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第四讲：微生物资源的开发和利用 第四节 微生物肥料
很早以前人们就发现了许多微生物能够固氮，其中一些可以作为微生物肥料使用，国内外多年的试验已经证明了微生物肥料的肥效是肯定的。但由于人们对化学肥料的偏爱和对微生物肥料的偏见，现代农业仍以化学肥料作为氮肥的主要来源。然而长期大量施用化肥会使土地板结，肥力下降，同时，化肥的生产又会给环境带来严重污染。因此，在绿色农业已成为世界农业发展的今天，大力提倡和发展微生物肥料，就更显得意义重大。 所谓微生物肥料是指一类含有活微生物的特定制品，应用于农业生产中，能够获得特定的肥料效应，在这种效应的生产中，制品中活微生物起关键作用。符合上述定义的制品都应归入微生物肥料 最早发展的传统的微生物肥料是根瘤菌肥料，当时称之为根瘤菌剂，50年代从前苏联引进了自生固氮菌，磷细菌和硅酸盐细菌菌剂，开始称做细菌肥料，60年代我国开始推广使用由放线菌制成的“5406”抗生菌肥料和固氮蓝藻肥，因此改称菌肥，泛指用各种微生物制成的菌剂和生物肥料。近几年来又推广应用由固氮菌、磷细菌、钾细菌和有机肥复合制成生物肥料。目前，国际上对于广泛应用于农业生产的菌肥称为生物肥料（Bio-fertilizer），我国将其称之为微生物肥料（Microbial fertilizer）。 微生物肥料的种类很多，按其制品中特定的微生物种类可分为细菌类肥料、放线菌类肥料、真菌类肥料等；按其作用机理可分为根瘤菌类肥料、固氮菌类肥料、解磷菌类肥料、解钾菌类肥料；按其制品中含有的是单一菌种或复合菌种，又可分为单一微生物肥料和复合（或复混）微生物肥料等。 （1）增进土壤肥力。如固氮微生物肥料可以增加土壤中的氮素营养，磷细菌肥料可以把土壤中储存量大而作物不能直接吸收利用的各种无效磷转化为有效磷，供植物利用。 （2）协助农作物吸收营养。如由土壤真菌制成的VA菌根，可协助植物吸收磷、钾、铜及钙等元素，改善作物的营养。 （3）提高植物抗病能力和抗旱能力。有些微生物肥料使用后，可在一段时间内成为作物根际的优势菌，这些微生物的生长繁殖，可抑制或减少病原微生物的繁殖机会，有些与病原微生物之间还有拮抗作用。VA菌根的使用还可增强作物吸收水分的能力，提高作物的抗旱能力。 （4）肥效高。如根瘤菌肥在施用后可将空气中的分子态氮转化为氮素化合物，直接被植物吸收利用，而化学肥料在施用后有相当一部分由于分解、淋溶而损失掉。 （1）微生物肥料的核心是起特定作用的微生物，这些微生物是从众多菌株中优中选优，针对不同作物不同土壤类型等筛选出来的。这些菌种必须进行不断地纯化、复壮，甚至更新。 （2）微生物肥料肥效作用的基础是活微生物，任何一种微生物肥料都必须含有大量的纯的、有活性的微生物，其数量和纯度直接关系到微生物肥料的应用效果，是衡量其质量的重要标志。当微生物肥料中的特定微生物数量下降到一定程度时，肥料即失去了其肥效作用。因此，微生物肥料除了数量标准以外，还有一定的有效期。 （3）微生物肥料中的特定微生物必须是经过鉴定并明确其分类地位的，同时必须是对人、畜、植物无害的。“无害有效”是世界上生产微生物肥料的国家通用的原则。生产菌种没有经过分类归属鉴定和无害鉴定的微生物肥料是不允许生产和使用的。 微生物肥料由于其本身的生产成本低、用量少、无毒无害、不污染环境的优点，国内外都在积极研究、开发和应用。 我国微生物肥料的研究、生产及应用已有近50年的历史，曾几次起落，经历了许多曲折的过程。从50年代初至今，微生物肥料的生产规模及应用面积在逐步扩大。据估计，目前我国生产微生物肥料的工厂约有100家。微生物肥料的年生产总量约为10万吨，使用面积超过2500万亩。随着优良菌种的不断选育，生产工艺进一步完善和产品质量的不断提高，微生物肥料的生产及应用将会有更大的发展。 在自然界中，每年由微生物所固定的氮素约1亿吨以上，对增加土壤肥力，促进作物生产有着重要作用。目前在生产中使用的固氮菌肥料有多种，主要是根据菌种分类上的不同而不同，作用机制基本相同。有固氮能力的微生物主要是原核微生物，可分三类：（1）共生固氮菌，与高等植物植物共生，例如与豆科植物共生的根瘤菌、与非豆科植物共生的弗氏固氮放线菌；（2）自生固氮菌，这类菌单独生活；（3）联合固氮微生物。 （1）根瘤菌肥料 豆科植物一根瘤菌共生固氮是已知固氮力最强的生物固氮体系。用人工选育出来的高效根瘤菌株经大量繁殖后，将活菌体和草炭土吸附剂混合，制成根瘤菌肥料，在农业生产中发挥了巨大的作用。它肥效高，生产成本低，并且不污染环境，在国内外久用不衰。联合国粮农组织（FAO）和一些固氮组织二十年来发展并推广这项技术，取得了显著效果。我国的根瘤菌肥料已生产应用了几十年，是微生物肥料中效果最稳定的品种之一。豆类作物在播种前用根瘤菌肥料拌种，使种子表面沾着大量根瘤菌，当种子萌发生根后，根系的分泌物刺激相应的根瘤菌大量繁殖，聚集在根周围，通过根毛，入侵根内，从而引起一系列发育上的变化，形成根瘤。在瘤内根瘤菌成为能固氮的类菌体形态，并以其自身产生的固氮酶固氮。在根瘤内部有两种因素保护固氮酶不受大气中氧的毒害，其一是豆血红蛋白，降低了根瘤中氧的含量；其二是由于根瘤的特殊结构（氧屏障系统）使得氧很难扩散入根瘤。根瘤菌利用植物通过光合作用所固定的碳生长，将大气中的氮转化为氨进而转化成谷氨酰胺一类的优质化合物供豆科植物利用。研究指出，根瘤形成的第三天就能测出固氮作用，直至根瘤破溃前，固氮作用始终进行着，豆科作物从根瘤中得到的氮素营养占其一生中氮素营养的30%~80%。经根瘤菌固定的氮素，残留在根瘤里的部分，在根瘤衰老破溃时全部归入土壤，留给下一季作物利用，这也是共生固氮的主要优点之一，是人类研究和开发利用根瘤菌肥料的根本原因所在。 研究发现，多年种植豆科植物的地区，土壤中虽然存在一定数量的根瘤菌，但菌种在很多能力方面均不如人工筛选的优良菌株。在新种植区、新改良的土壤中，根瘤菌极少，常常不能使豆科植物结瘤，因此采用人工接种根瘤是十分必要的。目前在国际上已有数十个国家把接种根瘤菌作为常规措施应用。我国豆科作物应用根瘤菌接种也有四十余年的历史，约有50%左右的菌肥厂生产根瘤菌肥料，其中大豆、花生、紫云英及豆科牧草接种面积较大，增产效果明显。据调查，大豆施用大豆根瘤菌肥料增产幅度在7%~30%；花生的增产幅度为10%~20%；紫云英根瘤菌用于新种植区增产幅度可达一倍或数倍，低产区平均增产72.1%，中产田为28.8%，高产田为18.9%。 （2）其他固氮菌肥料 1）弗氏放线菌： 弗氏放线菌属Frankia属，可以与多种木本植物共生，并且植物根部产生根瘤。这类固氮菌不能利用糖类物质，而通常利用简单的有机酸作为碳源，并且大多数株菌可利用分子态氮作唯一氮源。弗氏放线菌的固氮酶对氧气的耐受程度略高于根瘤菌的固氮酶。弗氏固氮菌的固氮量与根瘤菌属细菌的固氮量大致一致。目前，已经有用弗氏放线菌提高了杨树、桤木的生长能力的报道。 2）自生固氮菌： 自生固氮菌是荷兰学者别依林克于1901年首先从园土及运河水中发现并分离出来的。以后的研究者们又发现了一些类似的固氮菌。根据实验室的试验，自生固氮菌在每公顷土壤上每年平均可积累3.75~7.5Kg左右的氮素，有些种类如圆褐固氮菌，还能形成维生素B12、B1、B6和生物素等，这些物质本身可以刺激农作物生长发育，同时还能促进根际微生物的生命活动，促进土壤有机质的矿化，间接地影响着植物的矿质营养。近年的一些研究指出，一些自生固氮菌在其生活过程中还能溶解难溶性的磷。用自生固氮菌接种于花生，取得了良好的增产效果，这也许是施用固氮菌肥料的另一种作用机制。 3）联合固氮微生物 联合固氮微生物于70年代发现，它们可聚居于多种作物，尤其是禾本科植物的根际、根表或皮层细胞间，但是又不形成象根瘤这样的共生结构，这种固氮作用称为联合固氮作用。已报道的用于根际联合固氮菌肥料的菌种主要有：巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）；肺炎克氏杆菌（Klebsiella pneumoniae），阴沟肠杆菌（Enterbacter cloacae），粪产碱菌（Aleligengs faecalis）等。联合固氮作用的效率与共生固氮作用相比较低，据报道，用于小麦、水稻、玉米的根际联合固氮菌菌剂可增产10%。 随着农业产生的不断发展，农作物产量不断提高，对肥料的需要量也因此而增加，除了对氮肥的需求外，对磷肥的需求也在日益增加。我国磷矿资源相对不足，土壤缺磷的面积较大，约占总耕地面积的2/3，因此，除了人工施用化肥外，施用解磷细菌肥料，将土壤中各种无效磷转化为有效磷供植物利用，也是一个重要途径。 土壤中无机磷的含量约占全磷量的30%�50%，但能被植物吸收的有效态无机磷量很低，一般只全磷量的2�3%。土壤中另外的磷是有机磷，主要有磷酸肌醇、磷脂、核酸和少量磷蛋白、磷酸糖等。微生物在土壤中一个重要的作用是溶解土壤中的磷酸盐，主要表现在以下几个方面：① 微生物在代谢过程中产生的有机酸，如乳酸、草酸、柠檬酸等可以溶解土壤中难溶性的磷酸盐；②微生物通过呼吸作用放出CO2 ，降低环境的pH ，从而引起磷酸盐的溶解；③某些细菌能释放H2S，它与磷酸铁作用，产生硫酸亚铁和可溶性磷酸盐； ④微生物腐解植物残体而产生两种酸，即胡敏酸和富里酸，复合磷酸盐中的钙、铁和铝可与产生的酸螯合，释放出磷酸盐；⑤微生物对钙离子的吸收也可使磷酸根离子进入土壤溶液。微生物对有机物的腐解矿化作用主要是利用各种酶类和有机酸类，使有机磷酸盐矿化为植物能吸收利用的可溶性形态。 前苏联蒙金娜1935年从土壤中分离出一种解磷大芽孢杆菌（B.megatheriumphophaticum）,并于1947年开始使用。据报道，接种后土壤中P2O5 提高15% 以上。我国从50年代开始研究解磷细菌，并已先后分离出一些解磷细菌，70年代有多个磷细菌菌株应用于生产，80年代一些单位推出了以多种芽孢杆菌的不同组合形成的系列产品。据报道，磷细菌肥料用于油菜增产14%�19% ；用于大麦、小麦增产10% 左右。解磷微生物肥料在我国已应用多年，在农业生产中发挥了积极作用，应该说有较好的应用前景。 在耕作层的土壤中含有大量的钾，其含量大约为0.8%-2.6% ,但这些钾绝大部分存在于铝硅酸盐中,植物不能利用.1912年巴撒立克(Bassalik.k)从蚯蚓肠中曾分离出能分解硅酸盐的细菌，1939年苏联学者又直接从土壤中分离到这种细菌，并命名为硅酸盐细菌。我国从各地土壤中也分离出了这类细菌。这类细菌主要对磷钾等矿物元素有特殊利用能力。另外，其菌体内和发酵液中存在有生长素物质和赤霉素类物质，可刺激作物生长和抑制有害微生物的活动。因此，硅酸盐细菌肥料有一定的增产效果是以上综合因素共同作用的结果。硅酸盐细菌施入土壤中，可在根际外或根际内部大量繁殖，在根际特别是根表面硅酸盐细菌数量最多。对于硅酸盐细菌肥料是否能将土壤中难溶钾释放出来，供给作物利用或缓解、解决作物缺钾状况，目前有关这方面的研究报告较少。因此，这类细菌分解硅酸盐的机理有待与进一步研究。 硅酸盐细菌肥料在小麦、棉花、水稻、烟叶等作物上已有应用，效果较好，而用于薯类（喜钾肥料）效果最好，据报道可增产30% 左右。目前，我国约有20多个省区30多种作物850万亩耕地使用，有人称之为“生物钾肥”。我国农业土壤中缺钾的问题日益严重，而钾素化肥由于生产能力不足，每年需要进口。因此，开发硅酸盐细菌肥料，提高土壤中钾的利用率，是微生物肥料领域中的重要课题。 微生物肥料中如根瘤菌、固氮菌、磷细菌和硅酸盐细菌肥料，大多是利用细菌来制造的，而抗生菌肥料多用放线菌来制造。从肥效上看，细菌肥料主要是固定空气中的氮素或转化矿物质，有些也对农作物有促生或抗病作用。我国抗生菌肥料的研究从50年代开始，作为肥料形式推广的只有“5406”放线菌一种，“5406”是代号，它是以细黄链霉菌（Actinomyces microflavus）为菌种生产的一种生物肥料。“5406”抗生菌肥的作用主要有三个方面：① 提高土壤肥力，可对土壤中有机肥料和氮素磷素物质进行有效的转化；从1973年开始，中国农科院连续四年用放射性同位素跟踪法研究“5406”菌肥对提高肥力的影响。以磷素为例，凡施入“5406”菌肥的植物体内，含磷量比对照提高60�70%，肥料利用率提高75%，从土壤中吸收利用的磷提高一倍多，而且加强了营养物质向穗部的转移运输和积累；②产生抗菌性物质，具有防病作用；③能产生生长刺激素，可刺激细胞分裂和纵横伸长，“5406”刺激素，对外界环境因子稳定，对动植物没有药害和毒性，有广泛的使用前景。 近年来国外报道，从能杀虫的微生物中筛选出新的杀虫抗生菌，用此生产杀虫抗生菌肥料，就可使其兼有防病、促生和杀虫三种作用，抗生菌肥料的效果会迅速提高，这是抗生菌肥料的发展趋势。 （1）VA菌根真菌肥料 菌根是土壤中某些真菌侵染植物根部与其形成的菌�根共生体。菌根的种类有：①泡囊�从枝状菌根（简称VA菌根，Vesicular�arhuscular mycorrhiza）；②外生菌根；③内生菌根；④外�内生菌根。与农业关系密切的是VA菌根，它是土壤共生真菌宿主和分布范围最广的一类真菌。研究证明，VA菌根侵染的植物种类多，范围广，而且其菌丝具有协助植物吸收磷、硫、钙、锌等元素和水分的功能。植物根系如有VA菌根共生，其营养状况会发生显著变化。目前，国内外的研究人员利用各种方法人为培养大量的接种VA菌根的植物根，然后用这些侵染了VA菌根的植物根段和含有大量活孢子的根际土为接种剂去接种作物。VA菌根接种剂已得到初步应用，主要用于接种名贵花卉、苗木、药材和经济作物。据国内外报道，在多种作物上均已获得较好的增产效果。 （2）复合（复混）微生物肥料 复合（复混）微生物肥料是两种以上的微生物与其它营养物质复配而成。但其作用机制及效果如何还需要进一步深入的研究和试验。国外曾有过用假单胞菌与大豆根瘤菌复合使用促进和增加了大豆的结瘤率的报道。现在出现的复合（复混）微生物肥料有两种：①两种或两种以上的微生物复合（复混）；②一种微生物和其他营养物质复配。 微生物肥料是依据生物固氮和有益微生物能够改善土壤肥力状况的原理，利用有机废弃物制成可再生性肥源，其资源可无限循环，反复利用。目前，世界人口不断增长，社会对粮食和肥料的需求日益增加。随着人们对环境保护的日益重视和生态农业的发展，微生物肥料必然会有相应的发展，不仅可以补充肥源的不足，而且可能成为绿色食品用肥进入商品市场。为此目的，科研人员正在努力拼搏，希望能够研制出更有效地促进植物生长的菌株作为菌肥，目前的研究主要集中在以下几个方面： 1、研究固氮的分子基础提高微生物的固氮水平。现代生物技术的发展使人们想到利用DNA重组技术对固氮生物进行改造，因此，固氮的生化机制与分子生物学机制成为目前的研究热点。人们已经成功地把肺炎克雷伯氏杆菌（Klebsiella pneumoniae）的固氮基因转移到大肠杆菌中。人们相信，通过这些研究将会产生固氮效率高的固氮生物，大大提高作物产量。 2、通过DNA重组技术改造共生细菌，提高其竞争力，使之超过天然细菌，促进根瘤的形成。 3、由豆科植物接种剂向非豆科用肥方面发展。我国豆科作物用 肥面积较小，对肥料需求远不如粮食作物大。因此，微生物肥料的发展，要加强结瘤竞争本质的研究，扩大应用对象，使共生细菌肥料应用到豆科以外的作物中去。 4、寻找并改造产生植物激素的微生物，使其释放某种激素，以促进植物的生长繁殖。DNA重组技术应用于微生物肥料领域后，大大促进了这一领域的发展。80年代初，国际上将通过接种在植物根际增殖而具有促生作用的土壤细菌称之为植物促生根瘤菌（Plant Growth Promoting Rhizobacteir，PGPR）。近20年来，由于植物促生根瘤菌的研究不断深入，使得微生物肥料的应用有着广泛的前景。目前，国际上对（PGPR）已有系统研究并组成协作网。根据PGPR理论，目前国内外农业生产中应用的各种微生物肥料之所以有增产作用，是综合作用的结果。PGPR可以单独使用，也可与其他微生物肥料联合使用。生物技术的发展可能会创造出复合人们需要的、具有更多功能的、安全的基因工程菌株，使得微生物肥料的功效由单功能向多功能方向发展。 5、由单一菌种向复合菌种方面发展 微生物肥料的肥效并非单一功能作用结果，但究竟那些菌种复 合为宜，需要不断研究探索，由单一菌种向复合菌种方向发展是微生物肥料发展的必然趋势。
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