解磷微生物肥料的研究与进展

侯佳奇，李晔，贾璇，祝超伟，李鸣晓

（中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012）

磷是植物生长所需的重要营养元素，大多数土壤中磷素的95％以上为无效磷，植物很难吸收利用[1]。目前，我国农用磷肥的加工主要是利用大量硫酸，以磷矿粉为主要原料加工而成[2]，加工成本较高，长期施用不仅造成土壤板结，也会污染环境[3]。磷矿粉如直接施用于土壤时,肥效又受许多因素限制[4]。为提高堆肥难溶性无机磷的转化能力，国内外许多学者将难溶性无机磷的转化作为研究重点[5-7]。研究结果表明：土壤中存在大量的微生物，能够将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的形态，具有这一类特殊功能类群的微生物称为解磷微生物（Phosphate-solubilizing microorganisms,PSMs）[8]。解磷微生物不仅能提高植物对磷的利用率，还能促进土壤中有益微生物的代谢活动，改善植物根部营养，从而达到增产效果。因此筛选高效解磷微生物，生产含有解磷功能的微生物有机肥料是解决土壤可利用磷素形态和植物磷素供应问题的一条有效途径。为此，总结了磷细菌的生态分布规律，阐述了影响解磷微生物解磷能力的外界影响因素，探讨了解磷微生物肥料的应用价值。为解磷微生物未来的研究重点提出理论依据。

1 解磷微生物的种类与分布

1.1 解磷微生物的种类

土壤中分解难溶性磷化合物的微生物种类繁多，主要包括细菌、真菌和放线菌等。而微生物溶磷能力差异主要取决于微生物本身的特性。一般而言，真菌的溶磷量大于细菌[9]。

根据解磷菌分解底物的不同，可将其划分为有机磷微生物和无机磷微生物。能够将土壤中的核酸、磷脂和植素等含磷有机物分解为可溶性无机磷的微生物，称为有机磷微生物。如芽孢杆菌属（Ba-cillus）的一些种；而能够将土壤中的 CaHPO4，Ca（H2PO4）2和Ca3（PO4）2等简单的磷酸盐或结构复杂的磷灰石等植物难以吸收的无机磷酸盐转化为可溶性无机磷的微生物，称为无机磷微生物[1]，如假单孢菌属（Pseudomonas）的某些种。当然，某些微生物如链霉菌属（Streptomyces）不仅可以溶解无机磷，也能分解有机磷，所以二者之间并无严格界限。

1.2 解磷微生物的生态分布特征

土壤中解磷微生物的种群生态分布表现出强烈的根际效应，即种类、数量、分布和菌种与根际环境间相互关系等均受根际微域环境（土壤物理结构、有机物质含量、土壤类型、土壤肥力、耕作方式和措施等）的影响[10]，在植物根际的数量要远远大于其周围土壤中的数量。

Katznelson等人[11]将细菌按不同区域进行分离，得到了根面细菌、根际细菌及非根际细菌。其研究结果表明，从小麦根面分离的细菌氧化葡萄糖和丙氨酸的能力比从根际和非根际分离的细菌强。并且根面中解磷细菌的含量分别是非根际和根际区的18倍和6倍。赵小蓉[8]等发现解磷细菌的分布表现出强烈的根际效应，根际土壤中解磷细菌的数量多于土体中解磷细菌基金项目：国家科技支撑计划项目：村镇有机废弃物高值化分质利用技术集成、装备研发（2012BAJ21B02）作者简介：侯佳奇（1987-），女，黑龙江伊春人，硕士，主要从事固废处理处置方向的研究。量，但其并不是根际微生物的优势菌株。并且无论是无机磷细菌还是有机磷细菌，小麦根际都比非根际土壤中磷细菌种群结构复杂，优势种群也更加明显。Babana和Antoun[12]发现，在4种不同性质的土壤中，3种小麦根际磷细菌的分布都明显表现出根际效应，而且不同作物根际分布的磷细菌种群结构也有差异。Paul和Sundara[13]研究豆科植物根际磷细菌后发现，芽孢杆菌属占优势。

2 高效解磷微生物筛选方法及影响解磷微生物生长因素

2.1 高效解磷微生物的筛选原理与过程

2.1.1 筛选原理

根据在缺磷的合成培养基中加入控制磷源，初步分离出不同的土壤解磷菌为初筛。分离有机解磷微生物时，通常以卵磷脂为控制磷源；分离无机解磷微生物时用磷酸三钙或磷矿粉为控制磷源，从而初筛出有一定解磷、溶磷能力的菌株，再经过多次复筛选出优良高效纯菌株。

2.1.2 筛选步骤

取样→分离用的合成培养基的配制→菌株的分离→除磷菌株的筛选→有效菌株的复筛

2.2 影响解磷微生物生长的因素

由于传统磷肥的长期施用，使得土壤中储存的不溶磷量不断积累，这样不仅降低磷肥的生产效益，同时引起环境污染问题，如水体富营养化和营养不平衡等。利用解磷微生物转化土壤中储存磷素的形态可缓解磷肥需求矛盾，减少磷对环境的污染。微生物肥料所采取的菌剂是由目标菌和辅助菌共同构成的复合菌剂，因此筛选高效解磷微生物菌株，是解磷微生物肥料能在农业生产中得以应用的重要手段之一。但是，在筛选与培养高效解磷微生物的过程中，一些外部条件如温度、pH值等对解磷微生物生长也有一定的影响。

2.2.1 温度的影响

微生物的生命活动由一系列生物化学反应组成，受温度影响极其明显，所以温度是影响微生物生长和代谢的一个重要因素[14-16]。当温度在微生物的一定范围内变化时,它的生长和代谢正常且平稳。超过一定范围，微生物不能生长和代谢或者生长代谢急剧下降。胡子全等人[17]研究发现，从巢湖水体中分离筛选的SY2号菌株生长量最高时的温度为30℃左右；超过35℃以后，菌体生长量明显表现出下降的趋势。胡春明等人[18]通过正交实验对不同参数条件下解磷菌的解磷能力进行了研究，结果表明，在培养温度35～55℃条件下，解无机磷微生物具有较高的解磷能力。马桂英等[19]通过在降解磷尾矿培养基中加入酱油渣，正交实验优化得出在发酵温度为30℃时，速效磷含量可达2 572 mg/kg。低品位的磷尾矿粉磷的转化率可高达46.33％。

2.2.2 pH值的影响

pH值是影响微生物生长的重要化学因子。在培养微生物时，一般情况下，要求细胞内环境的pH值相对稳定，接近中性。这样可以避免细胞内的重要成分如DNA，ATP等被酸破坏，或RNA、磷脂类等被碱破坏的可能性[20]；并且生物体内的所有代谢过程都受酶的控制，而酶的催化反应又依赖pH值，所以细胞内环境的pH值对生物体生长有显著影响[21]。同时细胞外环境的pH值也可以引起细胞膜电荷变化，以及影响营养物离子化程度，从而影响微生物对营养物的吸收，影响环境中有害物质对微生物的毒性等。对于解磷微生物来说，真菌的溶磷能力与其培养介质的pH值之间呈显著的负相关，但细菌的这种关系非常弱[22]。孙冬梅[23]利用比色法对两株解磷微生物解磷能力进行测定，研究发现，随着培养基中pH值的下降，菌液浓度也呈现不同的变化趋势，一部分外加难溶态磷酸盐会被释放出来，同时菌体也会出现不同程度的自溶或死亡。周婷[24]从洱海和太湖表层底泥样品中分离出了3株解磷菌，将解磷微生物与水华水体中常见的两种微型藻、鱼腥藻和微囊藻共同培养，发现菌株适宜的pH值为5.5～7.5，且解磷能力与培养介质的pH值负相关。

2.2.3 溶氧量的影响

不同溶氧量对菌体生长也有一定影响，其可能原因是分子氧的毒害作用。过多的氧气供应会产生超氧阴离子自由基（O2-），机体内的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶（SOD）不能及时还原超氧阴离子自由基，可能导致细胞内有机分子和膜的破坏，且表现为种群生长量受到抑制[14，25]。赵锋[26]等通过研究表明，溶氧量可以影响水稻根系生长及微生物对氮素的利用。溶氧量较低时（溶氧量0～1.0 mg/L），铵硝混合营养比单一的铵态氮营养显著提高植株的生物量。

2.2.4 金属离子的影响

金属离子是微生物生长和代谢产物合成的重要影响因子。在对污水处理时，有些金属离子进入菌体内与大分子物质结络合,使其丧失活性,表现为生物体中毒或死亡[27，28]；有些金属离子参与细胞内分子结构的组成，调节细胞的渗透压、pH值和酶的活性，表现为菌体生长量上升。Mn2+是超氧化物歧化酶、丙酮酸羧化酶、精氨酸酶等的辅助因子，是腺嘌呤核苷酸酶和一些水解酶的激活剂，有时可替代Mg2+。姚庆智[29]等通过研究表明，Mn2+对筛选出解磷菌株的生长有很强的抑制作用，Mg2+，Ca2+，Fe3+对其生长没有影响。

2.2.5 氮源对菌体生长量的影响

氮是构成蛋白质和核酸等微生物重要生命物质的重要元素之一，也是微生物生长的主要营养成分。微生物能利用的氮源包括有机氮和无机氮，有机氮主要有牛肉膏、蛋白胨、尿素等，无机氮主要有（NH4）2SO4，KNO3等。

陈倩颖等人[30]研究发现以（NH4）2SO4为唯一氮源时，解磷菌株S3解磷能力最强。范丙全等人认为解磷菌以NO3--N为氮源时的解磷量通常高于以NH4+-N为氮源时的解磷量[31]。姚庆智[29]等为获取能与菌根真菌褐环乳牛肝菌配伍制作的复合高效解磷细菌，以发酵培养基的配方为基础，研究KNO3，NH4NO3，尿素，（NH4）2SO44种氮源对细菌生长的影响，结果表明，菌株对氨态氮的利用优于硝态氮，其生长最佳氮源为（NH4）2SO4。

3 解磷微生物肥料的研究与应用

微生物菌肥是由具有特殊效能的微生物经过发酵制成的、含有大量有益微生物、对作物有特定肥效的微生物制品[32]，它利用微生物的生命活动，将作物不能吸收利用的物质转化为可吸收利用的营养物，改善作物的营养条件，提高作物产量。

3.1 解磷微生物肥料对根系生长促进的研究

解磷微生物最直接的作用就是溶解土壤中的难溶性或不溶性磷素[33]。土壤被施用解磷微生物肥料后，通过解磷细菌的生长代谢，可以在作物根际周围形成一个植物可利用磷素的供应区[34]，使得作物获得充足的可利用磷，从而促进植物生长。

作物通过根系对土壤中的磷素进行吸收、运输、利用代谢，作物根系的发达程度影响磷素的吸收效率。研究表明，解磷微生物肥料的施用对作物根系的生长也有一定的促进作用。郜春花[35]等通过研究发现，用解磷菌剂处理的青菜根系较发达，主根长和根系鲜重较不接种对照分别增加了29.8％～16.3％和58.3％～62.5％。根系的增大，促使根系分泌物增多，使得根系吸收养分能力相应增强，从而促进作物地上部分生长，鲜重、干重和生物量分别较对照增加41.1％～23.5％，24.9％～15.8％和41.6％～24.6％。解磷微生物肥料的加入不仅可以促进作物根系的生长，对作物的叶片、果实及整个地上部分也有一定的生长促进作用。如果在植物生长前期加入解磷菌剂，会有更强的促进作用，因为这个时期是植物对环境压力最敏感、易造成作物减产及质量降低的时期，此时加入的解磷菌剂可以稳定作物生长，增强解磷微生物肥料的效力。

不同的解磷菌群溶解磷量不同，一般而言，真菌的溶磷量大于细菌。而不同的解磷菌群对作物生长的促进效果也不同。郝晶[36]等研究不同解磷菌群对豌豆生长和产量的影响，结果表明，使用解磷菌剂能大幅度提高豌豆产量，产量多少与接种的菌群关系为：真菌＞细菌＞混合菌。

3.2 解磷微生物肥料对作物生长的其他促进作用

解磷菌剂通过生理代谢作用，溶解植物根际难溶性磷化物的同时，也会促进植物对其他营养元素的吸收，例如 K，Ca，Mg，Fe，Zn，N 等微量元素。当解磷菌剂在作物根际周围快速繁殖，逐渐成为优势菌群后，限制了其他病原微生物的繁殖机会。有些微生物对病原菌具有拮抗作用，或者分泌抗菌素，抑制或杀死致病真菌和细菌，起到了减轻作物病害的功效[37]。

解磷微生物肥料的施用不仅刺激植物快速生长，同时还可减少根系有机酸、磷酸酶等物质的分泌，这在很大程度上减轻了植物由于营养缺乏而导致的根际酸化现象[38]。

3.3 解磷微生物肥料的生产与应用

解磷微生物肥料具有很高的市场竞争力，其生产工艺简单、见效快、效果好。如果选择采用从土壤中直接分离解磷微生物菌株作为肥料，则更加控制了成本，并且不会在生产过程中向环境排放污染物。低污染，更成为它在新环保时代的一大优势。

解磷微生物肥料的生产工艺要求简单，主要是固体吸附剂类型，产品的质量要求与一般微生物肥料要求一致。由于一些解磷菌种可产生芽胞，所以芽胞粉剂可作为其副产品投入生产，芽胞粉剂有容易使用、保存期长等优点。

在实际应用中解磷微生物肥料应注意以下几个问题：（1）在使用前，应了解肥料的解磷范围和环境，一般用在缺磷且有机质较丰富的土壤上效果较好。（2）结合堆肥使用效果较单施更好，即在堆肥中先接入解磷微生物肥料，发挥其分解作用，然后将堆肥翻入土壤[39]。（3）若不同类型的解磷菌种互不拮抗，可复合使用[40]。

4 解磷微生物肥料的研究展望

据估计，若我国微生物肥料的产量占化肥产量的3％，则粮食产量可增加50～100亿kg[41]。我国微生物肥料研发与应用时间较短，当前国内现有微生物肥料的生产厂家仅400家左右，年产300万t，只占化肥产量的0.5％。我国解磷微生物肥料产品的研制仍处于初始阶段，近几年，随着人们环保意识的增强，微生物肥料的研发受到了高度重视。解磷微生物肥料的发展具有非常好的前景。

目前，将不同种类解磷微生物混合发挥组合作用是解磷微生物肥料发展的主要趋势。解磷微生物肥料在我国应用并不普遍，原因有多方面，诸如解磷微生物种类繁多、不同菌株之间溶磷差异很大、真菌分泌的有机酸种类比较复杂等[42]。国内外对解磷菌的研究主要集中在解磷菌的解磷能力、测定方法的研究上，对解磷机制的研究较少[43]。为了进一步揭示解磷微生物肥料的作用及机制，笔者建议应从以下几方面加强研究：（1）分离纯化解磷菌，进行高效菌种的选育[44]，构建高效解磷工程菌株，以提高解磷能力；（2）探索解磷微生物解磷的分子机制，从分子生物学的角度探讨解磷微生物的解磷机制[45]，通过原生质体融合、荧光原位杂交等现代生物技术，揭示解磷微生物种类和解磷机制相关信息；（3）研究解磷微生物与其他功能微生物之间的相互关系，组成生物菌剂共同施用以增强微生物菌肥的肥效；（4）解磷菌的种类繁多，因此对于不同的土壤和植物类型，何种解磷菌可以达到最佳解磷效果是加强研究的关键[46]；（5）深入研究解磷菌施入土壤后的活动和消长动态变化，挖掘土壤磷资源的利用潜力[47]，提高土壤中有效磷含量，改善土壤环境，更好地为农业生产服务，使国内外农业更好更快地朝着绿色农业方向发展。

[1]邵宗臣，赵美芝.土壤中积累态磷活化动力学的研究Ⅰ.有机质的影响[J].土壤学报，2002，39(3):318-325.

[2]魏自民，席北斗，王世平，等.垃圾堆肥对难溶性磷转化及土壤磷素吸附特性影响[J].农业工程学报，2006，22(2):142-146.

[3]钟传青，黄为一.提高磷矿粉肥效的生物学途径[J].化肥工业，2002，2 9(2):1 5-1 7.

[4]胡春明，姚波，席北斗，等.一株耐高温无机磷降解菌解磷能力的研究[J].东北农业大学学报，2010，41(1):47-51.

[5]魏自民，王世平，席北斗，等.生活垃圾堆肥对难溶性磷有效性的影响[J].环境科学，2007，28(3):679-683.

[6] Milkha S Aulakh，B achitter S Kabba，HSB addesha，etal.C rop yields and phosphorus fertilizer transform ations after25 years of applications to a subtropical soil under groundnut-based cropping system s [J]. Field C rops Research，2003，83 (3): 283-296..

[7] A Yu Kudeyarova. Alum inium phosphates as products oftransform ations of fertilizer phosphorus in an acid soil [J].G eoderm a，1981，26 (3):195-201.

[8]赵小蓉，林启美.微生物解磷的研究进展[J].土壤肥料，2001，5(3):7-1 1.

[9]赵小蓉，林启美，李保国.微生物溶解磷矿粉能力与p H及分泌有机酸的关系[J].微生物学杂志，2003，23(3):5-7.

[1 0]王莉晶，高晓蓉，孙嘉怡，等.土壤解磷微生物作用机理及解磷菌肥对作物生长的影响[J].安徽农业科学，2008，36(1 4):59 4 8-59 58.

[11] Katz nelson H ，Peterson EA ，R outt J W.P hosphatedissolvingm icroorganism s on seed and in the root zone ofplants [J].C anadian Journal of B otany [J]，1962，40 (9)：1181-1 186.

[12] B abana AH ，A ntoun H.B iological system for im provingthe availability of Tilem si phosphate rock for w heat(Triticum aestivum L.) cultivated in M ali [J]. N utrientC ycling in A groecosystem s，2005，72 (2): 147-157.

[13] P aul N B ，Sundara RWVB.P hosphate-dissolvingbacteria in the rhizosphere of som e cultivated legum es [J].P lant and Soil，1971，35:127-132.

[14] Law rence R P om eroy. D on D eibel. Tem perature R egulationofB acterialA ctivityD uring the Spring B loom in N ew foundlandC oastal W aters [J].Science，1986，233(4761):359-361.

[15] M Felip，M L P ace. J J C ole. R egulation of planktonicbacterial grow th rates: the effects of tem perature andresources [J]. M icrobial Ecology，1996，31(1):15-28.

[16] M B C ole，M V Jones，C H olyoak. The effect of pH ，saltconcentration and tem perature on the survival and grow thof Listeria m onocytogenes [J].Journal of A ppliedM icrobiology，69(1):63-72.

[17]胡子全，赵海泉.一株有机解磷菌的筛选及其最佳生长条件的研究[J].中国给水排水，2007，23(17):66-70.

[18]胡春明，姚波，席北斗，等.一株耐高温无机磷降解菌解磷能力的研究[J].东北农业大学学报，2010，41(1):47-51.

[19]马桂英，王修俊，牛立群，等.酱油渣降解磷尾矿粉的条件优化[J].广东农业科学，2011(23):104-106.

[20]周德庆.微生物学教程(第2版)[M].北京:高等教育出版社，2002.

[21]徐乐中.pH值碱度对脱氮除磷效果的影响及控制方法[J].给水排水，1994，22(1):10-13.

[22]赵小蓉，林启美，李保国.微生物溶解磷矿粉能力与pH及分泌有机酸的关系[J].微生物学杂志，2003，23(3):5-7.

[23]孙冬梅，张树权，迟丽，等.两株不同解磷微生物的分离及其特性[J].土壤肥料科学，2008，24(3):239-242.

[24]周婷.富营养化湖泊底泥中解磷菌的筛选及解磷影响因素的研究[D].湖南:湖南农业大学，2011.

[25] William MM iller，C harles R W ilke，H arvey W B lanch.Effects of dissolved oxygen concentration on hybridom agrow th and m etabolism in continuous culture[J].Journal ofC ellular P hysiology，1987，132(3):524-530.

[26]赵锋，徐春梅，张卫建，等.根际溶氧量与氮素形态对水稻根系特征及氮素积累的影响[J].中国水稻科学，2011，25(2):19 5-200.

[27] K S H ui，C Y H C hao，S C Kot. R em oval of m ixed heavym etalions in w astew ater by zeolite 4A and residualproducts from recycled coal fly ash [J]. Journal ofhazardous m aterials，2005，127(1-3):89-101.

[28] A Kapoor，T V iraraghavan. Fungalbiosorption-an alternativetreatm ent option for heavy m etal bearing w astew aters: areview [J].B ioresource Technology，1995，53(3):195-206.

[29]姚庆智，闫伟，高学良，等.油松菌根根际一株高效磷细菌培养条件的研究[J].安徽农业科学，2009，37(18):8337-8340.

[30]陈倩颖，赵海泉.解有机磷细菌的分离鉴定及其解磷特性研究[D].合肥：安徽农业大学，2009，6.

[31]范丙全，金继运，葛诚.溶解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.

[32]郭立忠，毕建水，祝丕业，等.微生物菌肥中三类菌株的分离、纯化与部分性质鉴定[J].莱阳农学院学报，2002，19(4):248-250.

[33]冯月红，姚拓，龙瑞军.土壤解磷菌研究进展[J].草原与草坪，2003(1):3-7.

[34]米苏斯金EH.土壤微生物和土壤肥力[M].许光辉，译.北京:科学出版社，1959.

[35]郜春花，王岗.解磷菌剂盆栽及大田施用效果[J].山西农业科学，2003，31:25-28.

[36]郝晶，洪坚平，刘冰，等.不同解磷菌群对豌豆生长和产量影响的研究[J].作物杂志，2006(1):73-76.

[37]唐勇，陆玲，杨启银，等.解磷微生物及其应用的研究进展[J].天津农业科学，2001(7):1-5.

[38]覃丽金，王真辉，陈秋波.根际解磷微生物研究进展[J].华南热带农业大学学报，2006(12)：44-49.

[39]李剑峰，师尚礼，张淑卿，等.解磷微生物肥料研究进展[J].2010，23(1):63-67.

[40]王义，贺春萍，郑肖兰，等.土壤解磷微生物研究进展[J].安徽农学通报，2009，15(9):60-64.

[41]李明.微生物肥料研究[J].生物学通报，2001，36(7):5-7.

[42]林启美，王华，赵小蓉.一些细菌和真菌的解磷能力及其机理初探[J].微生物学通报，2001，28(2):26-30.

[43]郑世仲，江胜滔，黄燕翔，等.土壤中有机磷解磷细菌的分离筛选及鉴定[J].安徽农学通报，2009，15(15):24-26.

[44]葛菁萍，蔡柏岩，宋刚，等.土壤中功能真菌的分离及其解磷能力的初步研究[J].中国土壤与肥料，2009，12(6):84-86.

[[45] M oham m ad Saghir Khan，A lm as Zaidi，P arvaze A.W ani.R ole ofP hosphate Solubilizing M icroorganism s in SustainableA griculture-A R eview [J].Sustainable A griculture，2009，33(10):551-555.

[46]A nthony O.A desem oye. Joseph W.Kloepper. P lantmicrobes interactions in enhanced fertilizer-use efficiency[J].C hem istry and M aterials Science，2009，85(1):1-12.

[4 7]郝晶，洪坚平，谢英荷，等.石灰性土壤磷细菌的分离、筛选及解磷效果[J].山西农业科学，200 5，33(4):56-59.