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解磷菌

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解磷菌土壤磷素循環是以微生物活動為中心的。微生物的活動對土壤磷的轉化和有效性影響很大。國內外大量的研究證明土壤中存在許多微生物，能夠將植物難以吸收利用的磷轉化為可吸收利用的形態，具有這種能力的微生物叫做解磷菌或溶磷菌（phosphate-solubilizing microorganisms）。

基本信息

中文名； 解磷菌

外文名； phosphate-solubilizing microorganisms

別 稱； 溶磷菌

分 類； 微生物

發現人； Sackett

作 用； 溶解磷

種類

人們在20世紀初開始注意到微生物與土壤磷之間的關係。Sackett（1908年）發現一些難溶性的複合物施入土壤中，可以被作為磷源而應用，他們從土壤中篩選出50株細菌，其中36株在平板上形成了肉眼可見的溶磷圈。1948年Gerretsen發現植物施入不溶性的磷肥，經接種土壤微生物後，促進了植株的生長，增加磷的吸收。他分離出了這些微生物，發現這些微生物可幫助磷礦粉的溶解。從此，許多科學家致力於解磷菌的研究，相繼報道了許多微生物具有解磷作用。

具有解磷作用的微生物種類很多，也比較複雜。有人根據解磷菌分解底物的不同將它們劃分為能夠溶解有機磷的有機磷微生物和能夠溶解無機磷的無機磷微生物，實際上很難將它們區分開來。報道具有解磷作用的微生物解磷細菌類有芽孢桿菌（Bacillus）、假單胞桿菌（Pseudomonas）、歐文氏菌（Erwinia）、土壤桿菌（Agrobacterium）、沙雷氏菌（Serratia）、黃桿菌（Flavobacterium）、腸細菌（Enterbacter）、微球菌（Micrococcus）、固氮菌（Azotobacter）、根瘤菌（Bradyrhizobium）、沙門氏菌（Salmonella）、色桿菌（Clromobacterium）、產鹼菌（Alcaligenes）、節細菌（Arthrobacter）、硫桿菌（Thiobacillus）、埃希氏菌（Escherichia）；解磷真菌類有青黴菌（Penicillium）、麴黴菌（Aspergillus）、根霉（Rhizopus）、鐮刀菌（Fusarium）、小菌核菌（Sclerotium）；放線菌有鏈黴菌（Streptomyces）；AM菌根菌。

生態分布

解磷菌在土壤中的數量及生態分布，受土壤質地、有機質含量、土壤類型、耕作栽培方式的影響。尹瑞玲（1988年）對我國旱地土壤溶磷微生物的研究表明，溶磷微生物平均約為10 CFU/g土，占整個土壤微生物的27.1%~82.1%。其中以細菌所占比例最大。溶磷微生物數量因土壤而異，黑鈣土>黃棕壤>白土>紅壤>磚紅壤>瓦鹼土。在黑鈣土中解磷菌以芽孢桿菌和假單胞桿菌為主，而黃棕壤和紅壤中的解磷菌種類繁多。林啟美（2000年）等調查農田、林地、草地和菜地等4種不同土壤生態環境中解磷菌數量和種群結構時，發現前3種土壤中的有機磷細菌只有菜地土壤的1/10，但農田土壤中解磷細菌的總數所占比例並不低。耕地土壤有機解磷菌主要是芽孢桿菌屬，林地和菜地則主要是假單胞桿菌屬；無機磷細菌種類比較少。羅明（2001年）等人研究了不同施肥措施對新疆地區棉田土壤磷細菌的影響結果表明，有機肥與N、P、K化肥合理的配施能有效促進磷細菌的生長繁殖。化肥中以氮肥的促進作用最為顯著。Kucey（1983年）則報道土壤中解磷菌的數量只占土壤微生物總數的0.1%~0.5%，遠遠低於我國的報道。

解磷菌在植物根圈不同區域的數量分布表現出強烈的根際效應。即根際土壤的數量要比非根際高的多。Katznelson(1962年)對從小麥根圈解磷細菌的分布研究表明，從根面上分離的磷細菌的數量要比非根際土和根際土區高18倍和6倍。林啟美和趙小蓉研究結果也表明小麥和玉米根際土壤解磷菌數量要比非根際高1~2個數量級。解磷菌表現出的強根際效應可能與根圈磷素營養虧缺誘導有關，但由於根圈微生物的群落結構受根系分泌物及根脫落物的影響，導致不同植物根圈微生物的組成差別很大，這種作用也影響解磷菌的群落組成。Sundara Rao 和Sinha（1963年）發現小麥根際解磷菌主要為芽孢桿菌和埃希氏菌屬；Elliott（1987年）報道春小麥根際解磷菌主要是芽孢桿菌、假單胞桿菌和鏈黴菌；趙小蓉報道夏玉米收穫時期根際有機磷細菌主要是假單胞桿菌和黃桿菌屬，無機磷主要是歐文氏菌屬；Paul和Sundara Rao（1971年）發現豆科植物根際解磷菌主要是芽孢桿菌。

作用機理

測定微生物是否具有解磷能力一般有3種方法，一是平板法，即將解磷菌在含有難溶性磷酸鹽或有機磷的固體培養基上培養，測定菌落周圍產生溶磷圈的大小；二是液體培養法，測定培養液中可溶性磷的含量；三是土壤培養，測定土壤中有效磷含量。

繼Gerretsen之後，Sperber對細菌解磷進行了深入的研究。Sperber從土壤中分離出291株細菌，其中184株能夠生長在含有難溶性磷酸鹽的平板上，84株在菌落周圍產生1~10 mm的溶磷圈。尹瑞玲（1988年）測定了從土壤中分離出的265株細菌溶解摩納哥磷礦粉能力，發現培養6 d（28 ℃）後，溶磷能力平均為2~30 mg/g，其中44株巨大芽孢桿菌、節桿菌、黃桿菌歐文氏菌及假單胞桿菌解磷最強，達25~30 mg/g。Sundara Rao等（1963年）利用磷酸三鈣作為磷源，經14 d的液體培養後，發現幾株芽孢桿菌解磷能力達70.52~156.80 mg/ml。Paul和Sundara Rao測定從豆科植物根際分離出來的幾株芽孢桿菌溶解磷酸三鈣的效率高達18%，其中解磷能力最強的是巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）。Molla和Chowdhury（1984年）也報道了不同的解磷菌株之間在解磷能力上的差異。另外，林啟美和趙小蓉（2001年）將纖維素分解菌康氏木霉W9803Fn（Trichoderma konigii）、產黃纖維單胞菌W9801Bn（Cellulomonas flavigena）與無機磷細菌2VCP1共培養時發現，纖維素分解菌的分解作用，為無機磷細菌生長繁殖提供碳源，提高了無機磷溶解磷礦粉的能力。邊武英（2000年）等人研究了高效解磷菌（PEM）對針鐵礦-磷複合體吸附磷的活化作用，結果表明PEM能有效地利用礦物吸附磷，微生物利用率和轉化率分別達到57.5%和61.7%，均明顯高於一般土壤微生物。

解磷真菌在數量上遠不如解磷細菌多，其種類也少，主要局限於青黴（Penicillium）、麴黴（Aspergillus）、鐮刀菌（Fusarium）、小絲核菌（Sclerotium）等幾個屬種。由於青黴和麴黴在解磷真菌中占絕對優勢，故對這兩個屬真菌的解磷作用及應用效果研究報道的較多。Kucey（1989年）從草原土中分離的解磷真菌大多為青黴和麴黴，並證明雖然解磷真菌的種類不多，但其解磷能力通常比細菌強。許多解磷細菌在傳代培養後會喪失解磷動能，而且一旦喪失就不能再恢復，而解磷真菌遺傳較穩定，一般不易失去解磷功能。Kucey（1987年）、Asea（1988年）、Cerezine(1988年)、Nahas (1990年)、王富民（1992年）和范丙全（2002年）對青黴菌（Penicillium bilaii，P. oxalicum）或麴黴菌（Aspergillus niger）解磷作用都進行了詳細地研究報道。

解磷菌的解磷機制因不同的菌株而有所不同。有機磷微生物在土壤缺磷的情況下，向外分泌植酸酶、核酸酶和磷酸酶等，水解有機磷，轉化為無機磷酸鹽。無機磷微生物的解磷機制一般認為與微生物產生有機酸有關，這些有機酸能夠降低pH值，與鐵、鋁、鈣、鎂等離子結合，從而使難溶性的磷酸鹽溶解。Sperber（1957年）鑑定了解磷細菌可產生乳酸、羥基乙酸、延胡索酸和琥珀酸等有機酸。Louw和Webly（1959年）則認為微生物產生的乳酸和α-酮基葡萄糖酸是溶解磷酸鹽的有效溶劑。林啟美等也發現細菌可以產生多種有機酸，且不同菌株之間差別很大。趙小蓉等的研究表明，微生物的解磷量與培養液中pH存在一定的相關性（r =-0.732），但同時也發現培養介質pH值的下降，並不是解磷的必要條件，表明不同的有機酸對鐵、鋁、鈣、鎂等離子的螯合能力有差異。Rajan（1981年）等報道將磷礦粉、硫顆粒和一種硫氧化細菌混用，通過硫氧化細菌的作用使硫顆粒氧化成硫酸，溶解磷礦粉。

大量研究報道真菌的解磷作用與產生有機酸有關。王富民（1992年）等人對黑麴黴（Aspergillus niger）的研究表明，該菌在發酵過程中產生草酸、檸檬酸等多種有機酸。James（1992年）研究了Penicillium bilaii溶解磷酸鈣的機制，結果證明Penicillium bilaii在培養過程中主要產生草酸和檸檬酸，且氮缺乏有利於檸檬酸產生，碳缺乏有利於草酸產生。范丙全等(2002年)對溶磷草酸青黴菌(Penicillium oxalium)溶磷效果研究表明，氮源影響草酸青黴菌產生有機酸的種類，使用氨態氮時主要分泌蘋果酸、乙酸、丙酸、檸檬酸、琥珀酸，而在硝態氮條件下幾乎不產生這些有機酸，可見氮源的不同影響了有機酸的代謝方向，並且同一種菌的解磷機理可能不只一種。另外，一些解磷菌導致培養介質酸度的提高與產生的有機酸無關，不產有機酸的微生物也具有解磷的作用，究其機制可能與呼吸作用產生碳酸和NH4/ H交換機制有關。研究證明微生物在攝取陽離子（如NH4）的過程中，利用ATP轉換時所產生的能量，將H釋放在細胞表面，有利於有機磷的溶解，如Penicillium effuscum。對AM（Arbuscular Mycorrhiza）菌根菌促進植物磷養分的吸收，促進作物生長，增加植株磷素濃度，改善植物的磷營養方面報道較多。宋勇春（2001年）在缺磷土壤中施用植酸和卵磷脂時，接種幾種菌根真菌（Glomus mosseae，G. versiformea, Gigaspora margarita），對根際土壤測定表明，菌根菌增加了土壤酸性磷酸酶和鹼性磷酸酶的活性；促進了土壤難溶性有機磷有效化及玉米和紅三葉草對磷的吸收。Arihara等（2000年）對AM菌根與玉米生長關係的研究表明，即使在播種前土壤中有效性磷濃度相同（土壤），玉米產量與AM菌根菌定植率成正相關，R=0.80。AM菌根菌促進了植物對磷的吸收的機制主要為（1）菌根增加了植物根系吸收磷的表面，使植物可以吸收原來無法利用的磷源，並使之轉化、輸送給寄主植物；（2）菌根改變植物的生長狀態，促進根際酸性磷酸酶和鹼性磷酸酶的活性提高；（3）菌根擴大了根圈範圍，也就擴大了磷的消耗圈。

應用

前蘇聯孟基娜（1935年）從土壤中分離一種解磷巨大芽孢桿菌（B. megaterium var. phosphaticum）能分解核酸和卵磷脂，並於1947年大量生產使用，接種土壤中能提高土壤有效磷含量。我國對解磷菌的研究始於1950年，前東北農科所於1950年從東北黑土和灰化土中分離出能分解有機磷的巨大芽孢桿菌。同年，中國科學院前林業土壤研究所從東北黑土中分離出一種假單胞菌（Pseudomonas spp.）也具有分解核酸和卵磷脂的能力。東北農科所將巨大芽孢桿菌製成菌劑在黑鈣土和非黑鈣土上施用，不同的作物增產幅度不同，平均增產黑鈣土為13.5%，非黑鈣土為11.7%。20世紀80年代以後，國內許多單位相繼開發出了有多種芽孢桿菌組成的複合解磷菌製劑，但由於解磷細菌的遺傳穩定性差，這些菌劑在生產上使用的效果並不理想。黑麴黴是一種解磷效果非常好的菌株，但由於它是多種植物的病原微生物，在土壤中大量存在，可導致種子霉爛和根系腐爛，故該菌株不宜作為解磷菌劑在土壤中直接應用。Penicillium bilaii是另外一種解磷效果很好的土壤真菌，大量的研究表明，用P. bilaii種子處理或土壤接種提高了土壤中有效磷含量，促進了多種作物磷吸收量增加和產量的提高。Gulden和Vessey （2000年）在3種磷素水平下接種P. bilaii，對在生長袋中生長的豌豆研究結果表明，接種處理增加根毛量22%，增加根毛長度33%。Vessey和Heisinger（2001年）在加拿大的兩個地區用P. bilaii接種豌豆對其根形態、根長以及根和莖的參數的研究也證明接種處理提高根長48%，根重提高13%，莖部磷含量相對於無磷處理增加13%。另外還有文獻報道接種P. bilaii還具有一定的後效。解磷菌施入土壤後解磷作用的發揮與土壤中碳素的供給關係密切。簡宜裕等（1994年）所作的解磷菌施入土壤在土壤中存活及對土壤有效磷影響的研究表明，解磷菌必須和玉米粒配合使用，才能顯著增加土壤有效磷含量。單獨增施玉米粒於土壤中雖然也可以增加土壤有效磷含量，但不如解磷菌和玉米粒同時施入土壤的效果好，土壤中碳源的增加，有利於解磷菌的生存和繁殖。可見解磷菌與纖維素分解菌配合施用，可能更有利於提高解磷菌的解磷效果。另外還有報道解磷菌與根瘤菌或菌根菌配合應用，對發揮解磷功能和提高農作物的產量都具有很好的作用。

意義展望

磷是植物生長發育的重要物質基礎，作物吸收磷量與其生物量（r =0.97）和產量（r =0.75）呈顯著的正相關。然而由於磷固定的存在使得土壤缺磷在世界範圍內廣泛存在，磷供給不足是世界農業生產中最重要的限制因素之一。從我國情況來看，全國有74%耕地土壤缺磷，解決這一問題不外乎兩條途徑：一是增加磷源投入，二是提高難溶性磷的利用率。從農業的可持續發展來看，第一條途徑存在一定的問題，首先，磷是一個不可再生資源，根據已探明的磷礦儲量和開採速度，世界現有磷礦資源只能維持100年左右，而且我國磷礦資源並不豐富，且品位較低，大量的磷肥依賴進口。其次，磷肥生產需要大量的硫酸或磷酸，能源消耗大，增加了農業生產的成本。再次，高水溶性磷肥施入固磷強的石灰性土壤中，作物的當季利用率一般只有5%~10%，加上作物的後效，也不超過25%。因此，大部分磷肥作為無效態（難溶態）在土壤中積累。據報道，至少有70%~90%的磷進入土壤而成為難以被作物吸收利用的固定形態（魯如坤，1995年）。在這些土壤中，土壤有效磷含量很低而全磷含量較高，如據黃土高原7省區的調查，土壤全磷平均較有效磷高250倍；黃淮海平原黃潮土與風沙土全磷較有效磷高130~500倍（李振生，1992年）。我國自20世紀50年代施用化學磷肥以來，儲存累積在土壤中的難溶性磷高達6000萬 t，超過全國磷肥10年消費量的總和。而第二條途徑的潛力則很大，它是對土壤中磷及所施入的磷肥進行活化提高其有效性，走低投入高產出的可持續發展之路。第二條途徑包括三方面的內容：一是發揮植物的自身潛力，通過育種技術的創新，定向地篩選培育磷高效植物品種來開發利用土壤難溶性磷素資源，這方面研究已成為世界許多科學家研究的熱點；二是在研究磷在土壤中的形態分布特徵和作物吸磷特性的基礎上，通過改進磷肥的施用技術等方式提高磷的潛在有效性；三是從土壤中篩選高效解磷微生物，研製成解磷菌劑拌種或直接施入土壤，將土壤中難溶性磷活化出來。可見解磷菌的研究對發展持續高效農業具有深遠的戰略意義。