解鉀微生物研究現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和展望

林英 司春燦 章慧璇

摘要：鉀元素是植物生長所需三大營養(yǎng)元素之一，土壤是鉀元素的重要來源，而其中無效鉀的含量卻占土壤全鉀含量的90%～98%，這造成了土壤看似富含鉀卻又缺鉀的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，土壤中存在解鉀菌，可將不溶性鉀轉(zhuǎn)化為可溶性鉀，增加土壤中速效鉀含量。本文綜述了解鉀微生物的種類和生態(tài)分布、解鉀機(jī)制及在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用，指出要將解鉀微生物更好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未來要做的核心工作仍然是確保菌株的高效性、穩(wěn)定性、有效性。建議通過構(gòu)建基因工程菌株，開發(fā)出合適的載體，采用包埋固定化技術(shù)加強(qiáng)對(duì)菌株的保護(hù)，并根據(jù)土壤類型、作物品種、氣候條件等，有針對(duì)性地選用合適的菌株，加大和推廣解鉀微生物肥料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：解鉀微生物;解鉀機(jī)制;鉀元素;農(nóng)業(yè);研究現(xiàn)狀;展望

鉀元素是植物生長所需三大營養(yǎng)元素之一，它在促進(jìn)植物光合作用、保障植物正常呼吸、促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成、提高植物品質(zhì)、增強(qiáng)植物抗逆性等方面起到了重要作用。作為一種重要的輔助因子，植物體內(nèi)約有60多種酶必須依賴K+才能被激活[1]。因此，鉀元素的缺乏將導(dǎo)致植株生長異常，如植株矮小、根系發(fā)育不良、產(chǎn)量減少等。土壤是植物鉀元素的重要來源，地殼中鉀元素含量排名第7，約為2.5%左右[2]。根據(jù)鉀元素對(duì)作物的有效性差異，土壤中的鉀可分為無效鉀、緩效鉀和速效鉀3種類型。其中無效鉀含量占到了土壤全鉀含量的90%～98%，這部分鉀主要存在于長石、云母等硅酸鹽礦物質(zhì)中，只有經(jīng)過漫長的分化過程，這些無效鉀才能轉(zhuǎn)化為速效鉀。而作為速效鉀貯備庫的緩效鉀和可以被植物直接吸收利用的速效鉀，它們的含量分別僅占土壤全鉀含量的 1%～10%和1%～2%[3]，這就造成了土壤看似富含鉀卻又缺鉀的現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn)，土壤中存在某些解鉀菌能將土壤中不溶性鉀轉(zhuǎn)化為可溶性鉀，增加土壤中速效鉀含量[1]。本文就解鉀微生物的種類和生態(tài)分布、解鉀微生物的解鉀機(jī)制、解鉀微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用及存在問題和解決途徑等方面進(jìn)行綜述，以期為解鉀菌的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。

1 解鉀微生物的種類和生態(tài)分布

1890年研究者第1次發(fā)現(xiàn)微生物能分解鉀礦物，1951年發(fā)現(xiàn)多種微生物如黑曲霉、芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌均能于體外條件下在各種云母和鉀長石上生長[3-4]，而后越來越多的微生物被發(fā)現(xiàn)具有解鉀能力，包括各種細(xì)菌、真菌、放線菌。其中，解鉀細(xì)菌的種類和數(shù)量最多，而在細(xì)菌中隸屬于厚壁菌門的芽孢桿菌或類芽孢桿菌的革蘭氏陽性細(xì)菌居多，革蘭氏陰性細(xì)菌中隸屬于變形菌門的腸桿菌居多，革蘭氏陰性細(xì)菌中隸屬于擬桿菌門噬纖維菌科的彎曲桿菌屬和黃桿菌科的類香菌屬也被發(fā)現(xiàn)具有解鉀能力[5]。真菌解鉀能力的相關(guān)研究雖然不如細(xì)菌多，但近幾年也有研究發(fā)現(xiàn)，嗜松青霉、黑曲霉、土曲霉等具有解鉀能力[6]。某些酵母菌如異常畢赤酵母、黏紅酵母[7]以及孢圓酵母也被發(fā)現(xiàn)具有解鉀能力[8]。關(guān)于放線菌解鉀能力的研究相對(duì)來說就更少了，Liu等發(fā)現(xiàn)，放線菌中的鏈霉菌具有解鉀能力[9-10];Keshavarz等發(fā)現(xiàn)，放線菌中的節(jié)桿菌具有解鉀能力[11]。

解鉀微生物在土壤中廣泛分布，從已有的文獻(xiàn)來看，分離的解鉀菌有的來自陶瓷工業(yè)區(qū)的土壤[12-14]，有的來自高山土壤[15]，有的來自甘蔗、玉米、小麥、香蕉等作物的根際土壤或非根際土壤[7，16-17]，有的來自礦區(qū)土壤[18-19]，有的來自喀斯特地貌土壤[20]，有的來自茶園土壤[21]，有的來自堆肥[22]。不同的土壤類型，解鉀菌的種類和數(shù)量不同?？偟膩碚f，根際土壤中解鉀微生物的數(shù)量比非根際土壤多，并且來自根際土壤中的解鉀菌對(duì)鹽分、溫度、pH值有更強(qiáng)的耐受性[23]。除土壤外，各種含鉀的礦石也是解鉀菌的重要來源[6，8]，Liu等從蚯蚓腸道中分離到1株高效的解鉀菌[9]。近幾年相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的分離的解鉀菌的菌株分類地位及分離地如表1所示。

2 解鉀菌解鉀機(jī)制

2.1 產(chǎn)生有機(jī)酸

對(duì)于解鉀菌解鉀的機(jī)制，有研究提出了有機(jī)酸理論：解鉀微生物在新陳代謝代過程中通常會(huì)以初級(jí)產(chǎn)物或副產(chǎn)物的形式產(chǎn)生有機(jī)酸，這些有機(jī)酸可以通過降低土壤pH值或者酸解作用，促進(jìn)鉀的釋放，即通過質(zhì)子與含鉀的礦物發(fā)生水解作用，釋放出鉀;也可以通過絡(luò)合溶解作用（含有羥基或羧基的有機(jī)酸容易與礦物表面的金屬原子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)）形成可溶性的絡(luò)合物，破壞礦物原來的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)鉀的釋放[3]。一般認(rèn)為，有機(jī)酸分子通過3個(gè)相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的步驟影響礦物分化。第1步：酸黏附在礦物表面，通過電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，微生物從礦物顆粒中提取營養(yǎng)物質(zhì);第2步：破壞礦物分子與氧之間形成的氧化鍵;第3步：通過羧基和羥基螯合溶解出礦物離子[24]。

有機(jī)酸主要通過微生物的糖酵解途徑和2-酮-3-脫氧-6-磷酸葡萄糖酸途徑產(chǎn)生。因此，解鉀微生物產(chǎn)有機(jī)酸的種類和數(shù)量除了與菌株本身有關(guān)外，還與周圍的環(huán)境有關(guān)，如根際解鉀微生物產(chǎn)有機(jī)酸的種類與植物的根系分泌物有關(guān)，因?yàn)橹参锏母捣置谖锸歉H細(xì)菌碳源的重要來源[25]。所以不同的解鉀微生物產(chǎn)生的有機(jī)酸不同，同一解鉀微生物在不同的解鉀條件下產(chǎn)生的有機(jī)酸種類也不一樣?？偟膩砜?，解鉀菌產(chǎn)生的有機(jī)酸常見的有酒石酸、草酸、葡萄糖酸、2-酮基葡萄糖酸、檸檬酸、蘋果酸、琥珀酸等。其中酒石酸被認(rèn)為是解鉀菌在解鉀過程中產(chǎn)量最多的一種酸。乳酸、丙酸、甘醇酸等也被認(rèn)為在菌株解鉀過程中發(fā)揮了重要作用[26]。

2.2 產(chǎn)胞外多糖

產(chǎn)胞外多糖是細(xì)菌非常普遍的一個(gè)特征，也被認(rèn)為是細(xì)菌能在礦物質(zhì)表面成功定殖的一個(gè)關(guān)鍵因素[27]。解鉀菌在與礦物質(zhì)接觸的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的胞外多糖，這些胞外多糖對(duì)有機(jī)酸具有很強(qiáng)的吸附能力，使被吸附的有機(jī)酸能很好地黏結(jié)在礦物表面。含有機(jī)酸的胞外多糖與礦物質(zhì)能形成細(xì)菌-礦物復(fù)合體，對(duì)礦物質(zhì)表面顆粒產(chǎn)生溶蝕作用，從而促進(jìn)礦物質(zhì)的分化和鉀離子的釋放。越來越多的研究表明，胞外多糖在微生物解鉀過程中也發(fā)揮了重要的作用，如Anjanadevi等分離出了具有最強(qiáng)分解鉀長石能力的細(xì)菌，且培養(yǎng)液中的黏度越高，產(chǎn)生的胞外多糖越多[28];Prajapati等發(fā)現(xiàn)，在分離的5株具有解鉀能力的細(xì)菌中，有4株能產(chǎn)生胞外多糖[12]。除了細(xì)菌能產(chǎn)生胞外多糖外，很多絲狀真菌和子囊菌、擔(dān)子菌等也能產(chǎn)生胞外多糖，這些真菌產(chǎn)生的胞外多糖同樣可以采用類似的機(jī)制，協(xié)同有機(jī)酸促進(jìn)礦物質(zhì)的分解[29]。

2.3 生物膜的形成

生物膜的形成被認(rèn)為是解鉀菌解鉀的另外一種潛在機(jī)制。解鉀菌在與含鉀礦物接觸的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的胞外聚合物，這些胞外聚合物的主要成分為蛋白質(zhì)、多糖、DNA等，它們相互堆積形成厚凝膠層，將菌體群落包裹其中，形成細(xì)菌聚集體膜狀物，也就是所謂的生物膜。生物膜中含有豐富的微生物群落，能產(chǎn)生大量的包括有機(jī)酸在內(nèi)的各種代謝產(chǎn)物，它們黏附在礦物體顆粒表面，形成細(xì)菌—礦物復(fù)合體，加強(qiáng)礦物質(zhì)表面的鈍化、機(jī)械破壞和化學(xué)風(fēng)化作用，使得鉀礦石中的鉀溶解并釋放[30]。生物膜的形成為菌體的生長提供了保護(hù)，使得細(xì)菌可以抵抗重金屬、抗生素、毒素、病原菌等的進(jìn)入，有利于它們?cè)跇O端環(huán)境中定殖，幫助礦物分化[24，31]。隨著對(duì)解鉀菌解鉀作用機(jī)制的深入研究，很多學(xué)者認(rèn)為，解鉀微生物溶解鉀的機(jī)制并非是單因素作用的結(jié)果，而可能是多種因素共同作用的結(jié)果。

3 解鉀微生物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

目前解鉀微生物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要集中在將其開發(fā)成微生物菌肥，用于改善土壤肥力、提高土壤速效鉀的含量、促進(jìn)作物生長、提高作物品質(zhì)、增加作物產(chǎn)量等方面。從已有的研究來看，接種解鉀菌對(duì)辣椒、水稻、小白菜、番茄等作物都具有很好的促生效果。如楊冬艷等采用田間根際追施的方法發(fā)現(xiàn)，單施解鉀菌能顯著降低拱棚連作土壤的鹽分含量，增加土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)辣椒生長和增產(chǎn)[32]。陳易等采用灌根接種的方法發(fā)現(xiàn)，分離的具有解鉀能力的環(huán)狀芽孢桿菌對(duì)小白菜株高、總根長、植物營養(yǎng)等指標(biāo)的影響都達(dá)到了施用鉀肥的效果[33]。Bakhshandeh等在盆栽和大田試驗(yàn)條件下，將3株解鉀菌分別接種于水稻根際后發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，處理組水稻的株高、莖粗、根長、葉面積和干質(zhì)量都有不同程度的提高[34]。Zhang等在盆栽試驗(yàn)條件下，將4株解鉀菌分別接種于番茄根際后發(fā)現(xiàn)，處理組番茄對(duì)氮和鉀的吸收能力明顯高于對(duì)照組，并且將解鉀菌和鉀長石粉一起接種的處理組番茄干質(zhì)量以及番茄對(duì)氮和鉀的吸收能力均高于單獨(dú)接種解鉀菌的處理組[35]。

除了能促進(jìn)作物生長、提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量外，解鉀微生物還能提高作物對(duì)病害、蟲害、干旱、寒冷、鹽分等的抵抗力[24]。Jha等認(rèn)為，解鉀微生物能通過調(diào)節(jié)植物的生理狀態(tài)，如通過增加植物的光合速率以及植物滲透調(diào)節(jié)蛋白脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖的含量、降低植物體內(nèi)脂質(zhì)過氧化水平等途徑，使植物緩解鹽分脅迫[36]。解鉀微生物能提高植物抗逆境的能力，主要原因有2個(gè)，一方面是由于解鉀微生物提高了土壤中有效鉀的含量，鉀營養(yǎng)元素供應(yīng)充足，使得植物在脅迫條件下具有較強(qiáng)的抵抗力;另一方面是由于有的解鉀微生物除了能解鉀外還具有一些其他的特性，如能產(chǎn)鐵載體、產(chǎn)吲哚乙酸（IAA）、解磷、抑制病原微生物等，這也提高了作物抵抗外界不利因素的能力[18，37]。另外，解鉀菌在土壤鉀素遷移過程具有積極影響，如尚海麗等發(fā)現(xiàn)，解鉀細(xì)菌C6X和玉米生長協(xié)同促進(jìn)土壤鉀素的釋放和固定，促進(jìn)土壤鉀素上移[38]。

4 存在問題及展望

盡管解鉀微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用歷史悠久，但在實(shí)踐應(yīng)用中也存在很多尚未解決的問題。很多微生物鉀肥在研發(fā)初期雖然呈現(xiàn)出較好的效果，但在大田大規(guī)模使用時(shí)，往往存在效果不穩(wěn)定或者效能消失的現(xiàn)象。其主要原因如下：（1）菌株在繁殖傳代過程中，解鉀特性減弱甚至消失。（2）面對(duì)復(fù)雜的土壤環(huán)境和氣候環(huán)境，解鉀微生物應(yīng)對(duì)能力不強(qiáng)，不能很好地在作物根部進(jìn)行定殖和擴(kuò)繁。（3）活菌有效期短，隨著存貯時(shí)間延長，有效菌的數(shù)量逐步減少。因此，要將解鉀微生物更好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未來要做的核心工作仍然是確保制品中有效活微生物的高效性、穩(wěn)定性、有效性。具體措施可以從以下幾個(gè)方面入手：（1）利用基因工程技術(shù)，構(gòu)建高效、穩(wěn)定、適應(yīng)能力強(qiáng)的工程菌株。（2）開發(fā)出合適的載體，采用包埋固定化技術(shù)，延長活菌的有效期。（3）根據(jù)土壤類型、作物品種、氣候條件，有針對(duì)性地選用合適的菌株。解鉀微生物能改善土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，提高作物抗病蟲害、耐鹽堿等能力，這對(duì)于鉀元素缺乏土壤和鹽漬土壤作物具有重大意義。微生物鉀肥和其他微生物肥料一樣均符合綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，推廣微生物肥料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用是大勢所趨，將解鉀菌和固氮菌、解磷菌、菌根真菌等組合成復(fù)合微生物肥料是未來微生物肥料的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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