微生物肥料的研究與應(yīng)用

微生物肥料的研究與應(yīng)用

化肥和農(nóng)藥的使用逐年增加，導致土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境惡化。對農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅和挑戰(zhàn)，但為微生物肥料的研究和開發(fā)提供了良好的發(fā)展機遇。微生物肥料是指一類含有活微生物、具有肥料效應(yīng)的特定制品。微生物肥料可分為2類,一類是通過其中所含微生物的生命活動來增加植物營養(yǎng)元素的供應(yīng)量,改善植物營養(yǎng)狀況,進而增加產(chǎn)量,如根瘤菌肥;另一類是廣義的微生物肥料,通過其中所含微生物的生命活動及其產(chǎn)生的次生代謝物質(zhì),如激素類等,不僅能提供植物營養(yǎng)元素的供應(yīng),而且還能促進植物對營養(yǎng)元素的吸收利用,甚至還能拮抗某些病原微生物的致病作用,減輕病蟲害的發(fā)生。近年開發(fā)的植物促生根際細菌(PlantGrowth-PromotingRhizobacteria,PGPR)微生物肥料就屬于后者,這類肥料在目前的生產(chǎn)應(yīng)用中種類繁多。通過微生物的生命活動,微生物肥料具有改良土質(zhì)、增進土壤肥力、促進作物的營養(yǎng)吸收、增強作物抗病和抗逆能力等重要功能。1發(fā)展生物有機肥的生物措施1887年研究者發(fā)現(xiàn)豆科植物根瘤具有固氮功能并成功培養(yǎng)根瘤菌,此后,微生物肥料的研究與應(yīng)用迅速增多。國外對微生物肥料的研究和應(yīng)用歷史較我國長,其主要的品種是各種根瘤菌肥。早在20世紀20年代在美國、澳大利亞等國就開始有根瘤菌接種劑(根瘤菌肥料)的研究和試用,一直到現(xiàn)在根瘤菌肥依然是最主要的品種。我國微生物肥料的研究應(yīng)用也是從豆科植物上應(yīng)用根瘤菌接種劑開始的,起初只有大豆和花生根瘤菌劑;20世紀50年代,開始從原蘇聯(lián)引進自生固氮菌、磷細菌和硅酸鹽細菌劑,稱為細菌肥料;20世紀60年代推廣使用放線菌制成的“5406”抗生菌肥料和固氮藍綠藻肥;70~80年代中期開始使用VA菌根以改善植物磷素營養(yǎng)條件和提高水分利用率;80年代中期至90年代相繼應(yīng)用聯(lián)合固氮菌和生物鉀肥作為拌種劑;近幾年來主要推廣應(yīng)用由固氮菌、磷細菌、鉀細菌和有機肥復(fù)合制成的生物肥料,做基肥施用。我國微生物制劑的發(fā)展經(jīng)歷了根瘤菌劑、細菌肥料(菌肥)到微生物肥料的變遷,由豆科接種劑、菌種拌種發(fā)展為各種農(nóng)作物的基肥,有的微生物由于能產(chǎn)生活性物質(zhì),有時也用作葉面噴施肥料。目前,國內(nèi)外出現(xiàn)了基因工程菌肥、作基肥和追肥用的有機無機復(fù)合菌肥、生物有機肥、非草炭載體高密度的菌粉型微生物接種劑肥料以及其他多種功能類型和名稱的微生物肥料。在發(fā)展微生物肥料上,主要集中以下幾個方面:(1)研究固氮的分子基礎(chǔ),以提高微生物的固氮水平;(2)通過DNA重組技術(shù)改造共生細菌,提高其競爭力,使之能超過天然共生細菌,促進根瘤的形成;(3)篩選產(chǎn)生鐵載體(siderophore)的微生物菌株,將鐵螯合起來,抑制有害微生物的生長,或?qū)ふ液铣啥喾N抗生素的微生物,以阻止植物病原微生物的生長;(4)尋找并改造產(chǎn)生植物激素的微生物,使之能釋放特定水平的某種激素,以促進植物的生長和發(fā)育;(5)完善微生物肥料的產(chǎn)品標準,加強對微生物肥料的質(zhì)量監(jiān)督和管理;(6)規(guī)范微生物肥料產(chǎn)品的質(zhì)量檢測體系,合理利用并采用自動稀釋儀、紅外掃描菌落計數(shù)器、熒光抗體技術(shù)、免疫酶標記術(shù)、單克隆抗體、免疫印記技術(shù)、限制性核酸酶切圖譜(RFLP)及核酸雜交技術(shù)等,對微生物肥料的質(zhì)量提供檢測。2不同種類肥料的抗菌性能表1微生物肥料的種類很多,如果按其制品中特定的微生物種類可分為細菌肥料(根瘤菌肥、固氮菌肥)、放線菌肥(如抗生菌類、5406)、真菌類肥料(如菌根真菌)等;按其作用機理可分為根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解磷菌類肥料、解鉀菌類肥料等;此外,還可以根據(jù)組成成分簡單的劃分為單純微生物肥料和復(fù)合微生物肥料兩大類型。研究較多的微生物肥料有以下幾種。2.1非科生固氮菌的制備根瘤菌類肥料是迄今研究最早、生產(chǎn)最多、應(yīng)用時間最廣泛和效果最穩(wěn)定的微生物肥料之一。它利用根瘤菌與豆科植物共生,植物根毛彎曲而形成根瘤來進行固氮作用。近年來,從花生、大豆、豆科綠肥以及牧草根瘤菌中選育出許多優(yōu)良菌種,并已生產(chǎn)出多種根瘤菌肥。實踐證明根瘤菌的作用效果顯著,但根瘤菌只與豆科植物結(jié)瘤共生,某種根瘤菌一般只能侵染相應(yīng)的豆科植物根系進行共生固氮作用。當前,與根瘤菌具有許多平行點的新型共生關(guān)系的非豆科共生固氮菌引起了國內(nèi)外學者的濃厚興趣。研究發(fā)現(xiàn),共生固氮效率比自生固氮體系高數(shù)十倍,但共生固氮的固氮作用受作物的限制因素較多。自生固氮菌自發(fā)現(xiàn)和分離以來就受到科學家的重視,圓褐固氮菌、貝氏固氮菌和巴斯德固氮梭菌等種類已被用作自生固氮菌肥料和聯(lián)合固氮菌肥料的研究和開發(fā)。自生固氮菌不但能固定空氣中的氮氣為作物提供氮素養(yǎng)料,而且有的還能生成刺激植物生長發(fā)育的生長物質(zhì),促進其他根際微生物的生長,有利于土壤有機質(zhì)的礦化作用。一些自生固氮菌在其生活過程中還能溶解磷,但利用自生固氮菌作為微生物肥料的效果不穩(wěn)定,固氮能力不及共生固氮菌強,還有待加強研究。2.2鹽礦化類微生物肥料解磷真菌或磷細菌類肥料是利用微生物在繁殖過程產(chǎn)生的一些有機酸和酶等能使土壤中無機磷酸鹽溶解、有機磷酸鹽礦化或通過固定作用將難溶性磷酸鹽類變成可溶性磷供作物吸收利用的一類微生物肥料。磷細菌根據(jù)其作用機制不同可分為無機和有機磷細菌。無機磷細菌能溶解土壤中無效的無機磷變?yōu)橛行У臒o機磷,而有機磷細菌則通過分解作用將土壤中無效的有機磷變?yōu)橛行У挠袡C磷。施用磷細菌肥料能增加作物的產(chǎn)量,提高土壤中的有效磷含量。2.3聚合物細菌作用硅酸鹽細菌是土壤中一種特殊的細菌,它能釋放由硅酸鹽巖石礦物中的磷、鉀、硅等元素直接供給植物,同時具有固氮能力。硅酸鹽細菌的解鉀作用與其生長過程中代謝產(chǎn)物有關(guān),可能是該菌與礦石接觸并產(chǎn)生特殊的酶破壞礦石結(jié)晶構(gòu)造或是表面的物理化學接觸交換作用所引起。硅酸鹽細菌是目前廣泛應(yīng)用的微生物肥料中的一種重要功能菌,大田實驗證明它能在種子或作物根系周圍迅速增殖形成群體優(yōu)勢,并分解硅酸鹽類礦物釋放出鉀等元素供植物利用,同時具有固氮和解磷功能。硅酸鹽細菌類肥料在挖掘土壤潛在肥力、提高作物產(chǎn)量等方面具有明顯的作用,但效果不穩(wěn)定。2.4真菌類的形成菌根是某些真菌侵染植物根系而形成的菌-根共生體,可分為外生菌根和內(nèi)生菌根,主要由擔子菌、子囊菌和半知菌等真菌類參與形成。試驗證明菌根可以使寄主植物更好的攝取移動性弱的養(yǎng)分元素,擴大根的吸收面積,保護根部免受病原菌的侵襲,產(chǎn)生阻抑其他微生物的類似抗生素的物質(zhì)等。目前,菌根類肥料已被用于造林和育苗等技術(shù)。3對混合培養(yǎng)的意義自然界的微生物與環(huán)境之間關(guān)系多樣,微生物種群之間可分為中立關(guān)系、單利關(guān)系、互利關(guān)系、共生關(guān)系、競爭關(guān)系、拮抗關(guān)系、寄生關(guān)系和掠奪關(guān)系。一般認為,混合培養(yǎng)能減少或避免單一培養(yǎng)過程中生物活性的下降,還能增加培養(yǎng)菌的生物量。在生物防治、生物制劑及工業(yè)發(fā)酵中發(fā)展混合培養(yǎng),能夠獲得較好的效果。因此,在微生物肥料制作時要盡可能多的讓微生物之間存在更多的有利關(guān)系。3.1土壤磷細菌及對磷能力的影響當磷細菌和固氮菌同時存在于土壤中時,固氮菌的發(fā)育和固氮能力以及磷細菌芽孢的萌發(fā)和解磷能力均優(yōu)于固氮菌或磷細菌單獨存在于土壤的情況。磷細菌的存在增加了土壤水溶性磷含量,從而為固氮菌提供了磷素營養(yǎng);固氮菌的存在不但增加了土壤的氮素含量,并且在其生命活動中合成和分泌的生理活性物質(zhì)加速了磷細菌芽孢的萌發(fā),從而加強了水溶性磷的形成過程。3.2有效磷和慢速鉀解磷細菌和解鉀細菌共培養(yǎng)時可同時獲得較多的有效磷和速效鉀,促使植物充分利用土壤及化肥中不溶解的有效磷和高效鉀。混合后的菌株具有很強的礦化卵磷脂和溶解磷酸鈣的能力。3.3抑菌圈直徑、幾丁質(zhì)酶活性平板測定發(fā)現(xiàn)混合菌株的抑菌活性、生長速度、抑菌圈直徑、幾丁質(zhì)酶活性均高于單菌株培養(yǎng),這表明微生物的協(xié)同作用與其產(chǎn)生抑菌物質(zhì)的功能間存在一定的關(guān)系。4菌種接種與培養(yǎng)微生物肥料的制作方法大致可分為發(fā)酵法和堆肥法。發(fā)酵法主要采用現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)將單一菌種或復(fù)合菌種接種于有機物料與填充料經(jīng)發(fā)酵而制成微生物肥料。堆肥法是將要堆腐的有機物料與填充料按一定比例混合后,在合適的通氣和水分條件下,通過微生物繁殖并分解有機物從而產(chǎn)生高溫,殺滅其中的病原菌及雜草種子,使有機物達到穩(wěn)定化而形成微生物肥料。4.1堆肥堆化工藝不同的堆肥工藝主要區(qū)別在于堆肥過程中的方法和手段的不同,堆肥原料的均勻程度、含水量和氧氣條件都會影響成品的穩(wěn)定性。目前普遍采用的工藝主要有靜態(tài)曝氣、條形堆和發(fā)酵倉式。(1)靜態(tài)曝氣堆肥工藝:將堆肥原料制成不同體積的垛,在堆肥過程中不進行物料翻堆,而是利用通氣管道進行人工鼓風通氣。該工藝具有容易控制溫度和通風,堆肥產(chǎn)品穩(wěn)定,能夠較好的殺滅病原菌和雜草種子,占地少,堆肥時間短等優(yōu)點,但是容易受到氣候影響,在大量通氣條件下氮損失較大,且耗能大。(2)條形堆工藝:將堆肥物料以條垛狀堆制,垛斷面可以是梯形,不規(guī)則四邊形或三角形,通過定期的人工或機械翻堆來調(diào)控堆體的通氣、水分和溫度等狀況。為了解決滲漏問題,堆肥條垛應(yīng)在水泥或瀝青地面進行,更好的辦法是用水泥建成槽狀。根據(jù)堆體的溫度和通氣狀況,通過翻堆來調(diào)節(jié)堆體的溫度和通氣,一般堆肥前期微生物活動旺盛,翻動頻率高,堆肥后期翻堆頻率可以減少。此工藝的優(yōu)點是所需設(shè)備簡單,投資成本較低,翻堆時水分蒸發(fā)快,堆肥干燥快,堆腐產(chǎn)品穩(wěn)定性好。缺點是占地面積大,需要頻繁的監(jiān)測,翻堆造成氮的損失和臭味散失,堆肥質(zhì)量受氣候條件影響大。(3)發(fā)酵倉式工藝:物料堆放在密閉或半密閉的容器內(nèi),控制通氣和水分條件,使物料發(fā)生生物轉(zhuǎn)化和分解,可以高度的機械化和自動化。整個工藝包括通風、溫度控制、水分控制、無害化控制和堆肥的腐熟幾個方面。發(fā)酵倉式工藝的優(yōu)點是堆肥設(shè)備占地面積小,能夠很好的控制發(fā)酵過程的水、氣和溫度,并且堆肥過程中不受氣候條件的影響,能夠?qū)U物進行統(tǒng)一的收集處理,防止環(huán)境的二次污染,同時解決了臭味問題,可以回收發(fā)酵過程中的熱量。工藝缺點是設(shè)備投資高,運費和維修費高,產(chǎn)品存在潛在的不穩(wěn)定性,幾天的堆腐不足以達到腐熟,后熟期長。堆肥的發(fā)酵工藝基本相同,上述工藝各有優(yōu)缺點,在選擇時應(yīng)具體情況具體分析。一般資金有限但場地不受限制時,可采用靜態(tài)曝氣和條形堆工藝。在資金充足的條件下可采用發(fā)酵倉式工藝,以減少堆肥過程對環(huán)境的污染。4.2接種發(fā)酵菌群生物技術(shù)的不斷發(fā)展,促進了傳統(tǒng)有機肥制備技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)的有機結(jié)合。微生物肥料發(fā)酵工藝通過將單一微生物或復(fù)合微生物菌劑接種于有機物料與填充料,然后經(jīng)發(fā)酵而生產(chǎn)微生物肥料。這種工藝可以人工接種功能強大的發(fā)酵菌群,利用微生物的代謝活動來分解物料中的有機物質(zhì),使物料達到穩(wěn)定和無害化。為加強發(fā)酵能力,可以引入一些能分解纖維素和半纖維素的微生物,如木霉屬微生物;為除去發(fā)酵過程中的惡臭味和減少營養(yǎng)物質(zhì)的流失,可以接種放線菌、EM菌劑等。此外,根據(jù)需要還可以加入具有固氮、解磷、解鉀等功能的復(fù)合微生物菌劑等。目前,市場上已開發(fā)了多種用于制備有機肥料的微生物菌劑。采用發(fā)酵法制備微生物肥料,可以利用現(xiàn)代微生物技術(shù),根據(jù)需要選擇菌種或進行菌種組合,能大大縮短發(fā)酵周期,滿足不同要求;還可以針對特定植物和功能要求設(shè)計開發(fā)精細產(chǎn)品。5國內(nèi)微生物肥料的應(yīng)用效果微生物肥料在作物增產(chǎn)和品質(zhì)改善等方面具有重要的積極作用。根據(jù)估計,若我國微生物肥料的產(chǎn)量占化肥產(chǎn)量的3%,則糧食產(chǎn)量可增加50億~100億kg,而我國現(xiàn)有微生物肥料的年產(chǎn)量僅300萬t,只