解磷菌的研究现状与展望

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ解磷菌的研究现状与展望王光华1，2，赵英3，周德瑞1，杨谦11：哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001；2：中国科学院东北地理与农业生态研究所，黑龙江哈尔滨150040；3：黑龙江省科技推广中心，黑龙江哈尔滨150001摘要：磷素是植物生长的大量必需营养元素之一，在土壤中极易被固定而使其有效性降低，因此对解磷菌的研究一直受到科学家的重视。文章对解磷菌的种类、在土壤中的存在数量和生态分布、解磷作用机理、解磷菌剂的应用效果等方面的研究现状作了综述，并论述了对解磷菌的研究意义及今后应加强的研究方向。关键词：解磷菌；生态分布；解磷机制中图分类号：S154.3；X172文献标识码：A文章编号：1672-2175（2003）01-0096-06磷是生物重要的营养元素之一。磷是原生质的重要组分，高能磷酸键是能量的载体。植物的光合作用和体内的生化过程都必须有磷参加。大气中没有磷素的气态化合物，因此土壤磷素的循环与碳、氮、硫等元素的循环不一样，没有大气阶段。它是一种典型的沉积循环，主要在土壤、植物和微生物之间进行[1]。在未受干扰的生态系统中，磷素循环是封闭型的，进入植物体内的磷，大多来自植物残体中的磷的再循环，后者是在微生物作用下进行。在农业生态系统中，由于农产品被取走，以及由于地表径流和侵蚀的影响而使磷遭损失，因而磷素循环是开放型的。土壤中的磷素是以无机和有机化合物这两种状态存在。土壤中无机磷的含量约占全磷量的1/2~1/3。土壤中无机磷的形态主要有原生矿物和次生矿物二种类型。原生矿物主要有磷灰石，其主要成分为钙氟磷灰石和氟氧磷灰石。次生矿物主要指化合态即沉淀态的磷酸盐，它可分为闭蓄态和非闭蓄态二种类型。闭蓄态磷指磷酸铁和磷酸铝被氧化铁胶膜所包蔽，其活性低，供磷能力弱。非闭蓄态磷酸盐包括磷酸铁、磷酸铝、磷酸三钙三种形态。这三种形态的磷在一定条件下可以释放出来，供植物利用。土壤中有机磷约占全磷量的1/2~1/3，其中50%是磷酸肌醇（2%~50%）、磷脂（1%）、核酸（3%）和少量磷蛋白、磷酸糖。另外50%的一类在化学形态和性质上还不清楚[2]。土壤中的有机磷不能被植物直接吸收，它们必须在微生物的作用下转变成可利用的无机态形式才能被利用。土壤中能被植物吸收利用的有效态无机磷很低，一般只占全磷量的2%~3%。土壤中的有效磷和土壤中的全磷量往往并不相关，这就是说土壤全磷含量高时并不意味着磷素供应充足，而土壤全磷低时，则意味着土壤供磷不足。这是因为易溶性的磷肥施入土壤后，部分可被植物吸收利用，而另一部分与土壤组分发生反应后移出土壤液相，成为植物难利用的形态，这个过程称为磷的固定。磷的固定分为吸附和沉淀两大类。现代的研究者又将磷固定机制细化为物理吸附（physicalabsorption）、化学吸附（chemicalabsorption）、阴离子交换（anionexchange）、表面沉淀（surfaceprecipitation）和独立固相沉淀（separatesolidphaseprecipitation）等形态[3]。土壤磷固定现象的存在，表明尽管土壤中磷全量很高，但可提供给植物生长发育的有效磷含量可能很低。土壤磷素循环是以微生物活动为中心的。微生物的活动对土壤磷的转化和有效性影响很大。国内外大量的研究证明土壤中存在许多微生物，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叫做解磷菌或溶磷菌（phosphate-solubilizingmicroorganisms）。1解磷菌的种类人们在20世纪初开始注意到微生物与土壤磷之间的关系。Sackett（1908）[4]发现一些难溶性的复合物施入土壤中，可以被作为磷源而应用，他们从土壤中筛选出50株细菌，其中36株在平板上形成了肉眼可见的溶磷圈。1948年Gerretsen发现植物施入不溶性的磷肥，经接种土壤微生物后，促进了植株的生长，增加磷的吸收。他分离出了这些微ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ生物，发现这些微生物可帮助磷矿粉的溶解[5]。从此，许多科学家致力于解磷菌的研究，相继报道了许多微生物具有解磷作用。具有解磷作用的微生物种类很多，也比较复杂。有人根据解磷菌分解底物的不同将它们划分为能够溶解有机磷的有机磷微生物和能够溶解无机磷的无机磷微生物，实际上很难将它们区分开来。目前报道具有解磷作用的微生物解磷细菌类有芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞杆菌（Pseudomonas）、欧文氏菌（Erwinia）、土壤杆菌（Agrobacterium）、沙雷氏菌（Serratia）、黄杆菌（Flavobacterium）、肠细菌（Enterbacter）、微球菌（Micrococcus）、固氮菌（Azotobacter）、根瘤菌（Bradyrhizobium）、沙门氏菌（Salmonella）、色杆菌（Clromobacterium）、产碱菌（Alcaligenes）、节细菌（Arthrobacter）、硫杆菌（Thiobacillus）、埃希氏菌（Escherichia）；解磷真菌类有青霉菌（Penicillium）、曲霉菌（Aspergillus）、根霉（Rhizopus）、镰刀菌（Fusarium）、小菌核菌（Sclerotium）；放线菌有链霉菌（Streptomyces）；AM菌根菌[1,6,7]。2解磷菌在土壤中的数量及生态分布解磷菌在土壤中的数量及生态分布，受土壤质地、有机质含量、土壤类型、耕作栽培方式的影响。尹瑞玲（1988）[8]对我国旱地土壤溶磷微生物的研究表明，溶磷微生物平均约为107CFU/g土，占整个土壤微生物的27.1%~82.1%。其中以细菌所占比例最大。溶磷微生物数量因土壤而异，黑钙土黄棕壤白土红壤砖红壤瓦碱土。在黑钙土中解磷菌以芽孢杆菌和假单胞杆菌为主，而黄棕壤和红壤中的解磷菌种类繁多。林启美（2000）[9]等调查农田、林地、草地和菜地等4种不同土壤生态环境中解磷菌数量和种群结构时，发现前3种土壤中的有机磷细菌只有菜地土壤的1/10，但农田土壤中解磷细菌的总数所占比例并不低。耕地土壤有机解磷菌主要是芽孢杆菌属，林地和菜地则主要是假单胞杆菌属；无机磷细菌种类比较少。罗明（2001）[10]等人研究了不同施肥措施对新疆地区棉田土壤磷细菌的影响结果表明，有机肥与N、P、K化肥合理的配施能有效促进磷细菌的生长繁殖。化肥中以氮肥的促进作用最为显著。Kucey（1983）[11]则报道土壤中解磷菌的数量只占土壤微生物总数的0.1%~0.5%，远远低于我国的报道。解磷菌在植物根圈不同区域的数量分布表现出强烈的根际效应。即根际土壤的数量要比非根际高的多。Katznelson(1962)[12]对从小麦根圈解磷细菌的分布研究表明，从根面上分离的磷细菌的数量要比非根际土和根际土区高18倍和6倍。林启美和赵小蓉研究结果也表明小麦和玉米根际土壤解磷菌数量要比非根际高1~2个数量级。解磷菌表现出的强根际效应可能与根圈磷素营养亏缺诱导有关，但由于根圈微生物的群落结构受根系分泌物及根脱落物的影响，导致不同植物根圈微生物的组成差别很大，这种作用也影响解磷菌的群落组成。SundaraRao和Sinha（1963）[13]发现小麦根际解磷菌主要为芽孢杆菌和埃希氏菌属；Elliott（1987）[14]报道春小麦根际解磷菌主要是芽孢杆菌、假单胞杆菌和链霉菌；赵小蓉[7]报道夏玉米收获时期根际有机磷细菌主要是假单胞杆菌和黄杆菌属，无机磷主要是欧文氏菌属；Paul和SundaraRao（1971）[15]发现豆科植物根际解磷菌主要是芽孢杆菌。3解磷菌的解磷作用及机理测定微生物是否具有解磷能力一般有3种方法，一是平板法，即将解磷菌在含有难溶性磷酸盐或有机磷的固体培养基上培养，测定菌落周围产生溶磷圈的大小；二是液体培养法，测定培养液中可溶性磷的含量；三是土壤培养，测定土壤中有效磷含量。继Gerretsen之后，Sperber[16]对细菌解磷进行了深入的研究。Sperber从土壤中分离出291株细菌，其中184株能够生长在含有难溶性磷酸盐的平板上，84株在菌落周围产生1~10mm的溶磷圈。尹瑞玲（1988）[8]测定了从土壤中分离出的265株细菌溶解摩纳哥磷矿粉能力，发现培养6d（28℃）后，溶磷能力平均为2~30mg/g，其中44株巨大芽孢杆菌、节杆菌、黄杆菌欧文氏菌及假单胞杆菌解磷最强，达25~30mg/g。SundaraRao等（1963）[13]利用磷酸三钙作为磷源，经14d的液体培养后，发现几株芽孢杆菌解磷能力达70.52~156.80g/ml。Paul和SundaraRao[15]测定从豆科植物根际分离出来的几株芽孢杆菌溶解磷酸三钙的效率高达18%，其中解磷能力最强的是巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）。Molla和Chowdhury（1984）[17]也报道了不同的解磷菌株之间在解磷能力上的差异。另外，林启美和赵小蓉（2001）[18]将纤维素分解菌康氏木霉W9803Fn（Trichodermakonigii）、产黄纤维单胞菌W9801Bn（Cellulomonasflavigena）与无机磷细菌2VCP1共培养时发现，纤维素分解菌的分ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ解作用，为无机磷细菌生长繁殖提供碳源，提高了无机磷溶解磷矿粉的能力。边武英（2000）[19]等人研究了高效解磷菌（PEM）对针铁矿-磷复合体吸附磷的活化作用，结果表明PEM能有效地利用矿物吸附磷，微生物利用率和转化率分别达到57.5%和61.7%，均明显高于一般土壤微生物。解磷真菌在数量上远不如解磷细菌多，其种类也少，主要局限于青霉（Penicillium）、曲霉（Aspergillus）、镰刀菌（Fusarium）、小丝核菌（Sclerotium）等几个属种。由于青霉和曲霉在解磷真菌中占绝对优势，故对这两个属真菌的解磷作用及应用效果研究报道的较多。Kucey（1989）从草原土中分离的解磷真菌大多为青霉和曲霉，并证明虽然解磷真菌的种类不多，但其解磷能力通常比细菌强。许多解磷细菌在传代培养后会丧失解磷动能，而且一旦丧失就不能再恢复，而解磷真菌遗传较稳定，一般不易失去解磷功能。Kucey（1987）[20]、Asea（1988）[21]、Cerezine(1988)[22]、Nahas(1990)[23]、王富民（1992）[24]和范丙全（2002）[25]对青霉菌（Penicilliumbilaii，P.oxalicum）或曲霉菌（Aspergillusniger）解磷作用都进行了详细地研究报道。解磷菌的解磷机制因不同的菌株而有所不同。有机磷微生物在土壤缺磷的情况下，向外分泌植酸酶、核酸酶和磷酸酶等，水解有机磷，转化为无机磷酸盐。无机磷微生物的解磷机制一般认为与微生物产生有机酸有关，这些有机酸能够降低pH值，与铁、铝、钙、镁等离子结合，从而使难溶性的磷酸盐溶解。Sperber（1957）[16]鉴定了解磷细菌可产生乳酸、羟基乙酸、延胡索酸和琥珀酸等有机酸。Louw和Webly（1959）[26]则认为微生物产生的乳酸和α-酮基葡萄糖酸是溶解磷酸盐的有效溶剂。林启美等也发现细菌可以产生多种有机酸，且不同菌株之间差别很大。赵小蓉等[7]的研究表明，微生物的解磷量与培养液中pH存在一定的相关性（r=-0.732），但同时也发现培养介质pH值的下降，并不是解磷的必要条件，表明不同的有机酸对铁、铝、钙、镁等离子的螯合能力有差异。Rajan（1981）[27]等报道将磷矿粉、硫颗粒和一种硫氧化细菌混用，通过硫氧化细菌的作用使硫颗粒氧化成硫酸，溶解磷矿粉。大量研究报道真菌的解磷作用与产生有机酸有关。王富民（1992）[24]等人对黑曲霉（Aspergillusniger）的研究表明，该菌在发酵过程中产生草酸、柠檬酸等多种有机酸。James（1992）[28]研究了Penicilliumbilaii溶解磷酸钙的机制，结果证明Penicilliumb