磷细菌研究进展

收稿日期:20080320

基金项目:黑龙江省普通高等学校骨干教师创新能力资助计划(1055G 063);齐齐哈尔市农业攻关及推广计划项目(N G 06-44)作者简介:王　鹏(1982),男,河南安阳人,在读硕士研究生,研究方向:生物资源。

通讯作者:孙剑秋(1969),男,黑龙江德都人,副教授,博士(后),硕士生导师,主要从事微生物资源与生态学方面的研究。

磷细菌研究进展

王　鹏,孙剑秋3,臧　威,蒋本庆,王登宇,李　铁

(齐齐哈尔大学生命科学与工程学院,黑龙江齐齐哈尔161006)

摘要:综述了土壤中磷细菌的种类、数量、生态分布规律及其磷细菌解磷能力研究方法和解磷机

制,论述了磷细菌在农业生产中应用的价值和潜力,提出了磷细菌研究的未来发展方向。关键词:磷细菌;生态分布;解磷能力;解磷机制中图分类号:S182 文献标识码:A 文章编号:10043268(2008)09000505 磷是植物生长所必需的矿质元素,也是土壤液相中溶解度较小的矿质元素。在我国,耕作土壤缺磷面积约占总耕地面积的2/3[1]。一般农田土壤中全磷含量很高,但是有效磷含量很低[2]。大部分磷呈有机或无机磷化物状态存在,而且施入的水溶性磷肥很快转化为无效状态,不能被作物直接利用[3]。磷细菌在土壤矿物质形式的磷素转化过程中发挥着重要作用,与磷的转化、贮存与供应直接相关[4]。细菌解磷作用的发现已经有100余年的历史[5],随着研究手段的提高,人们对磷细菌已经有了更深入的了解[6]。土壤中磷细菌分布的根际效应明显[7],具有活化难溶性磷的作用和促进作物生长的效果[3],能够改善土壤环境,使土壤中有效磷含量提高[8],磷细菌的研究与应用对于农业生产具有重大的理论和实践意义[9,10]。为此,总结了磷细菌的生态分布规律与解磷能力研究方法,探讨了磷细菌的解磷机制与应用价值,提出了磷细菌研究的未来发展方向,旨在为今后的研究工作提供参考。1　磷细菌的种类、数量及分布1.1　磷细菌的种类

对土壤中含磷化合物具有分解能力的细菌统称为磷细菌(p ho sp hobacteria ),分为有机磷细菌(解磷菌)和无机磷细菌(溶磷菌)两大类[1]。人们把能够将土壤中的核酸、磷脂和植素等含磷有机物分解为可溶性无机磷的细菌称为有机磷细菌;能够将土壤中的Ca HPO 4,Ca (H 2PO 4)2和Ca 3(PO 4)2等简单

的磷酸盐或结构复杂的磷灰石等植物难以吸收的无机磷酸盐转化为可溶性无机磷的细菌,称为无机磷细菌[1]。当然,某些细菌不仅可以溶解无机磷,也能分解有机磷,二者之间并无严格的界定。

细菌中解磷能力比较强的主要为芽孢杆菌

(B acill us )和假单胞菌(Pseu domonas )[2,4]。已经报

道的芽孢杆菌包括蜡状芽孢杆菌(B.cereus )、环状芽孢杆菌(B.ci rcul ans )、坚强芽孢杆菌(B.f i r 2

m us )、地衣芽孢杆菌(B.licheni f ormis )、巨大芽孢

杆菌(B.megateri um )、B.mesent ricus 、蕈状芽孢杆菌(B.m ycoi des )、短小芽孢杆菌(B.p umilis )、枯草芽孢杆菌(B.subtilis )、栗褐芽孢杆菌(B.badi us )等;假单胞菌包括沟槽假单胞菌(P.st ri at a )、青紫葛假单胞菌(P.cissicol a )、荧光假单胞菌(P.f l uo 2

rescens )、P.pi nop hill um 、恶臭假单胞菌(P.p uti 2da )、丁香假单胞菌(P.s y ri n gae )、施氏假单胞菌(P.st utz eri )、产碱假单胞菌(P.alcali genes )、铜绿

假单胞菌(P.aeru gi nosa )等。

磷细菌在土壤中分布广泛,除芽孢杆菌和假单胞菌外,变形菌属(Proteus )、沙雷氏菌属(S erra 2

ti a )、固氮菌属(A z otobacter )、欧文氏菌属(Erw i n 2i a )、黄单孢菌属(X ant homonas )、产碱菌属(A lcali 2genes )、棒杆菌属(Cory nebacteri um )、微球菌属(M icrococcus )、微杆菌属(M icrobacteri um )、节杆菌

属(A rt hrobacter )、沙门氏菌属(S al monell a )、葡萄球菌属(S t a p hy lococcus )、黄杆菌属(Fl avobacteri 2

um )、埃希氏菌属(Escherichi a )、变形菌属(Pro 2

teus)、色杆菌属(Chromobacteri um)、硫杆菌属(T hiobacill us)、无色杆菌属(A chromobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、泛生菌属(Pantoea)、短芽孢杆菌属(B revibacill us)、希瓦氏菌属(S hew anell a)、类芽孢杆菌属(Paenibacill us)中的一些种类也具有解磷能力[4,11～15]。由于磷细菌与自然界物质循环和农业生产关系密切,因此,有关磷细菌资源与生态研究受到普遍关注。近年来,Pseu domonas rhi z os p ha2 erae,P.l utea,M icrobacteri um ul mi等新的磷细菌不断被发现[2,16,17]。

1.2　磷细菌的数量及分布

磷细菌在土壤中的数量及分布受土壤物理结构、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[3]

我国干旱地区土壤中磷细菌数量差异比较大,黑钙土磷细菌含量最多可以达到4.89×107cf u/g,但种群结构简单,黄棕壤中磷细菌数量为2.04×104cf u/g,白土中磷细菌数量只有1.68×104 cf u/g[18]。林启美等[13]通过分析农田、林地、草地和菜地4种生态系统土壤中有机磷细菌和无机磷细菌的数量发现,有机磷细菌数量明显多于无机磷细菌,草地土壤中两类磷细菌数量差异达1个数量级。无论是有机磷细菌还是无机磷细菌,都以菜地土壤最多,分别为5.9×106个/g和4.7×106个/g,而农田土壤中磷细菌最少,只有菜地土壤的1/10。林地土壤尽管有机质质量分数很高,但是磷细菌数量并不多[13]。Ponmurugan和G opi[19]报道,不同作物根际土壤中解磷菌的数量不同,落花生根际磷细菌为14.90×105个/g,磷细菌数量较少的鸭脚稗根际每克干土中也达到7.33×105个。

不同土壤中磷细菌的分布规律不同,大部分磷细菌出现在植物根际土壤中[20]。赵小蓉等[21]发现,磷细菌的分布表现出强烈的根际效应,即根际土壤磷细菌数量比非根际多,但是磷细菌在根际细菌中并不占优势。Babana和Anto un[22]发现,在4种不同性质的土壤中,3种小麦根际磷细菌的分布都明显表现出根际效应,而且不同作物根际分布的磷细菌种群结构也有差异。于翠等[11]发现,大青叶在不同生育时期、根际与非根际相比较,磷细菌种类与数量不同,主要以芽孢杆菌属为主,但是新梢停长期根际磷细菌种类比其他生长时期更复杂,类群更丰富,共分离到6个菌属。赵小蓉等[21]认为,无论是无机磷细菌还是有机磷细菌,小麦根际都比非根际土壤中磷细菌种群结构复杂,优势种群也更加明显,根际土壤有机磷细菌比无机磷细菌要多3倍。赵小蓉等[21]在小麦根际土壤中发现,有机磷细菌和无机磷细菌有4个属;非根际土壤中有机磷细菌和无机磷细菌只有2个属。Paul和Sundara[23]研究豆科植物根际磷细菌后发现,芽孢杆菌属占优势。Molla和Chowdhury[24]研究了黑麦草及小麦根际与非根际土壤中的磷细菌,发现芽孢杆菌属、变形菌属、沙雷氏菌属、假单胞菌属和微球菌属比较常见。

Reyes等[25]研究了委内瑞拉地区解磷菌的分布规律,发现含有矿石的土壤比不含矿石的土壤中磷细菌的数量要高出14个百分点,约占土壤中细菌总数的19%,主要为固氮菌属。

2　磷细菌解磷能力的研究方法

分离磷细菌的方法一般是根据以有机磷(卵磷脂)或无机磷(磷酸三钙)为唯一磷源的细菌平板上产生清晰的透明圈来确定,但是这种方法并不可靠,许多不产生透明圈的菌株在液体培养时也能表现出较高的解磷能力[3,26]。Reyes等[25]发现,同一株磷细菌在利用不同的碳源时在平板上形成的透明圈直径不同,也说明通过固体培养基培养的结果判定磷细菌的解磷能力具有局限性。尽管存在这些问题,但目前平板分离的方法仍然是大量筛选土壤中磷细菌的重要手段[8,10]。

研究磷细菌解磷能力主要有3种方法。(1)与分离磷细菌方法相同,将磷细菌在含有磷酸盐的培养基上培养后,测定菌落周围形成清晰透明圈的大小,根据透明圈与菌落直径的比值,对细菌的解磷能力进行初步判定[10,27]。(2)对磷细菌进行液体培养,测定培养液中可溶性磷的含量变化。尹瑞玲[18]将磷细菌培养液过滤,直接测定滤液中的磷含量;梁绍芬等[28]通过离心来除去培养液中的细菌细胞,然后测定上清液中的磷含量;也有人在磷细菌培养液中加入0.1mol/L HCl并振荡过滤后进行测定[29],但是这些测定结果都不包括细菌生长过程中保存在细胞中的磷元素,可能低估细菌的解磷能力。Pérez 等[10]在研究磷细菌的解磷能力时发现,估算解磷速率必须考虑菌体内磷元素的存在。(3)采用土培或砂培法,通过测定有效磷含量的变化,判断细菌的解磷能力。赵小蓉等[30]对磷细菌进行砂培后,将培养物用氯仿熏蒸或浓硫酸消煮,通过钼锑抗比色法测定磷含量,这种解磷能力研究方法考虑到细菌生长