生物微胶囊在盐碱地应用探究

(四川大学建筑与环境学院，四川成都，610065)

1 盐碱地研究现状

1.1 西北地区土壤盐碱化现状

中国西北地区盐碱化问题严重，其中以新疆尤为突出，新疆处亚洲大陆内部腹地，距离海洋相对较远，是地球上距海洋最远的一块陆地，是温带大陆性气候，具有丰富的土地、光热资源，昼夜温差非常大[1]，有利于作物优质高产。但是由于降雨量稀少，每天的水分蒸发量大，剧烈的地表水蒸发和植物的蒸腾作用，使土壤中盐分不断上移，从而引起土壤中盐分累积。新疆推广应用了先进的膜下滴灌技术，改变了农业生产方式的本质问题，明显地促进了农业生产的发展。然而由于长期滴灌和不适当的农业灌溉会导致无法充分冲洗土壤中的盐分，土壤中的水分只能停留于表层，无法进入地下水，再经过农作物吸收和蒸腾作用，土壤中盐分进一步上移，不断积累，又造成了土壤次生盐渍化的发生[2]，加重了土壤的盐碱化现状。

1.2 盐胁迫对农作物的危害

通常来说，盐离子对作物生长的抑制作用主要是由于Na+和Cl-引起的[3]。土壤中的可溶性盐类太多，由于渗透势增高[4]，按照水是由高势向低势活动的原理，根细胞内的水势一定要低于四周介质的水势才可以吸水，因此土壤盐分多，根吸水就会困难，并且作物根系的水量有可能大量损失。所以盐胁迫的通常表现本质上是作物根系水分大量流失导致的旱害，特别是在大气的相对湿度低的状况下，随蒸腾作用进一步加强，盐害作用更为明显，一般作物在湿季耐盐性增强。盐离子对作物的危害主要表现为3个方面：

1.2.1 影响作物的光合作用

叶绿体是作物进行光合作用的主要地方。植物光合作用强度的最重要的指标之一是由叶绿素的含量所反映的。因为盐的胁迫，植物没法吸收到充足的水分及所需营养物质，从而很快便会变得营养不良，从而导致叶绿素含量相对降低，影响到光合作用。

1.2.2 对植物细胞膜结构的影响

盐的胁迫会影响细胞的膜蛋白及膜脂，从而造成脂膜透性增大，膜脂过氧化，因而影响膜的正常生理功能。通常情况下，细胞壁和质膜相互接触，细胞在失水时细胞质膜收缩，因为细胞质膜与细胞壁的弹性力并不相同，质壁相互“撕扯”变形，产生机械胁迫，使得细胞里面的游离Ca2+浓度变大，导致植物活性氧发射出来[5]。盐胁迫使细胞失水，引起细胞渗透压发生巨大变化。

1.2.3 阻碍农作物蛋白质合成

盐度太高对蛋白质代谢变化很大[6]，负刺激蛋白质生成，正刺激分解，阻止蛋白质生成的直接因素也许是毁损了氨基酸的生成[7]，使作物产生有毒有害物质。盐的抑制使植物内部累积有毒的物质，例如蛋白质分解的产物游离的氨基酸、胺、氨等的积累，这些物质对作物有毒害作用，使植物叶片生长不良，抑制根系生长，组织细胞变黑坏死等[8]。

1.3 针对缓解盐分胁迫解盐促生菌的研究及应用现状

最近几年，大量研究发现作物根围存在一些微生物可以帮助作物抗旱，涝，盐、重金属等很多不利环境条件，并且可以促进作物生长。1978 年Burr 和Schroth首先报道了马铃薯上存在 PGPR 以后，国内外相关研究不断出现。PGPR具有许多有利的特性，包括氮素固定，矿物质溶解，合成生长素，乙烯，细胞分裂素，维生素和其他重要的植物激素，为作物的快速生长和防止盐胁迫所必需。至今，许多 PGPR 菌株已筛选、鉴定和验证[9]。郭丽娜[10]等前期研究说明了Rs-198具有解盐促生产IAA效果，但是对施入到土壤中时，受到活菌数的影响，对棉花的生长时段可能产生影响。

基于PGPR促进作物生长、提高作物抗逆性等特点，国内外的科学家都纷纷予以重视。利用微生物投入少，效果明显周期较短对环境影响小的特点，围绕PGPR的筛选和研究迅速成为了国内外的研究热点。

张晖、宋圆圆等从健康香蕉根际土中分离获得的枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、耳炎假单胞菌和绿针假单胞菌中筛选出香蕉根际微生物耳炎假单胞菌对物质的病原菌有非常微妙的抑菌作用，并且刺激番茄的生成[11]。

近年来研究表明，一些研究者开始致力于采用微胶囊技术对菌株进行包埋，以期提高其存活率，北京林业大学的郭佳利用海藻酸钠和明胶作为壁材包埋了嗜乳酸杆菌，制成胶囊后其活菌数大大增加，并且提高了菌株对外界环境影响的抗逆性。微胶囊技术是一种新型的包埋技术。微胶囊可以是单层结构也可是多层结构[12]，多数的气体、液体和固体材料可以被包封在微胶囊中。目前胶囊化被认为是现在保护根围促生菌的生存能力最有用的方法之一，细菌细胞的微囊化是最新最有效的技术之一。采用挤压技术的微胶囊化技术已被用于保护细胞，使其在接种后土壤中更好地存活。微胶囊化的菌株在定殖入土壤后可以得到较好的保护而具有更高的存活性[13]。因此，许多学者着重于开发不同的技术来改善细菌菌株的存活。微胶囊已经被用来包埋一些根围菌。王少君的研究主要以海藻酸钠-乳清蛋白-钙凝胶为壁材，以嗜酸乳杆菌 La-5 为芯材，添加多糖制备微胶囊，研究微胶囊在贮藏期间的菌种变化情况及在乳制品中的应用。Schoebitz等发现，藻酸盐和淀粉中的根际细菌(Azospirillumbrasilense和Raoultellaterrigena)的封装增强了其在储存过程中的存活。此外，微囊化细胞可以以缓慢且可控的方式释放到目标土壤中，赋予更大的长期有效性[14,15]。

2 微胶囊概述

2.1 微胶囊的制备方法

微胶囊的制备方法有很多，总体来说大概有200多钟，根据其形成条件大概可以分为三类，物理法、化学法和物理化学法。由于根伟菌非常敏感，要求胶囊化过程要温和，不能破坏和损伤细胞，最大程度地保护菌种不被伤害，所以用于包埋微胶囊的壁材必须是无毒无害的。目前国内外已经有很多种制备微胶囊的方法出现，并且已经相对成熟了。

2.1.1 挤压法

挤压法指将芯材中的活性物质或菌体均匀分散在糖类物质等碳水化合物(壁材)中，之后通过挤压将混合物质挤到冷却物质中，迅速脱水降温，使壁材析出硬化形成微胶囊。这种方法实行起来很简单，而且中间较为缓和，成本较低。相关学者利用挤压法制作了乳酸菌微胶囊，数据显示，固定化的乳酸菌对低pH值的胃酸具有较好的承受力，并研究了海藻酸钠、氯化钙的浓度，微胶囊固定化时间等因素对微胶囊产品的影响。

2.1.2 喷雾干燥法

这种方法是将分散液雾化形成小水滴，可以立刻蒸发那些溶于壁材的溶剂，最终成为微胶囊。喷雾干燥的主要优点干燥过程是连续的，且具备低成本、品质高、迅速溶解、小尺寸和高稳定性等特点。邢树礼通过喷雾干燥法制备了盐酸二甲双胍缓释微球，在一定条件下包封率可达到94%，并且收率和载药量也较好[16]。不过，与此同时，也要将喷雾胶囊的缺点考虑在内，如在这个过程中使用的高温不适合于包封细菌培养，缺乏均匀性产生微胶囊，对于墙面材料的选择也有所限制。

2.1.3 复合凝聚法

复合凝聚法是凝聚法中最常用的方法[17]。此方式是在静电引力条件下，使得相反电荷的高分子材料间产生静电作用，使得体系溶解度下降。复凝聚法常用于油溶性的芯材，明胶、阿拉伯胶等都是复合凝聚法常用的反应物质。

复凝聚法常用于制备微胶囊或微球。一般使用海藻酸钠、壳聚糖等天然高分子材料作为壁材，他们通过静电作用复合形成复杂的空间网状结构将生物活性物质或菌体封装在其内部。目前采用海藻酸盐和壳聚糖复合凝聚形成的电解质膜，可以改善微球的结构提高其对活性物质的释控作用。金言以壳聚糖和海藻酸钠为壁材通过复凝聚法对丁香酚进行微囊化，在一定条件下制备的凝聚产率高达97.3%[18]。

2.2 生物微胶囊材料

天然和合成的一些聚合物都被用于包埋根围菌，如海藻酸钠、明胶、淀粉和粘土类等都认为是自然的、聚合和交联的良好包埋材料。国内外许多研究都在利用海藻酸钠包埋微生物来提高其存活率。

2.2.1 壳聚糖

壳聚糖(chitosan)又称脱乙酰甲壳素，是一种弱的聚碱。由于其无毒、无害，具有良好的保湿性、润湿性，因此可以作为微生物生长的营养物质，可以被用来作为壁材包埋一些菌。

2.2.2 海藻酸钠

海藻酸钠(NaAlg)已被广泛用于细菌的微胶囊化是由于其无毒性，易于处理和凝胶特性。此外海藻酸钠是海藻细胞壁和细胞间质的主要成分，具有良好的相容性和生物降解性。国内外许多研究都在利用海藻酸钠包埋微生物来提高其存活率。有关学者发现，包埋后的菌株接种到土壤里，一星期后可以在小麦根的周围拥有极大生存可能性。同样，Bashan发现，在较长时间的存储之后，根围菌并没有失去他们刺激小麦生长的特性。Schoebitz等研究发现，含巴西固氮螺菌干胶囊在储存一年后展现出76%活菌率。

2.2.3 淀粉

淀粉由于其具有来源广、廉价可再生和可完全降解的特性常作为胶囊化的材料。一些人通过研究淀粉与海藻酸钠聚合开发可生物降解的微生物控释肥，使其具有形状规则，生物降解性，降低生物成本和满足各种农业需求。

许多微生物已经用淀粉和藻酸盐包封，但是仅使用复合壁材料研究单一的存活率或释放性质。一些作者显示，通过向聚己内酯中加入淀粉可以增加胶囊的生物降解性。通过内部凝胶化技术使用藻酸盐和淀粉可以是保护益生菌菌株的合适方法，并且可以比单独使用海藻酸盐更有效。同时，Roy发现随着NaAlg，淀粉的重量百分数从20增加到57.3%，生物聚合物微球的溶胀率增加。因此，必须了解Rs-2微胶囊的特征以及微胶囊性质与藻酸盐和淀粉量的相互作用，以获得所需的潜在应用性能。

3 研究展望

针对西北地区土壤盐渍化日益加重的问题，严重影响作物产量，肥料的使用也是超量低效，严重影响了当地的土壤环境。目前一些研究表明，一些根围菌可以促进作物生长，但是游离菌容易受到环境胁迫影响而导致存活率不高，现在迫切需要一种可以提高菌株存活量的技术手段。

目前研究的有关微生物菌剂主要是接种剂或菌肥，有关提高作为抗逆性，尤其是针对盐胁迫和病原菌大发生的条件下，微生物缓解胁迫促进植物生长的研究已有大量报道。针对目前土壤盐渍化现象日益严重的问题，开发同时具备解盐防病促生的多功能防菌剂显得尤为必要。