根际微生物在控制面源污染中的积极作用

靳皓琛，崔宁博，曹 阳，刘 宏

(1. 四川省生态环境监测总站，成都 610031； 2. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室水利水电学院，成都 610065)

引 言

目前，全国生态环境的形势还非常严峻，所以2015年2月，中央政治局常务委员会会议审议通过关于水资源保护的重磅条例《水污染防治行动计划》；2016年5月，《土壤污染防治行动计划》由国务院印发。环境保护事关每一个人的切身利益，也事关中华民族伟大复兴，事关全面建成小康社会。近年来，越来越多人认识到，面源污染，尤其是农业面源污染，是中国水质污染的一个重要来源。据估计，面源污染对中国水污染的总量贡献，氮总量高达81%，磷含量高达93%[1]。

据报告，2010年～2011年全球氮磷钾肥料的消耗量分别约为10.4千万t、4.1千万t、2.8千万t，而到了2016～2017年这些肥料的消耗量将为11.5千万t、4.6千万t、3.7千万t。更重要的是，这些从外部供给的养分实际上只有很少一部分被植物吸收了，大约40%～70%的的氮，约80%～90%的磷和约50%～70%的钾，被直接或间接的释放到了环境当中[2]。如此巨大的农肥损失水平不仅导致减产和宝贵资源的损失，而且严重污染了生态环境。因此，必须提高肥料的利用率，以实现最佳的作物产量和更高的营养利用率(NUE，每单位养分投入的作物产量)。

在土壤-植物的生态系统下，许多土壤和环境因素都可以提高植物的养分利用率和作物的生产力。而其中最具影响力的可能是构成根际土壤微生物群落的生物[3～6]。根际微生物种类繁多，本文讨论的根际微生物特指对植物生长有益的微生物。

德国微生物学家Lorenz Hiltner在1904年提出了根际的概念，即根系范围内受根系生长影响的土壤及其周围的土壤即为根际[7]。根际微生物是能够在植物根际定居，并通过多种有效机制影响植物的生长发育，以及营养成分的利用的微生物。它们的功能包括有机物矿化、对土壤传播的病原体进行生物控制、氮固定、钾、磷和锌的增溶以及促进根生长等[8]。

1 根际微生物组成和功能

根际是一个狭窄的土壤区域，也是无数的微生物和无脊椎动物的家。根部区域被认为是地球上最局动态的界面之一。根际的微观世界被数量巨大的微生物所占据，其中包括真菌，细菌，放线菌，藻类和线虫，其种类优势受植物根系的影响。由于“根际效应”，土壤微生物的种群和功能动力学在根际区域和非根际区域均有所不同[9-10]。这是由于界面处微生物的营养供应增加所致，因为根部通过自光合作用和其他植物过程释放出许多类型的有机化合物(例如分泌液和黏液)[11-12]。根际微生物区系中的生物会对农业生态系统中植物的生长，营养和健康产生深远的影响[13～15]。根际微生物群也可以直接或间接的影响自然生态系统中植物群落的组成和生物量[16-17]。许多微生物促成了这些过程，导致地下、地上的植物，拮抗剂和共生体之间发生无数相互作用[18～20]。改变植物根部附近生化活性的三个最重要因素是植物根部细胞分泌或渗出的可溶性有机物质，根冠细胞产生的碎片，垂死的根毛和皮层细胞以及植物裂解的根细胞。植物根部释放的有机化合物包括氨基酸、脂肪酸、核苷酸、有机酸、酚类、植物生长调节剂、腐质、固醇、糖和维生素。有机物供应增加了根际中的碳，为微生物的繁殖提供了非常有利的生活环境[21]。而这些微生物群落通过改变根际的各种化学和生物学特性而带来了进一步的变化。因此，根际是具有高微生物活性，多样性和串扰的环境。这些多样性，活动和串扰的重要结果是造成了强烈的微生物紊乱，总体上对根部发育和植物生长具有反馈作用[22～24]。

Hiltner(1904)将根际描述为植物根部周围的区域，该区域由独特的微生物种群居住，他还推测微生物会受到植物根部释放的化学物质的影响。在此后的几年中，根际定义已重新定义为三个区域，这三个区域是根据它们与根的相对距离并因此受到根的影响而定义的。根际内层，包括皮质和内胚层的一部分，微生物和阳离子可以在其中占据细胞之间的“自由空间”(质外生空间)。根际平面，是与根直接相邻的内侧区域，包括根表皮和粘液[25-26]。最外层的区域是根际层，从根际平面延伸到整个土壤。由于植物根系固有的复杂性和多样性，可以预见根际不是一个确定大小或形状的区域，而是由沿着根的化学、生物和物理性质变化的梯度范围组成，该梯度在径向和纵向上均会发生变化。

根际土壤中的植物-微生物相互作用是影响植物生长，发育和养分迁移等各种过程的原因。与植物根部相关的多种根际微生物，即根瘤菌，真菌和放线菌，都具有通过多种机制，促进自然农业生态系统下宿主植物生长的能力[27]。诸如磷[26,28-29]，钾[30～33]和锌的溶解[25,34]，植物生长调节剂的生产[10,35～37]。此外，根际中的植物相关微生物通过释放螯合剂，酸化和氧化还原变化来增强植物营养素的移动性和可用性[35,38-39]。另一方面，植物通过向根际释放次级代谢产物(例如吡喃酮，倍半萜)来刺激或抑制特定的根际微生物的生长[40-41]。这些微生物还可以利用包含不同化合物(例如有机酸、糖、维生素和氨基酸)的植物衍生物质(例如根系分泌物)作为其生长和发育的主要营养素[32,42]。

2 根际微生物在养分利用及污染因子控制中的作用

目前国内的面源污染主要因子为氮、磷，主要来源是农田中未被吸收肥料通过地表径流或地底渗透进入水体。根际微生物是土壤-植物-微生物系统中土壤养分循环的关键组成部分[12,43]。这些微生物在养分的增溶、转移、矿化、溶解和吸收养分中起重要作用[29,32,44]。它们可以通过各种活动促进植物生长并抑制疾病。营养物增溶(磷、钾、锌和硫)，促进植物生长(PGP，Plant growth promoting)，铁载体生成，生物固氮(BNF，biological nitrogen fixation)，反硝化，免疫调节，信号转导和病原体控制是公认的根际微生物群落介导的过程，可促进植物生长并保护植物免受虫害[45～47]。

2.1 氮的利用与控制

水质的富营养化会导致藻类或其他水生生物过度繁殖，从而导致水质恶化，水的溶解氧降低，加速水体老化，进而破坏水体生态系统。而氮、磷作为外界输入的营养源，是导致该现象的重要条件。在针对玉米的研究中，使用15N作为示踪剂进行测算，得到的结果是植物氮素的损失大约占未测算氮素的52%至73%[48]，大致介于21%[49]和41%[50]之间。Stutte等人也证明了气态植物氮的损失超过45 kg N ha-1yr-1[51]。据报道，由于施用的肥料脱氮而导致的气态氮损失在冬小麦和低地水稻中约为10%[12,52-53]。在零耕地的表面上并入秸秆会使反硝化损失增加一倍[54]。地表径流中肥料氮的损失介于施用的总氮的1%[55]到13%[56-57]之间，当尿素肥料不掺入地表时，由于NH3造成的肥料氮损失超过40%[12,58]，并且通常随着温度，土壤pH值和表面残留物的增加而增加。

豆科植物独有的根瘤菌共生是由土壤重氮营养细菌引起的，该细菌可诱导宿主植物根部形成根瘤。根瘤菌固定大气中的氮气(N2)并以铵态形式提供给植物，这种形态的氮很容易被植物吸收。因此，生物固氮极大地促进了豆类的氮收支。例如与植物根际相关的固氮菌，产碱菌，节杆菌，不动杆菌，芽孢杆菌，伯克霍尔德菌，肠杆菌，欧文氏菌，黄杆菌，假单胞菌，根瘤菌和沙雷氏菌均具有进行生物固氮的能力。据估计，其在植物总氮吸收中的比例高达65%-95%[12,57]。新技术已经确定了各种各样的根际微生物，例如与植物根际相关的固氮菌，产碱菌，节杆菌等多种菌类均具有进行生物固氮的能力。相对于在温带地区的单种人工林中生长的树木，豆科植物的树木使树木的生长量增加了约28%，这归因于生物固氮作用释放的氮的有效性增加[25]。因此，豆科植物作为农作物间作系统中氮素的供应者和土壤有机质的构建者，在未来可能会变得越来越重要[59-60]。生物固氮极大地扩展了我们对固氮剂多样性和普遍性的认识，但是我们对生物固氮在生态系统和全球范围内的速率和控制的理解并未以相同的速度发展。然而，确定生物固氮的发生率和控制对于将人为的变化置于氮循环的背景下，以及对理解，预测和管理全球环境变化的许多方面至关重要。与最近的计算相比，这种方法得出的估计值要低得多；这表明人为交替的氮循环的幅度比设想的要大得多。

2.2 磷的利用与控制

同样的，磷作为生物的主要营养元素之一，在水体富营养化中也具有巨大的贡献。在营养利用中，磷的动员和增溶剂作为土壤-植物系统的作用更为重要，因为只有约15%的磷施肥直接可用于植物的生长发育，其余的约85%则通过径流，不利的土壤条件下的磷固定等不同过程而损失。然而，杰出的土壤肥力科学家认识到，短期内施用磷肥的土壤反应会限制植物直接吸收磷肥；由于磷以低效的形式保留在土壤中，因此长期恢复率可达到约90%[26,51,61-62]。

除了植物营养对磷的基本需求外，磷肥是当前农业研究的主要方向，原因包括：肥料价格飞涨，用于其他行业中提供更昂贵产品的高质量磷酸盐岩，例如食品防腐剂，防腐剂，化妆品等，并且高质量磷酸盐的来源正在迅速减少，并且有望在约100年内耗尽。因此，农业研究的重点是：由于全球范围内都可大量购买低品位矿石，因此未来将低品位磷酸盐岩(P2O5含量在9%～11%或以下)作为磷肥，以及其他磷酸盐来源(如或从处理废水中获取鸟粪石衍生品)。磷增溶微生物是农业生态系统的重要组成部分，通过其有益或有害的活动直接或间接影响土壤的物理，化学和生物学特性。根际微生物介导土壤过程，例如分解，养分动员和矿化，养分的储存释放。磷增溶能力还可以将不溶性磷酸化合物转化为土壤中的可溶形式[43,63-64]，并使其可用于农作物。

根际微生物在矿物磷增溶中对磷的增溶作用早在1903年就已为人所知。此后，人们对利用自然丰富的根际微生物对矿物磷增溶作用进行了广泛的研究。来自细菌假单胞菌属，芽孢杆菌属，根瘤菌属和肠杆菌属的菌株以及青霉菌和曲霉属真菌是最有效的磷增溶剂[28-29]。巨大芽孢杆菌，圆形芽孢杆菌，枯草芽孢杆菌，多粘芽孢杆菌，粘液芽孢杆菌，纹状假单胞菌和肠杆菌可能是最重要的菌株。磷增溶微生物包括不同种类的微生物，它们不仅使磷可以被从不溶形式的磷酸盐中吸收，而且还导致大量可溶性磷酸盐的释放量超过其要求。曲霉属和青霉属的物种是被鉴定为具有磷增溶能力的真菌分离株。具有这种能力的细菌属包括假单胞菌，假单胞菌等[8,12,28-29]。通过人为增加磷增溶微生物的作用能力，可以大大降低磷肥的施用量，从而减少磷对环境造成的压力。

2.3 钾的利用与控制

虽然我国钾资源相对匮乏，但有研究表明农田土壤钾素亏损量仍然十分巨大。近几十年来，土壤-植物-微生物之间的相互作用变得非常重要[12]。已知许多类型的微生物可以栖息在土壤中，尤其是根际，并且在植物的生长和发育中起着重要的作用[28-29,33,41]，这里有大量的微生物在繁衍。众所周知，相当多的微生物(细菌和真菌)具有功能关系，并与植物组成了一个整体系统[65-66]。它们能够在根际轻松繁殖，以促进植物生长和出产量[8,10,25]。很多农民在耕作过程中没有进行化肥管理或以平衡方式施用化肥，因为他们不知道植物需要多少肥料，而且肥料又因作物而异。研究人员对于耕作的理解和农民之间的差距非常大[31]。大多数农民仅将尿素用作氮源，磷酸二铵用作磷源，只有极少数的人使用钾肥用于作物生产[67]。因此，土壤中可用形态的钾由于被农作物大量吸收而减少。但是，农作物残留物中的钾含量高于其他元素。如今，农民没有在土壤中添加农作物残留物，这是土壤系统中钾耗竭的重要原因之一，这最终表现为农作物表现不佳[32,68]。为了缓解这种情况并保持土壤的肥力状态，尽管发现化肥成本昂贵且对环境不利，但仍需平衡使用化肥[26,69]。钾增溶细菌(KSB)能够从不溶性矿物中释放钾[15,30,32,70]。此外，研究人员发现，钾增溶细菌可以通过抑制病原体和改善土壤养分和结构来对植物生长产生有益的影响[68]。例如，某些细菌可以风化硅酸盐矿物释放钾、硅和铝，并分泌生物活性物质以促进植物生长。这些细菌被广泛用于生物钾肥和生物浸提中[32,71]。

根际土壤中存在大量的钾增溶微生物，它们促进了植物的生长[72-73]。人们普遍认为，矿物钾溶解的主要机理是有机酸的作用。由根际微生物合成，有机酸的产生导致微生物细胞及其周围环境的酸化，从而促进矿物质钾的增溶[33,72]。研究还发现硅酸盐细菌可从不溶性矿物中分解出钾，硅和铝[74]。硅酸盐细菌对植物的生长和产量会产生有益的影响。钾增溶微生物可以促进硅酸盐矿物中钾的增溶作用，对于提高土壤的肥力状况非常重要[75～77]。根际微生物通过其有益或有害的活动直接或间接地影响土壤的物理，化学和生物学参数。

根际微生物有助于可溶性化合物的渗出，养分的储存和释放，养分的移动和矿化，土壤有机质的分解和钾的增溶等土壤中的过程[78-79]，以及磷增溶，氮固定，硝化，反硝化和硫的氧化还原等过程[80,81]。这些具有增钾能力的细菌可以将不溶或矿物结构的钾化合物以土壤溶液的形式转化为土壤中的可溶形式，并提供给植物[32,78]。因此，增加钾增溶微生物的数量和利用率被认为是提高农业土地生产力的合理策略。这项新技术还被证明具有恢复退化，边际生产力和非生产力农业土壤生产力的能力[77,82]。但是由于农民和从业人员缺乏知识，我们也发现钾增溶微生物的利用受到了限制[83]。

2.4 根际微生物在其他营养及环境因子控制中的作用

铁对于植物的生长和发育必不可少，并且是与许多重要的代谢过程(包括光合作用和呼吸作用)有关的蛋白质的辅助因子。在铁限制条件下，根际微生物产生称为铁载体的低分子量化合物，从而竞争性地获得铁离子[10,84]。

提高粮食作物植物中锌和铁的浓度，从而提高作物产量并改善人类健康是一项重要的全球挑战。在微量营养素中，作物和人类均存在锌缺乏症[38,85]。通过在田间施用锌肥可以克服锌缺乏的问题，但是大多数化肥价格昂贵，对环境有不利影响。因此，为克服这种情况，需要一种生态友好且具有成本效益的方法[12,86]。与化学肥料相比，根际微生物增溶锌具有更好的前景[87-88]。根际微生物在植物生长和农业面源污染控制中的作用还包括铁载体生产[28-89]、植物激素的生产[8,25,33]和抗生素生产[12,15]。

3 小结与展望

在综合营养管理(INM)系统中，应在多种情况下考虑将微生物接种剂与化肥含量降低相结合，因为它保证了高产量和农业可持续性。有益的根际微生物的商业用途还必须等待涂层技术的发展，以改善在不丧失活性的情况下存储和施用细菌的方法。研究者还必须开发转基因的土壤和区域特定的新型微生物干预技术以及最终将其转移到田间的技术，并在较短的时间内进行试验并转教给农民。寻找新的生物肥料、有益微生物菌株以及在多种区域开发微生物多样性图谱，也可能会有所帮助。我们还可以通过适当的技术校准和测试，开发与微生物性质及其在改变的深水气候条件下的行为模式有关的高级仿真模型，以期在不久的将来更好地开发和维持良好的生态环境、农业可持续性以及微生物多样性。

有益根际微生物是实现可持续农业、可持续生态发展和环境保护的潜在工具。为此，迫切需要进行研究以明确定义哪些细菌性状对于不同的环境条件和植物是有用的和必需的，以便可以选择和改善最佳的微生物菌株。目前已经有研究人员正在设计协同相互作用的根际微生物菌株的组合，并且许多最新研究显示了接种技术领域中的一些新的希望的趋势。开发适合的替代制剂，即液体接种剂，以方便选择用于生物测定中针对多种植物病原体的生物防治，是农业发展的先决条件，更是环境保护的决定条件。