷能力较强。随后，Paul和Sundara[15]进一步测定从豆科植物根际分离出来的12种芽孢杆菌溶解磷酸三钙的能力，发现虽然是相同属的细菌，但是Bacillusmeaaterium的溶磷能力明显高于Bacillus brevise。研究结果表明，土壤中真菌的溶磷能力较细菌强。Kucey等[16]从草原土中分离的溶磷真菌大多为青霉菌和曲霉菌，并证实虽然溶磷真菌的数量远小于细菌，但溶磷能力一般是细菌的10倍以上。最近，Souchie等[17]对六种土壤类型溶磷菌的研究得到了相似结果，曲霉菌和青霉菌是主要的溶磷真菌，溶磷能力平均为122mgL-1，细菌仅15mgL-1。许多溶磷细菌在传代培养后其溶磷能力逐渐丧失，且一旦丧失就不能恢复。而溶磷真菌的遗传特性稳定，能始终保持其溶磷功能[16-18]。因此溶磷真菌较溶磷细菌具有更广阔的应用前景，成为研究溶磷微生物的热点。

3溶磷菌的研究展望

通过溶磷微生物改善土壤磷素营养是一项有利于资源节约、环境友好的重要农业措施，其应用前景十分广阔。然而，由于研究的方法和手段的局限性以及环境条件的复杂性，限制了该项技术的广泛应用。要充分发挥微生物的溶磷作用，促进土壤磷库的有效化，首先要面对以下瓶颈问题：(1)可分离培养的溶磷微生