模拟条件下胶质芽孢杆菌对含钾矿物分解效果的研究

吴迎奔，贺月林，曾 艳，尹红梅，靳 磊，陈 薇

（湖南省微生物研究所，湖南 长沙 410009）

钾是植物生长过程中的主要营养元素之一，对农作物的生长起重要作用。由于我国可利用的钾资源较少，钾肥产量不足，致使大面积耕地普遍缺钾。然而，我国钾长石资源非常丰富，广泛分布于云南、贵州、四川、湖南、湖北等19个省区[1]。因此，从钾长石中提钾一直受到我国重视。化学法研究已有很多报道[2-4]，但皆因成本、环保等原因一直未能实现大规模工业化生产。胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）俗称硅酸盐细菌[5]，是土壤中一种重要功能菌，它能分解长石、云母等铝硅酸盐类的原生态矿物，使土壤中络合性钾、难溶性硅等转变为可溶性供植物生长利用[6]，同时还可以产生多种生物活性物质促进植物生长[7]。大量试验表明以胶质芽孢杆菌为主要成份的生物钾肥在缺钾土壤上对各种农作物表现出较好的增产效果[8-10]。胶质芽孢杆菌解钾、硅作用是受多种因素制约的，使其功能发挥的前提条件是要筛选出优良的菌株。纽旭光等[11-13]研究发现不同的菌株解钾能力存在较大差异；已有的研究表明胶质芽孢杆菌在摇瓶条件下表现出较强的分解硅酸盐矿物的能力[14-15]。要使生物钾肥充分发挥高效、稳定的解钾功能，必须研究模拟自然环境中菌株的解钾性能。为此，在静置条件下，模拟自然界客观存在的干燥、湿润和淹水条件来研究胶质芽孢杆菌对含钾矿物的分解作用，以期为硅酸盐菌剂的科学应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试菌株：胶质芽孢杆菌，由湖南省微生物研究所分离筛选。供试矿物：钾长石（K 100 g/kg，SiO2591 g/kg）和云母（K 118 g/kg，SiO2452 g/kg），经研磨成粉状，过100目筛，用去离子水洗去水溶性钾、硅等离子，阴干，备用。培养基：菌株培养、计数与解钾试验所用培养基配方[10-11]。钾源培养基组成为：葡萄糖 10 g/L、Na2HPO40.2 g/L、MgSO4·7H2O 0.2 g/L、NaCl 0.2 g/L、CaSO4·2H2O 0.2 g/L、CaCO30.1 g/L、钾源粉（钾长石或云母）10 g/L，pH 值 7.0～ 7.2，蒸馏水1 000 mL。

1.2 方法

1.2.1 胶质芽孢杆菌对钾矿物的分解作用 在100 mL三角瓶中加入10 g钾矿物（钾长石或云母）和2 g石英砂的混合物。模拟3种自然界的干燥、湿润和淹水条件，干燥、湿润和淹水3种条件下加入的缺K培养基分别为0、10和30 mL，使钾矿物与石英砂混合物的含水量分别为0、420.6 g/kg和1240 g/kg。考虑到静止培养期间水分挥发，在培养期间内不时地加入无菌水以维持每个处理原来所模拟的3种自然界的环境条件。接种量为每瓶接2 mL菌悬液（菌悬液用无菌生理盐水洗去培养基，用无菌水稀释成1×108cfu/mL菌悬液用于接种），同时设不接菌作为CK组，试验设3个重复，30℃静止培养，培养 0、10、20、30 d 取样分析。

1.2.2 测试方法 对于干燥和湿润处理的样品，一部分采用l mol/L中性草酸—草酸铵溶液提取，硅钼蓝比色法测定发酵液中硅的含量。另一部分参照采用火焰光度法测定发酵液中的钾含量[16]；对于淹水处理的样品，一部分用于培养液中草酸的测定，草酸的测定方法见文献[17]。另一部分先进行真空浓缩，再用上述同样方法测定钾含量。样品在处理前测pH值，以及采用平板计数法测定活菌数。

2 结果与分析

2.1 环境条件对胶质芽孢杆菌释钾作用的影响

干燥条件下，由于胶质芽孢杆菌不能正常生长，几乎不能分解含钾矿物并释放其中的钾元素；而湿润和淹水的环境条件有利于供试菌株对钾矿物的分解作用，且湿润和淹水条件对供试菌株的解钾作用无显著差异（表1）。由于钾长石是一种含钾的原生矿物，较易分解，云母是一种含钾的造岩矿物，较难分解，胶质芽孢杆菌菌株对钾长石的分解效果均好于对云母的分解效果。例如湿润条件下，28℃恒温静置培养30 d后，胶质芽孢杆菌从矿物中释放的钾比CK分别增加14.35 mg/L（云母）和16.14 mg/L（钾长石），其增加比例分别达219%（云母）和226%（钾长石）。

表1 不同条件对胶质芽孢杆菌释K作用的影响（mg/L）

从表2中可以看出，胶质芽孢杆菌接入含钾矿物的培养基中，在0～10 d内，细胞数量均逐渐增加，培养l0～20 d，细胞数量维持稳定，20 d后细胞数量开始下降；随着培养时间延长，培养液中的pH值也随之下降。试验证明，供试菌株在湿润或淹水环境中通过本身的代谢活动来分解含钾矿物并释放出其中的K元素。

表2 湿润条件对胶质芽孢杆菌代谢活性的影响

2.2 环境条件对胶质芽孢杆菌释硅作用的影响

胶质芽孢杆菌分解含钾矿物释放Si的作用与释钾作用相似（表3））。胶质芽孢杆菌从矿物中释放的硅比CK分别增加7.28 mg/L（钾长石）和 7.70 mg/L（云母），其增加比例分别达169%和153%。但是云母释放总量稍高于钾长石。研究表明，草酸对硅有很强的络合能力，胶质芽孢杆菌有较强的释硅作用与其代谢过程中产生较多的草酸有关。图1表明，培养10 d，胶质芽孢杆菌培养液中草酸含量比对照培养液中的分别增加107.5 mg/L（钾长石）和110.8 mg/L（云母）。胶质芽孢杆菌是兼性好氧菌，因此在湿润或淹水条件下都可以很好地促进钾长石与云母的释钾和解硅作用。对于胶质芽孢杆菌分解含钾矿物机理的研究已有一些报道[11]。研究表明，胶质芽孢杆菌可以通过酸解和络合作用来分解含钾矿物并释放出其中的钾、硅元素。

表3 不同条件对胶质芽孢杆菌释Si作用的影响 （mg/L）

图1 不同条件对胶质芽孢杆菌产生草酸的影响

3 结论

在干燥的条件下，胶质芽孢杆菌不能进行正常的生长、代谢，不能分解含钾矿物释放出钾和硅元素。在淹水或湿润的环境条件下胶质芽孢杆菌能正常地生长、代谢，从而分解含钾矿物并释放出其中的钾和硅元素。湿润条件下，28℃恒温静置培养10 d，胶质芽孢杆菌释放出的钾比CK增加226%，释放的硅比CK增加148%。胶质芽孢杆菌通过酸解和络合溶解作用来分解含钾矿物。因此胶质芽孢杆菌在环境条件适宜的情况下，对土壤中含钾岩石矿物的溶解起着重要的作用。

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