论文部分内容阅读
【摘 要】磷素是限制植物生长的必需营养元素之一，磷在施入土壤后90%左右被土壤固定，使其有效性降低。因此关于解磷菌的研究一直受到科学家的重视。本文对土壤中解磷微生物的研究简史、解磷微生物的种类及生态分布特征、解磷作用机制及展望等方面的研究进展进行综述。
【关键词】解磷微生物；解磷；研究进展
【Abstract】Phosphorus（P）is one of the major nutrients required for plant growth，However，the uptake of P by plants is limited due to its strong absorption onto soil.So the research on the phosphorus-dissolving microbes（PSM） has been a focus problem for many scientists.The objective of this paper was to review the brief history of the research on the PSM，the varieties，the ecological characteristics the phosphorus-dissolving mechanism and the prospect.
【Key words】Phosphorus-dissolving microbes（PSM）；Phosphorus-dissolving；Research advances
磷是植物生长必需的营养元素之一，植物的光合作用和体内的生化过程都必须有磷参加。我国有74%的耕地土壤缺磷，土壤中有95%以上的磷为无效形式，植物很难直接吸收利用。其中难溶性有机磷占土壤全磷的20%～50%，占难溶性土壤磷总量的10%～85%。施用后的磷肥利用率很低，磷肥的当季利用率为5%～25%，大部分的磷与土壤中的Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+结合形成难溶性磷酸盐[1，2]。因此如何提高磷的利用率一直受到国内外科学家的关注。
土壤中磷的利用率受到很多影响因素的作用，而微生物对磷的转化和有效性具有很大的影响。土壤中存在大量的微生物能够将难溶性磷酸盐转化为植物可吸收利用的形态，具有这种能力的微生物称为解磷菌或溶磷菌（Phosphate-solubilizing microorganisms，PSM）。本文主要对土壤中解磷微生物的研究简史、种类及生态分布特征、解磷作用机制及展望等方面的研究进展进行综述。
1.解磷菌的研究簡史
人们关于解磷微生物的研究最早始于二十世纪初。1908年Sackett等从土壤中筛选得到50株细菌，其中36株能够在平板上形成清晰的解磷圈。1935年前苏联学者蒙金娜从土壤中分离得到了能够解磷的巨大芽孢杆菌（Bact megatherium phos-phaticum）。1948年 Gerretsen发现土壤中的一些微生物能够促进植株的生长，提高磷的利用率，并且这些微生物能够促进磷矿粉的溶解。1958年Sperber等发现由于土壤的不同，土壤中解磷微生物的数量有较大的差异，植物根际土壤中解磷微生物的数量远超出周围土壤中的数量。1962年Kobus发现土壤中解磷菌的数量受很多因素的影响，如土壤物理结构和类型、有机质含量、土壤肥力等。1983年Kucey发现菌株的纯化过程可导致约50%的解磷菌失去解磷能力[3-5]。
我国解磷微生物的研究始于20世纪50年代，应用研究始于60年代。1955年，陈廷伟等分离得到一种产酸性无孢子杆菌（Bact. sp.），具有较强的溶解磷酸三钙的能力。1988年尹瑞玲研究了我国旱地土壤解磷菌的种群和生态分布情况。1993年刘荣昌等分离得到了欧文氏菌属的解磷细菌。1998林凡等报道经联合固氮菌浸种后的水稻，其增产效果较明显。2002年范丙全等筛选出3株溶磷能力较强的真菌。2005年冯瑞章从小麦、燕麦、苜蓿根际土壤中分离得到了解磷菌株。2008年李鸣晓等通过无机磷培养基筛选、耐高温驯化得到5株耐高温解磷菌。2010年龚明波等从植物根际土壤中分离到1株具有较强酸化能力和高效溶磷能力的棘孢青霉菌，该菌在土壤中容易定殖，能够将土壤中的难溶无机磷转化为可溶性的CaHPO4，显著增加土壤中CaHPO4的含量。同时可阻滞磷酸铝和磷酸铁的固定。2013年李振东等用高寒草地植物乳白香青作为试验材料，筛选出内生解磷细菌，进一步验证了植物内生细菌也是筛选优良解磷菌的重要资源库[6-12]。
2.解磷菌的种类及其生态分布特征的研究
解磷微生物按分解底物的种类不同分为两大类：一类是能够分解无机磷化合物的称为无机磷微生物，一类是能够矿化有机磷化合物的称为有机磷微生物。由于解磷菌的解磷机制较复杂，大部分解磷微生物同时具备分解无机磷盐和有机磷的能力，因而很难将两者进行准确的区分。
解磷菌的数量以及生态分布受到很多因素的影响，如土壤类型、土壤肥力、磷源种类、植物耕作栽培方式等。尹瑞玲研究了我国旱地土壤中的无机磷微生物，发现平均每克土壤约有1000万个，占土壤微生物总数的27.1%～82.1%，其中细菌所占比例最大。东北的黑钙土中芽胞杆菌和假单胞菌占优势，而黄棕壤和红壤中解磷菌种类繁多。林启美[13]等通过分析农田、林地、草地和菜地4种土壤中有机磷细菌和无机磷细菌的数量及种群结构，发现有机磷细菌数量高于无机磷细菌，且菜地土壤解磷细菌的数量和种类最多，林地土壤尽管有机质质量分数很高，但解磷细菌并不多。Sundara等发现小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属（Bacillus）和埃希氏菌属（Escherichia）。Elliott研究了春小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）和链霉菌属（Streptomyces）。Molla[14]报道了黑麦草及小麦根际与非根际土壤中解有机磷微生物主要有革兰氏阴性短杆菌、芽孢杆菌属（Bacillus）、链霉菌属（Streptomyces）等。 3.解磷能力测定方法的研究
解磷能力的定性测定是将解磷菌株接种于难溶性磷酸盐的固体培养基上进行培养，一定时间后测定菌落周围产生的溶磷圈的大小。解磷能力的定量测定方法常用的有两种，一是将解磷微生物接种于液体培养基中进行培养，二是采用土培或砂培。此外还有32P标记同位素测定，Arora和Gaur采用人工合成的32P标记羟基磷灰石，测定了不同微生物的溶磷能力，结果表明真菌的溶磷能力大于细菌，有机酸的产生和pH值的降低与溶磷作用有关。使用此方法测定的溶磷量较准确，但是由于实验方法复杂且成本较高，一般实验室达不到要求[15]。对于将微生物分解的磷浸提出来并测定的问题有多种方法。尹瑞玲将培养液过滤，直接测定滤液中的磷含量；梁绍芬[16]等、Paul等和Kucey等均采用离心的方法除去微生物细胞，测定上清液中的磷含量；也有人将菌株接种于30mL培养液中培养21d，然后加入0.1mol/L HCl振荡过滤后测定，将0.1mol/L HCl提取出的磷视为微生物分解出来的磷。这些方法都不包括微生物生物量磷。解磷微生物在分解难溶性磷酸盐的同时，同化一部分分解出来的磷，所以微生物生物量磷也是微生物分解的磷的一部分。赵小蓉等[17]采用熏蒸、消煮等方法，测定砂培过程中微生物分离出来的磷，研究显示如果直接测定浸提液中无机磷酸盐的含量，将大大低估细菌的解磷能力，必须将浸提液进行消煮，才能较正确地反映细菌的解磷能力。然而目前此方法还没有规范化。
4.解磷作用的机制的研究
解磷菌种类繁多，解磷机制也各不相同。有机酸酸解机制被认为是重要的解磷机制之一，即微生物分泌的有机酸对难溶性磷酸盐进行酸解作用，降低pH值，而且有机酸还可通过螯合作用或交换反应与Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等结合，从而使难溶磷酸盐溶解。王富民等发现黑曲霉在发酵培养过程中产生草酸、柠檬酸等多种酸。林启美等将4株细菌和8株真菌培养6d后，发现培养液中有机酸和磷的含量均有较大程度的增加，而pH值明显下降，真菌相对于细菌具有更强的溶解磷矿粉的能力。由于微生物种类的不同，分泌的有机酸数量和种类差别较大，真菌分泌的有机酸种类多于细菌。但培养液中有机酸总量和解磷量之间不存在明显的相关性。Illmer[18]等发现解磷微生物产生有机酸仅是解磷的一种方法，有些微生物在呼吸或同化过程中交换NH4+/H+导致介质pH值下降，从而溶解磷酸盐。
酶解作用机制是有机磷降解的另一主要途径。微生物对有机物的矿化作用主要是微生物在代谢过程中产生酶类，从而矿化有机磷酸盐，使其转化成植物能直接吸收利用的有效磷。有研究表明，当有效磷低于阈值时，微生物和植物受到低磷胁迫，将产生胞外酸性或碱性植酸酶、核酸酶和磷酸酶等物质，将磷酸脂等有机磷降解释放出有效磷。有机磷的微生物矿化作用容易受到环境因素的影响，适宜的碱性环境更利于微生物发挥作用。
5.展望
目前国内外对解磷菌的研究集中于解磷菌的解磷能力、测定方法上，而关于解磷机制及解磷菌在土壤中的活动和消长动态等研究相对较少。为了提高解磷菌的解磷能力，使其应用得到更广泛的推广，建议从以下几方面加强研究：
（1）從分子水平及酶学水平进一步研究解磷菌的解磷机理。
（2）研究解磷菌与其他功能微生物的关系，特别是解磷菌与病原菌发生发展的关系。
（3）研究解磷菌施入土壤后的活动和消长动态变化，更好地发掘微生物的解磷潜能。
（4）通过开发高效解磷微生物肥料，减少化学肥料的使用来提高土壤中有效磷的含量。 [科]
【参考文献】
[1]赵小蓉，林启美.微生物解磷的研究进展[J].土壤肥料，2001，5（3）：7～11.
[2]杨珏，阮晓红.土壤磷素循环及其对土壤磷流失的影响[J].土壤与环境，2001，10（3）：256～258.
[3]Sperber J I. Solution of mineral phosphates by soil bacteria.Nature，1957，180：994～995.
[4]Kobus J. The distribution of microorganisms mobilizing phosphorus in different soils[J].Acta Microbiology of Po-lish，1962，11：255～264.
[5]Kucey R M，Janzen H H，Legett M E.Microbially mediat-ed increases in plant-available phosphorus[J].Adv.A-gron，1989，42：199～228.
[6]尹瑞玲，我国旱地土壤的溶磷微生物[J].土壤，1988，20（5）：243～246.
[7]蔡磊，李文鹏，张克勤.高效解磷菌株的分离、筛选及其对小麦苗期生长的促进作用研究[J].土壤通报，2002，33（1）：44～46.
[8]范丙全，金继运，葛诚.溶磷草酸青霉菌筛选及其溶磷效果的初步研究[J].中国农业科学，2002，35（5）：525～530.
[9]冯瑞章，冯月红，姚拓等.春小麦和苜蓿根际溶磷菌筛选及其溶磷能力测定[J].甘肃农业大学学报，2005.5：23～25.
[10]李鸣晓，席北斗，魏自民，齐瑞江等.耐高温解磷菌的筛选及解磷能力研究[J].环境科学研究，2008，21（3）：165～169.
[11]向文良，冯玮，郭建华，宋鹏等.一株解磷中度嗜盐菌的分离鉴定及解磷特性分析[J].微生物学通报， 2009，36（3）：320～327.
[12]李振东，陈秀蓉，杨成德，李鹏.乳白香青内生解磷菌的筛选鉴定及解磷特性研究[J].2013，22（6）：150～156.
[13]林启美，赵小蓉，孙焱鑫等，四种不同生态环境中解磷细菌的数量及种群分布[J].土壤与环境，2000，9（1）：34～37.
[14]Molla M A Z，Chowdhury M A.Microbial mineralization of organic phosphate in soil[J].Plant and soil，1984，78（1）：393～399.
[15]王光华，赵英，周德瑞等.解磷菌的研究现状与展望.生态环境，2003，12（1）：96～101.
[16]梁绍芬，姜瑞波.解磷微生物肥料的作用和应用，土壤肥料，1994，2：46～48.
[17]赵小蓉，林启美，孙焱鑫等，细菌解磷能力测定方法[J].微生物学通报，2001，（1）：1～4.
[18]P.Illmer and F.Schinner，Solubilization of inorganic phosphates by microorganisms isolated from forest soils[J].Soil Biol.Biochem.，1992，24（4）：389～395.
【关键词】解磷微生物；解磷；研究进展
【Abstract】Phosphorus（P）is one of the major nutrients required for plant growth，However，the uptake of P by plants is limited due to its strong absorption onto soil.So the research on the phosphorus-dissolving microbes（PSM） has been a focus problem for many scientists.The objective of this paper was to review the brief history of the research on the PSM，the varieties，the ecological characteristics the phosphorus-dissolving mechanism and the prospect.
【Key words】Phosphorus-dissolving microbes（PSM）；Phosphorus-dissolving；Research advances
磷是植物生长必需的营养元素之一，植物的光合作用和体内的生化过程都必须有磷参加。我国有74%的耕地土壤缺磷，土壤中有95%以上的磷为无效形式，植物很难直接吸收利用。其中难溶性有机磷占土壤全磷的20%～50%，占难溶性土壤磷总量的10%～85%。施用后的磷肥利用率很低，磷肥的当季利用率为5%～25%，大部分的磷与土壤中的Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+结合形成难溶性磷酸盐[1，2]。因此如何提高磷的利用率一直受到国内外科学家的关注。
土壤中磷的利用率受到很多影响因素的作用，而微生物对磷的转化和有效性具有很大的影响。土壤中存在大量的微生物能够将难溶性磷酸盐转化为植物可吸收利用的形态，具有这种能力的微生物称为解磷菌或溶磷菌（Phosphate-solubilizing microorganisms，PSM）。本文主要对土壤中解磷微生物的研究简史、种类及生态分布特征、解磷作用机制及展望等方面的研究进展进行综述。
1.解磷菌的研究簡史
人们关于解磷微生物的研究最早始于二十世纪初。1908年Sackett等从土壤中筛选得到50株细菌，其中36株能够在平板上形成清晰的解磷圈。1935年前苏联学者蒙金娜从土壤中分离得到了能够解磷的巨大芽孢杆菌（Bact megatherium phos-phaticum）。1948年 Gerretsen发现土壤中的一些微生物能够促进植株的生长，提高磷的利用率，并且这些微生物能够促进磷矿粉的溶解。1958年Sperber等发现由于土壤的不同，土壤中解磷微生物的数量有较大的差异，植物根际土壤中解磷微生物的数量远超出周围土壤中的数量。1962年Kobus发现土壤中解磷菌的数量受很多因素的影响，如土壤物理结构和类型、有机质含量、土壤肥力等。1983年Kucey发现菌株的纯化过程可导致约50%的解磷菌失去解磷能力[3-5]。
我国解磷微生物的研究始于20世纪50年代，应用研究始于60年代。1955年，陈廷伟等分离得到一种产酸性无孢子杆菌（Bact. sp.），具有较强的溶解磷酸三钙的能力。1988年尹瑞玲研究了我国旱地土壤解磷菌的种群和生态分布情况。1993年刘荣昌等分离得到了欧文氏菌属的解磷细菌。1998林凡等报道经联合固氮菌浸种后的水稻，其增产效果较明显。2002年范丙全等筛选出3株溶磷能力较强的真菌。2005年冯瑞章从小麦、燕麦、苜蓿根际土壤中分离得到了解磷菌株。2008年李鸣晓等通过无机磷培养基筛选、耐高温驯化得到5株耐高温解磷菌。2010年龚明波等从植物根际土壤中分离到1株具有较强酸化能力和高效溶磷能力的棘孢青霉菌，该菌在土壤中容易定殖，能够将土壤中的难溶无机磷转化为可溶性的CaHPO4，显著增加土壤中CaHPO4的含量。同时可阻滞磷酸铝和磷酸铁的固定。2013年李振东等用高寒草地植物乳白香青作为试验材料，筛选出内生解磷细菌，进一步验证了植物内生细菌也是筛选优良解磷菌的重要资源库[6-12]。
2.解磷菌的种类及其生态分布特征的研究
解磷微生物按分解底物的种类不同分为两大类：一类是能够分解无机磷化合物的称为无机磷微生物，一类是能够矿化有机磷化合物的称为有机磷微生物。由于解磷菌的解磷机制较复杂，大部分解磷微生物同时具备分解无机磷盐和有机磷的能力，因而很难将两者进行准确的区分。
解磷菌的数量以及生态分布受到很多因素的影响，如土壤类型、土壤肥力、磷源种类、植物耕作栽培方式等。尹瑞玲研究了我国旱地土壤中的无机磷微生物，发现平均每克土壤约有1000万个，占土壤微生物总数的27.1%～82.1%，其中细菌所占比例最大。东北的黑钙土中芽胞杆菌和假单胞菌占优势，而黄棕壤和红壤中解磷菌种类繁多。林启美[13]等通过分析农田、林地、草地和菜地4种土壤中有机磷细菌和无机磷细菌的数量及种群结构，发现有机磷细菌数量高于无机磷细菌，且菜地土壤解磷细菌的数量和种类最多，林地土壤尽管有机质质量分数很高，但解磷细菌并不多。Sundara等发现小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属（Bacillus）和埃希氏菌属（Escherichia）。Elliott研究了春小麦根际解磷菌主要为芽胞杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）和链霉菌属（Streptomyces）。Molla[14]报道了黑麦草及小麦根际与非根际土壤中解有机磷微生物主要有革兰氏阴性短杆菌、芽孢杆菌属（Bacillus）、链霉菌属（Streptomyces）等。 3.解磷能力测定方法的研究
解磷能力的定性测定是将解磷菌株接种于难溶性磷酸盐的固体培养基上进行培养，一定时间后测定菌落周围产生的溶磷圈的大小。解磷能力的定量测定方法常用的有两种，一是将解磷微生物接种于液体培养基中进行培养，二是采用土培或砂培。此外还有32P标记同位素测定，Arora和Gaur采用人工合成的32P标记羟基磷灰石，测定了不同微生物的溶磷能力，结果表明真菌的溶磷能力大于细菌，有机酸的产生和pH值的降低与溶磷作用有关。使用此方法测定的溶磷量较准确，但是由于实验方法复杂且成本较高，一般实验室达不到要求[15]。对于将微生物分解的磷浸提出来并测定的问题有多种方法。尹瑞玲将培养液过滤，直接测定滤液中的磷含量；梁绍芬[16]等、Paul等和Kucey等均采用离心的方法除去微生物细胞，测定上清液中的磷含量；也有人将菌株接种于30mL培养液中培养21d，然后加入0.1mol/L HCl振荡过滤后测定，将0.1mol/L HCl提取出的磷视为微生物分解出来的磷。这些方法都不包括微生物生物量磷。解磷微生物在分解难溶性磷酸盐的同时，同化一部分分解出来的磷，所以微生物生物量磷也是微生物分解的磷的一部分。赵小蓉等[17]采用熏蒸、消煮等方法，测定砂培过程中微生物分离出来的磷，研究显示如果直接测定浸提液中无机磷酸盐的含量，将大大低估细菌的解磷能力，必须将浸提液进行消煮，才能较正确地反映细菌的解磷能力。然而目前此方法还没有规范化。
4.解磷作用的机制的研究
解磷菌种类繁多，解磷机制也各不相同。有机酸酸解机制被认为是重要的解磷机制之一，即微生物分泌的有机酸对难溶性磷酸盐进行酸解作用，降低pH值，而且有机酸还可通过螯合作用或交换反应与Ca2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等结合，从而使难溶磷酸盐溶解。王富民等发现黑曲霉在发酵培养过程中产生草酸、柠檬酸等多种酸。林启美等将4株细菌和8株真菌培养6d后，发现培养液中有机酸和磷的含量均有较大程度的增加，而pH值明显下降，真菌相对于细菌具有更强的溶解磷矿粉的能力。由于微生物种类的不同，分泌的有机酸数量和种类差别较大，真菌分泌的有机酸种类多于细菌。但培养液中有机酸总量和解磷量之间不存在明显的相关性。Illmer[18]等发现解磷微生物产生有机酸仅是解磷的一种方法，有些微生物在呼吸或同化过程中交换NH4+/H+导致介质pH值下降，从而溶解磷酸盐。
酶解作用机制是有机磷降解的另一主要途径。微生物对有机物的矿化作用主要是微生物在代谢过程中产生酶类，从而矿化有机磷酸盐，使其转化成植物能直接吸收利用的有效磷。有研究表明，当有效磷低于阈值时，微生物和植物受到低磷胁迫，将产生胞外酸性或碱性植酸酶、核酸酶和磷酸酶等物质，将磷酸脂等有机磷降解释放出有效磷。有机磷的微生物矿化作用容易受到环境因素的影响，适宜的碱性环境更利于微生物发挥作用。
5.展望
目前国内外对解磷菌的研究集中于解磷菌的解磷能力、测定方法上，而关于解磷机制及解磷菌在土壤中的活动和消长动态等研究相对较少。为了提高解磷菌的解磷能力，使其应用得到更广泛的推广，建议从以下几方面加强研究：
（1）從分子水平及酶学水平进一步研究解磷菌的解磷机理。
（2）研究解磷菌与其他功能微生物的关系，特别是解磷菌与病原菌发生发展的关系。
（3）研究解磷菌施入土壤后的活动和消长动态变化，更好地发掘微生物的解磷潜能。
（4）通过开发高效解磷微生物肥料，减少化学肥料的使用来提高土壤中有效磷的含量。 [科]
【参考文献】
[1]赵小蓉，林启美.微生物解磷的研究进展[J].土壤肥料，2001，5（3）：7～11.
[2]杨珏，阮晓红.土壤磷素循环及其对土壤磷流失的影响[J].土壤与环境，2001，10（3）：256～258.
[3]Sperber J I. Solution of mineral phosphates by soil bacteria.Nature，1957，180：994～995.
[4]Kobus J. The distribution of microorganisms mobilizing phosphorus in different soils[J].Acta Microbiology of Po-lish，1962，11：255～264.
[5]Kucey R M，Janzen H H，Legett M E.Microbially mediat-ed increases in plant-available phosphorus[J].Adv.A-gron，1989，42：199～228.
[6]尹瑞玲，我国旱地土壤的溶磷微生物[J].土壤，1988，20（5）：243～246.
[7]蔡磊，李文鹏，张克勤.高效解磷菌株的分离、筛选及其对小麦苗期生长的促进作用研究[J].土壤通报，2002，33（1）：44～46.
[8]范丙全，金继运，葛诚.溶磷草酸青霉菌筛选及其溶磷效果的初步研究[J].中国农业科学，2002，35（5）：525～530.
[9]冯瑞章，冯月红，姚拓等.春小麦和苜蓿根际溶磷菌筛选及其溶磷能力测定[J].甘肃农业大学学报，2005.5：23～25.
[10]李鸣晓，席北斗，魏自民，齐瑞江等.耐高温解磷菌的筛选及解磷能力研究[J].环境科学研究，2008，21（3）：165～169.
[11]向文良，冯玮，郭建华，宋鹏等.一株解磷中度嗜盐菌的分离鉴定及解磷特性分析[J].微生物学通报， 2009，36（3）：320～327.
[12]李振东，陈秀蓉，杨成德，李鹏.乳白香青内生解磷菌的筛选鉴定及解磷特性研究[J].2013，22（6）：150～156.
[13]林启美，赵小蓉，孙焱鑫等，四种不同生态环境中解磷细菌的数量及种群分布[J].土壤与环境，2000，9（1）：34～37.
[14]Molla M A Z，Chowdhury M A.Microbial mineralization of organic phosphate in soil[J].Plant and soil，1984，78（1）：393～399.
[15]王光华，赵英，周德瑞等.解磷菌的研究现状与展望.生态环境，2003，12（1）：96～101.
[16]梁绍芬，姜瑞波.解磷微生物肥料的作用和应用，土壤肥料，1994，2：46～48.
[17]赵小蓉，林启美，孙焱鑫等，细菌解磷能力测定方法[J].微生物学通报，2001，（1）：1～4.
[18]P.Illmer and F.Schinner，Solubilization of inorganic phosphates by microorganisms isolated from forest soils[J].Soil Biol.Biochem.，1992，24（4）：389～395.