生物铁肥的研究进展与展望

郑枫蔚 马垚

摘要 铁是植物正常生长发育必需的微量营养元素之一。铁元素在土壤中的含量虽然很高，但植物可以直接吸收利用的有效铁却很少。因此，植物极易缺铁，特别是在干旱、半干旱的石灰性土壤地区，缺铁现象严重。生物铁肥的施用会大大提高土壤铁的利用率，相对于大量施用无机铁肥，此方法既可提高其肥料利用率又经济环保，可以在保证改善植物生长的基础上，减少农用化肥投入，保护农村环境。本文就铁肥应用现状及其发展等方面的研究进展进行了综述。

关键词 生物铁肥；微生物；植物

中图分类号 S144 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）13-0187-01

铁是植物生长发育必需的微量营养元素之一，能促进叶绿素的合成，是叶绿素形成的必需元素，在植株体内很难转移，因而植物缺铁导致的“失绿症”首先表现在幼嫩叶片上；同时，铁能促进作物根内硝酸的还原，对植物光合作用、呼吸作用都有影响，也是影响作物吸收氮和磷元素的限制因素。植物严重缺铁时，叶片会逐渐坏死，甚至导致整株死亡。铁元素虽然在土壤中的含量很高，但植物可以直接利用的有效铁很少。

在实际生产中，高产作物投入的微肥量不足以抵消石灰性土壤自身碱性反应及氧化作用，使铁形成难溶性化合物，降低其生物学有效性，导致植物极易因缺铁而出现生长不良现象，特别是在干旱、半干旱地区的石灰性土壤中铁溶解度极低，远远不能满足植物生长所需[1-2]。植物缺铁是世界各地农业生产面临的一个共同问题。据调查，全世界约40%的土壤中生长的植物易出现缺铁症状。而且铁也是人类必需的元素，在人体中具有造血功能，参与血蛋白、细胞色素及各种酶的合成。目前，人类铁营养的缺乏已经成为最严重的营养缺素症之一。因此，提高土壤铁的有效性，对治理与改善植物的缺铁症、提高其品质与人类健康均具有重要的理论与实践意义[3-4]。

1 直接施铁肥利用率低

铁肥的肥效根本取决于铁肥在土壤中的水溶性和稳定性，还取决于土壤酸碱性、氧化还原电位等多种因素。石灰性土壤pH值较高，可溶性无机铁肥施入土壤中后会迅速沉淀并转化成难溶的铁化合物（如氢氧化铁）。因此，肥效较差，而且即使增加铁肥的施用量，其效果也不理想。

在实际生产中，矫正石灰性土壤上植物缺铁症常用的方法是将铁肥直接施入土壤，但是土施铁肥法一般肥料用量大，而且肥效十分不稳定。这主要是因为铁肥直接土施时，亚铁在石灰性土壤中会被氧化或者固定而失去肥效。有些植物可以产生适应性，并通过根系分泌有机物质活化土壤中的铁供吸收利用。但大多数植物因无法产生这类物质而受缺铁胁迫。

在国外，有机铁肥和螯合铁肥的生产与应用已非常普遍，而在我国因其价格昂贵、施入土壤后易降解、效果不稳定等原因而难以推广。我国市售铁肥仍以价格低廉的无机铁肥为主，微生物铁肥的研究与应用十分缺乏。

2 产生铁载体的微生物能活化土壤铁

虽然铁在地壳中的丰度排第4位，但是由于地球的富氧环境，铁以溶解度极低（10～17 mol/L）的氧化物形式存在，许多微生物通过合成分泌与Fe3+有高特异螯合能力的小分子化合物（分子量约1 000）摄取环境中的铁，这类化合物即为铁载体（siderophore）。铁载体是一类较强特异螯合Fe3+（螯合系数可达1 020～1 030）的小分子化合物，很多植物根际微生物可以通过合成这类物质摄取环境中的铁，并将多余的铁提供给植物；也可以与根际铁载体产量很小的有害病原菌竞争铁元素，从而抑制有害微生物的生长和繁殖。

铁元素是细菌的重要营养物质之一，对于保持细胞内多种酶的活性具有十分重要的作用，若缺少铁很多作物会无法正常生长。铁在自然界中含量丰富，但大多以细菌不能利用的化学形态存在，细菌能够利用的生物有效铁十分少。在漫长的自然演化中，部分细菌进化出了获取铁的特殊能力，分泌出一种小分子化合物（铁载体），将铁离子（一种生物有效铁）紧紧束缚住。此外，铁载体还可以帮助细菌摄取一些深埋于矿物质或其他螯合物中的铁离子。

正因铁载体有如此妙用，细菌才会遍布土壤、海洋这些“有效铁”资源匮乏的广大地区。Ferret等[5]发现一类Pseudomonas，产生的铁载体可以帮助释放蒙脱石中的铁、硅等元素，促进细菌对铁的摄取，有利于细菌生长。大量研究表明，能产生铁载体的微生物不仅能保证细胞正常生长，而且会通过释放铁载体为其他生物提供良好的铁源[6-7]。Sharma等[8]研究发现，接种可产铁载体的Arthrobacter globi-formis可帮助释放土壤铁、促进玉米和小麦对土壤铁素的吸收。

3 产铁载体的微生物与廉价无机铁肥复配施用经济环保

目前，市场上出售的有机复合肥多是造纸产业的副产品木质素磺酸铁、多酚酸铁和铁代聚黄酮类化合物等，作为微量元素载体虽然成本较低，但效果也较差，不易与金属盐混配。有机酸与铁离子形成稳定的螯合物，螯合铁肥对铁元素的螯合保护能使铁最大量地被植物吸收，所以被市场接受。相对于大量施用无机铁肥，采用新型生物铁肥既提高其肥料利用率又经济环保，而且可以在保证植物正常生长的同时，减少化肥投入，保护农村环境，符合当前国家提倡的化肥农药双减政策。

随着社会生活水平的提高，农业生产向优质高产方向

转变，通过常规育种和植物生物技术选育铁营养高效型作物种类和品种也成为提高作物中铁含量的重要方法之一，越来越受到各国植物育种学家和营养学家的重视。但是常规育种成本较高；生物技术研究不但费用昂贵，而且随之产生的生物安全问题也充满着争议。因此，鐵肥的发展已经成为微肥发展的重要支柱之一。

近年来，随着微生物铁营养研究的深入，微生物在肥料方面的作用越来越受到重视。微生物产生铁载体能够使难溶性铁活化，提高铁在土壤中的溶解性和移动性，增加铁对作物的有效性，对于自身不能分泌麦根酸的双子叶植物和除禾本科外的单子叶植物在石灰性土壤中抗铁胁迫生长具有重要的意义。此外，铁载体还能影响某些动植物病原菌的致病性，具有铁载体合成能力的微生物能够供给植物铁营养或通过与植物病原菌竞争铁营养达到生物防治的作用。

4 問题与展望

目前，我国市场上销售的铁肥以无机铁肥为主，价格低廉，但无机铁肥性质不稳定，使用效能低下。在国外，有机铁肥和螯合铁肥的生产与应用技术较成熟。我国对铁肥的生产和应用还处于初级阶段，产业化的生产技术和应用的产品多依赖于进口。新型缓释铁肥出现时间相对较晚，个别品种肥效研究仅限于试验条件，具体技术尚不清楚。因此，我国要加强有机铁肥与螯合铁肥的生产与研究，加强新型缓释铁肥品种的后期施用效果研究。

5 参考文献

[1] 魏本杰，曾晓希，刘志成，等.产铁载体菌的筛选鉴定及活化镉的性能探究[J].环境科学与技术，2014，37（11）：26-31.

[2] 刘自飞，高丽丽，王盛锋，等.常见铁肥品种及其使用效果综述[J].中国土壤与肥料，2013（6）：1-9.

[3] 梁建根，郝中娜，王连平，等.嗜铁素功能研究概述[J].中国农学通报，2011，27（5）：284-287.

[4] 李林，寿惠霞.作物铁生物强化[J].生命科学，2015，27（8）：1037-1046.

[5] FERRET C，STERCKEMAN T，CORNU J Y，et al.Siderophore-promoted dissolution of smectite by fluorescent Pseudomonas[J].Environmental Microbiology Reports，2014，6（5）：459-467.

[6] HARRISON F，MCNALLY A，DA SILVA A C，et al.The social evolution of siderophore production in Pseudomonas aeruginosa is environmentally determined[EB/OL].[2018-02-21].https：//www.biorxiv.org/node/26899.

[7] TAJ Z Z，RAJKUMAR M.Perspectives of Plant Growth-Promoting Actin-omycetes in Heavy Metal Phytoremediation[M].Springer Singapore：Plant Growth Promoting Actinobacteria，2016：213-231.

[8] SHARMA M，MISHRA V，RAU N，et al.Increased iron-stress resilience of maize through inoculation of siderophore-producing Arthrobacter globiformis from mine[J].Journal of Basic Microbiology，2016，56（7）：719-735.