解磷微生物研究进展

摘要：通过对解磷微生物的种类、分布、解磷机制的介绍，对研究热点讨论和研究进展的分析，得到了展望性的结论：①从分子方面去追寻；②通过转基因或分子、细胞杂交的方式，筛选出高效、生存能力强、变异率小、比较稳定的、无论在什么环境什么土壤中都能很好地生存的解磷微生物；③利用系统聚类的方式将解磷真菌和细菌的种属关系一一确定。最后，对解磷菌和其他的根际微生物的协同等相互关系、发生、发展进行了研究。

关键词：解磷菌；解磷机制；发展与展望

中图分类号：X172文献标识码：A文章编号：16749944（2014）10023203

1引言

磷是植物细胞的重要组成元素之一，可参加植物的光合作用，且对植物代谢和遗传起到重要作用。在我国，缺磷的现象非常严重占到土壤的74%，在北方，由于盐碱地和钙化土壤较多，可与土壤中的Ca2+结合，形成难溶的无效磷，无法被植物直接吸收利用。而在我国南方地区，由于降雨量充足，水土流失量大，全年日照充足，热量丰富，形成了酸性强，铁铝含量高，土壤易板结的特点，难溶性的磷被铁铝离子所固定，形成难溶性磷酸盐，而可溶性的磷却被雨水所带走，导致了山地土壤磷元素严重缺失，而且水体富磷化严重，再加之农民不科学的施用磷肥，使土壤更加板结加重，通气透水性更差，使得土壤更加缺磷和水体富磷化。

很多因素影响了土壤磷素的有效利用，然而解磷微生物对土壤中难溶磷酸盐具有巨大的转化能力，能将其分泌为植物生长所需的植物生长素类物质，从而促进植物生长发育。解磷菌产生的酸性物质可以加快含磷不溶有机化合物的分解，其分泌的植酸酶、核酸酶和磷酸酶等可与无机磷进行螯合，使不可利用的无机磷转换成有效磷，促进磷素释放[1] ，若用解磷菌作为生物肥料，其优势是显而易见的：成本低，效果好，缓释可持续，施用后不但可以增加作物产量，改善土壤质量和结构，还能提高土壤有机质含量，提高土壤中磷的有效利用率，节肥增产，对保持生态环境平衡具有重要意义。

目前，对解磷微生物的研究主要是集中在以下几个方面。

（1）解磷微生物的分离、纯化和鉴定等工作（类群的研究）；

（2）对解磷微生物分布规律和数量以及同植物的协同等作用的研究；

（3）对解磷机制的分析研究；

（4）对如何开展解磷微生物的研究方法进行讨论；

（5）不断地发现新的效果更好，能够与多种植物共生的优良微生物和菌肥。

2解磷微生物的研究概况

1935年蒙基娜从土壤中获得一株解磷巨大芽孢杆菌（Bacillus megatherium phosphaticum）[2]。随后，陈廷伟、Sperber、尹瑞玲等对解磷微生物不断进行研究，发现了欧文氏菌、假单胞菌、产碱菌、多粘芽孢杆菌、枯草杆菌等[3～5]。1998年林凡等研究了水稻经联合固氮菌的浸种后，该菌剂在全国12个省市的应用结果表明其对水稻的增产效果非常明显[6]。

3解磷微生物的种类

能够分解磷的微生物主要为细菌、真菌和放线菌。目前已经报道的解磷细菌主要有芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞杆括菌（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）。真菌类主要有青霉菌（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（Arbuscular Mycrrhhiza）[7～9]。

在不同作物根际和不同土壤性质之间，解磷菌种群分部是存在差异的。如尹瑞玲[5]发现在东北黑钙土中，主要以芽孢杆菌和假单孢杆菌为主，红壤和黄棕壤中解磷菌种类则较为繁多。林地中主要是假单胞杆菌属和沙门菌属，而无机磷细菌种类比较少。溶磷微生物数量因土壤不同而不同，黑钙土>黄棕壤>白土>红壤>砖红壤>瓦碱土。

解磷菌在不同植物根圈不同区域的数量分部也是不同的，Katznelson（1962）[10]对小麦根圈解磷细菌分部的研究得到，根际上的解磷菌要比非根际的高6～18倍。林启美和赵小蓉对小麦和玉米的研究也表明根际土壤比非根际土壤高10～100倍。

2014年10月绿色科技第10期

陈治宇，等：解磷微生物研究进展工程与技术

4解磷微生物的分布

林启美等在分析草地、林地、农田和菜地壤中解有机磷的细菌和解无机磷细菌的数量和种群结构时，发现有机磷细菌数量要比无机磷数量多，尤其是菜地中细菌数量和种类最多[11]。不同作物的根际所分布的解磷微生物的种群也存在差异。SundaraRao和Sinha发现小麦根际解磷菌主要为芽孢杆菌属（Bacillus）和埃希氏菌属（Escherichia）[12]。Elliott等报道春小麦根际解磷菌主要为芽孢杆菌属（Bacillus）、假单孢菌属（Pseudomonas）、链霉菌属（Streptomyces）[13]。赵小蓉等研究发现玉米成熟时期根际有机磷细菌为假单胞菌属和黄杆菌属，无机磷细菌为欧文氏菌属[9]。

5土壤中磷的有效性和转化过程

土壤中的磷是以有机和无机两种形式存在的。

有机磷一般是存在于植物枯枝落叶和动植物尸体当中（主要存在形式为核酸、磷脂、磷酸肌醇和部分含磷蛋白质），有机磷微生物需要很长时间慢慢分解才能释放出来，但是这也要考虑到当地环境的复杂性，尤其在干旱或无动植物活动的地区，有机磷含量非常有限，但是在热带雨林等自然气候复杂，多雨，多动植物的地区，有机磷和解磷微生物都非常活跃，导致这些地区生有机磷含量较高。

土壤中无机磷的存在形式主要是被固定在岩石中（原生矿石和次生矿石），包括磷灰石和一些闭蓄态、非闭蓄态（磷酸铁，磷酸铝，磷酸三钙）盐组成，这与土壤类型关系非常密切，一般也不容易释放出来，不能达到供植物吸收利用的目的。

在我国的南方地区，主要是以酸性土壤为主（红壤，砖红壤，赤红壤），由于日照强烈、雨水充足的原因，风化程度高。而且铁铝含量较高，多数可利用的磷肥被大量游离的铁铝离子所固定并转化为磷酸铁和磷酸铝，这两种化合物含磷量可高达80%～90%之多[14，15]，而部分游离态的磷元素由于淋溶作用被雨水带走。北方地区，主要是盐碱性土壤，由于风化程度低，土壤中含有大量的钙离子，可与游离的磷素很快转化为可沉淀的磷酸二钙进而转化为磷酸八钙，最终转化为磷酸十钙[14，16]。尤其是石灰性土壤中的无机磷主要以磷酸和钙占主导，平均占无机磷总量的70%以上，其次是磷酸八钙占10%左右，磷酸二钙占1%，磷酸铁和磷酸铝较少占无机磷的4%～5%，氧化磷占10%左右[14，17]。

6解磷能力测定方法

测定微生物是否具有解磷能力一般有两种方法：一是钼磷比色法；二是同位素示踪法。

6.1钼磷比色法

将解磷微生物加入不溶性磷化物[如Fe3（PO4）2]，与不含解磷微生物的培养液进行对照，培养一段时间后，过滤，再将滤液经钼磷试剂处理，让培养液显色后，比色，间接求出溶解性磷的含量[4]。梁绍芬等还采用离心除去细胞后测定水溶磷的含量；还有报道将菌株接种于30mL不溶性磷化物的培养基中经过21d培养后，再加入0.1mol/L的HCl震荡过滤后进行测定，他们认为能够被HCl提出来的无机磷都属于微生物分解获得的磷[18]。但是考虑到微生物在自身的生长繁殖过程中能够分泌一些含有溶解性磷酸盐的能力，而且有些磷被微生物吸收后驻藏在有机体中，所以这种方式不能较为准确地测定解磷菌的解磷能力，必须通过消煮和过滤才能准确反应微生物解磷能力[19]。

6.2同位素示踪法

测定培养基中植物吸收的同位素可溶性磷的含量。具体做法是：在已有可溶性P33的溶液中加入解磷菌和不溶性P32，培养一段时间后，放入一直能够水培的植物幼苗，使植物生长一段时间进行同位素P32的检测（对照组是只含可溶性P33和不溶性P32），测定植物体内P32的增加量。尹瑞玲等利用从土壤中分离出的265株解磷菌来分解摩洛哥磷矿粉，其平均分解能力为2～30mg/g[4]。

7解磷机制研究

赵小蓉、林启美等人研究发现，微生物的解磷机制被认为是由于微生物能够分泌一些酸性物质，其不但能够降低土壤pH值而且能够使难溶的磷酸铁、磷酸钙、磷酸铝、磷酸镁等不溶性磷酸盐溶解。林启美等还发现细菌能够分泌柠檬酸、乙酸、苹果酸、乳酸、丙酸等有机酸，而且不同菌株之间的差异还很大；真菌分泌的却比较复杂，种类较多，同种菌株之间差别也比较大，一般是草酸、酒石酸、柠檬酸、丁二酸、乳酸和乙酸等。赵小蓉等的研究还表明，微生物的解磷能力与培养基中pH值存在一定的相关性（r=0.732），但同时也提出培养介质pH值的下降，其实并不是解磷的必要条件，表明不同的有机酸对铁铝钙等难溶性磷酸盐的分解能力也存在差异。Illmer et al发现在有些不产生有机酸的微生物中，也具有溶解磷酸盐的现象，其本质可能与呼吸作用（产生的氢离子）有离子交换作用的存在。Penicillium effuscum现象的研究也表明，微生物在交换阳离子的过程中，利用ATP转化时所产生的能量，将氢离子放在细胞的表面，能够促进有机磷的溶解[20]。多硫细菌属的细菌可以依靠氧化硫产生的硫酸来溶解难溶性的磷[21]。

AM（Arbuscular Mycorrhiza）菌根菌近年来也是研究得较多的，它能够促进植物对磷元素的吸收，增加植物磷的含量促进植物生长。宋永春[22]对缺磷土壤施用植酸和卵磷脂的实验中发现，菌根菌能够增加土壤酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性，使土壤中的磷素有效化。Arihara等在对AM与玉米生长关系的研究显示，播种前土壤中有效磷含量相同，玉米的产量也和AM根菌的施入成正相关[23]。AM菌株能够促进植物磷吸收的主要机制为：AM菌根能够增加植物根系吸收磷素的表面积，增加了磷溶圈的面积，并转化和传递给植物，且AM菌根能够提高酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性，使转化的效率提高。

8解磷微生物发展方向和未来展望

（1）必须从分子方面去追寻，去了解解磷微生物的分子机制，从DNA的复制、转录和翻译方面去全新地认识解磷基因或者是促解磷基因。在解磷过程中有哪些小分子RNA或小分子蛋白质信号的变化以及细胞从接收信号到做出具体反映的微变化，从而更全面地了解解磷微生物。

（2）通过转基因或分子、细胞杂交的方式，筛选出高效、生存能力强、变异率小、比较稳定的，无论在什么环境、什么土壤中都能很好地生存的解磷微生物。

（3）解磷菌的种类较为繁多，我们可以通过采集不同地区，不同环境的土壤或水体的解磷微生物进行系统研究，鉴定和分离，提取DNA，利用系统聚类的方式将解磷真菌和细菌的种属关系一一确定。

（4）要对解磷菌和其他的根际微生物的协同等相互关系、发生、发展进行研究。

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