土壤溶磷微生物的研究进展及应用

Research Progress and Application of Phosphate-Solubilizing Microorganisms in Soils

摘要: 溶磷微生物是一种能将植物难以利用的磷转换为可吸收状态的微生物，能够通过分泌有机酸、氢离子等降低PH的方式以及酶解作用为植物提供磷元素，可以有效提高土壤中磷的利用率，减少环境污染，对农业可持续发展具有重要意义。本文对溶磷微生物的种类、溶磷机制研究以及溶磷微生物肥料的应用等方面进行了综述，并对溶磷微生物肥料在生产应用中的问题和今后研究的方向进行了阐述。

Abstract: Phosphate-solubilizing microorganisms are a kind of microorganism that can transform the phosphorus which is difficult to be used by plants into an absorbable state, and can provide phosphorus for plants by reducing PH, including secret organic acids, hydrogen ions and other ways, as well as enzymatic hydrolysis. It can effectively improve the utilization rate of phosphorus in soil and reduce environmental pollution; on the other hand, it is greatly significant to the sustainable development of agriculture. In this paper, the types of phosphate-solubilizing microorganisms, the mechanism of phosphate-solubilizing microorganisms and the application of phosphate-solubilizing microbial fertilizers were reviewed, and the problems in the production and application of phosphate-solubilizing microbial fertilizers and the direction of future research were described.

1. 引言

磷是植物生长必不可少的营养元素之一，是仅次于氮的第二大限制植物生长的营养要素，参与到植物体内多个生物学过程 [1]。据报道，全国有74%的土壤缺少磷元素 [2]，为满足植物对磷的需求，耕种过程中一般通过施加磷肥来促进农作物的生长，然而，磷肥施加到土壤中通常很快与Al，Fe，Ca或Mg等离子形成不溶性复合物，造成磷肥当季利用率仅有5%~25% [3]，长此以往下去，再加上磷肥的不合理使用，不仅造成不必要的资源浪费外，还会引起土壤结构恶化和水体富营养化 [4]。

虽然我国矿产资源比较丰富，但是相对其他国家而言，我国高品位磷矿资源储量较小，中低品位矿产储量占比达75%左右，随着磷矿资源的大规模开发利用，高品位磷矿储量面临枯竭，只能满足我国未来12年的使用 [5]。所以溶磷微生物的参与势在必行，溶磷微生物能有效溶解土壤难溶磷、减少磷肥固定、增加作物吸磷量，从而提高磷肥利用率和提高作物产量，是目前世界上公认的安全、经济和有效的生物措施 [6] [7]，倍受各国科学家和政府的关注。高效溶磷微生物的研究与开发利用，对于改善土壤环境、节约磷肥使用量、和促进农业可持续发展具有重大意义 [8]。

2. 溶磷微生物的种类

溶磷微生物种类繁多，主要包括细菌、真菌和放线菌，据不完全统计，全球总共筛选得到的溶磷微生物有36个属，包括89个种的微生物，其中细菌58个，真菌27个，放线菌4个 [9]。其中，溶磷细菌的种类和数量最多，研究较多细菌种类包括芽孢杆菌属(Bacillus sp.)、假单胞菌属(Pseudomonas sp.)、欧文氏菌属(Erwinia sp.)、土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)、根瘤菌属(Bradyrhizobium sp.)等 [3]，研究发现溶磷真菌在种类和数量上少于细菌，但真菌溶解磷元素的能力明显高于溶磷细菌，并且许多细菌在传代培养过程中会丧失其溶磷能力，而真菌的溶磷能力则比较稳定 [10]，目前研究较多的溶磷真菌主要为青霉属(Penicillium sp.)、曲霉属(Aspergillus sp.)和AM菌根菌(Arbuscularmy sp.)等 [11] [12]，溶磷放线菌一般都属于链霉菌(Streptomyces sp.) [13]。

另有学者根据溶磷微生物作用底物的不同，将其分为分解无机磷和有机磷的微生物。无机磷微生物主要分解土壤中如磷酸钙、磷灰石等难溶的磷酸盐，包含假单孢菌属(Pseudomonas sp.)、无色杆菌属(Achromobacter sp.)以及黄杆菌属(Flavobaccterium sp.)的一些种，有机磷微生物主要分解土壤中的核酸、磷脂和植素等含磷有机物，包含芽孢杆菌属(Bacillus sp.)、沙雷氏菌属(Serratia sp.)、变形菌属(Proteus sp.)和节杆菌属(Arthrobacter sp.)的一些种 [14]。然而，链霉菌(Streptomyces sp.)的一些种既能分解有机磷，又能分解无机磷，所以这种分类方式并不是十分精确 [15]。

3. 溶磷机制的研究进展

3.1. 无机磷的溶磷机制

土壤中的磷元素大致可以分为无机磷和有机磷两种形态，无机磷是植物所能吸收的磷素的主要来源，占土壤全磷的50%~80% [16]。无机磷通常以磷酸盐的形式存在，大致分为难溶性磷和可溶性磷，难溶性磷主要包括酸性环境中的磷酸铝和磷酸铁、碱性和中性环境中的磷酸镁和磷酸钙及含磷矿物等 [17]，占无机磷的95%以上 [18]；可溶性磷是植物能够直接吸收利用的磷，主要以磷酸氢根和磷酸二氢根离子的形式存在 [19]，只有不到5%的可溶性磷酸盐供植物吸收 [18]。微生物溶解无机磷的机制复杂多样，大量研究表明，微生物溶磷过程中伴随着PH的降低，总结起来微生物溶磷难溶磷原理归咎于产酸机制，溶磷菌所产酸因菌株的不同而有所差异，大致可分为以下几种类型。

3.1.1. 有机酸

目前大部分学者比较认可溶磷微生物的溶磷作用主要归功于有机酸机制，有研究报道超过80%的溶磷微生物均能够分泌有机酸，如苹果酸、柠檬酸、乳酸、丙酸、葡萄糖酸、琥珀酸、草酸、酒石酸等 [20] [21] [22]，这些有机酸不仅可以降低土壤介质的PH值，在酸性环境下溶解难溶性磷酸盐；另一方面，这些有机酸还可以与Al、Fe、Ca、Mg等离子发生螯合作用，促进磷酸根离子的释放。在诸多有机酸中，研究较为深入的有溶磷细菌所分泌的葡萄糖酸，有学者研究表明，微生物在葡萄糖脱氢酶(GDH)和吡咯喹啉奎宁(PQQ)的协同作用下，催化葡萄糖形成葡萄糖酸从而溶解难溶性磷酸盐 [23]。另有学者从Pseudomonas cepacia细菌中克隆出葡萄糖酸溶磷相关基因gabY并将其转录到大肠杆菌中验证其溶磷活性，且该基因与PQQ无同源性 [24]。除葡萄糖酸以外，目前对其他有机酸小分子的合成途径了解较少，对溶磷相关的其他关键基因研究比较少。

3.1.2. 质子交换

涉及到溶磷微生物的另一个重要机制为分泌质子，即氢离子。Asea等发现一些微生物只有在铵根离子存在时才具有溶磷的能力 [25]。另有学者研究发现有些微生物在铵根离子同化过程中，利用ATP转换时产生的能量，通过质子泵释放大量氢离子，造成周围介质中PH值下降，帮助溶解无机磷，然而在此过程中，并没有任何酸性物质释放 [26]。

3.1.3. 无机酸

除有机酸外，一些无机酸，如H₂S、HNO₃、H₂CO₃等的产生也能帮助微生物溶解无机磷。某些微生物通过呼吸作用产生CO₂，形成 ${\text{HCO}}_3^{-}$，降低周围环境中的PH值，帮助磷酸盐溶解 [27]。有研究发现某些溶磷细菌能释放H₂S，与土壤中的磷酸铁发生反应而释放磷酸根离子 [28]。Azam等发现某些溶磷菌能够释放HNO₃、H₂SO₄来帮助溶解磷酸盐 [29]。

3.2. 有机磷的溶磷机制

土壤中有机磷包括核酸、磷脂和植素等含磷有机物，占土壤全磷的20%~50%。目前普遍认为有机磷的溶解机制为酶解作用，当土壤中有效磷含量过低时，溶解有机磷的微生物会通过代谢合成生物酶类，如磷酸酶、核酸酶、植酸酶及C-P裂解酶等 [30] [31] 将难溶性的有机磷转化植物可以吸收利用的有效磷 [32]。上述酶中，磷酸酶与植酸酶研究较多，其中磷酸酶可以通过水解磷酸酯键来释放无机磷，主要分为酸性磷酸酶和碱性磷酸酶。谢安强 [33] 等发现青霉属的内生真菌在不同低磷环境胁迫下使得土壤中酸性磷酸酶的含量随着磷胁迫程度的加重而逐渐增加，从而在磷酸酶的作用下提高植物对磷的利用率。在长期肥料定位实验中发现，土壤有效磷与碱性磷酸酶、微生物量磷存在显著的正相关关系 [34]。植酸酶(肌醇六磷酸酶)作为一种胞外酶，可以通过催化肌醇六磷酸中磷酸单酯键的水解，释放出无机磷酸酯，为植物提供磷源。Richardson等研究表明，无菌条件下，当向拟南芥中植入植酸酶基因phyA时，显著促进了转基因植物的生长和磷素的吸收，植物根系植酸酶活性较空白组提高了10倍 [35]。

4. 溶磷微生物肥料的应用

针对溶磷微生物的研究比较早，也获得了具有溶磷能力的许多菌株，然而由于微生物本身的退化、在植物根际的定殖能力以及与其他微生物的竞争能力等因素，能够应用于实践的菌株比较少。早在1935年，前苏联专家蒙基娜从土壤中分离得到一株可以分解有机磷的巨大芽孢杆菌，后在实践应用中能将土壤有效磷提高15%以上。印度在研究和开发利用微生物肥料方面比较多，长期使用巨大芽孢杆菌生产溶磷微生物系列产品，田间试验中有40%左右的土地获得增产效果 [36]。加拿大将一株拜莱青霉应用于微生物肥料生产，据统计，该产品能使作物平均增产6%左右 [37]。古巴开发出一株伯克霍尔德氏菌作为溶磷微生物肥料产品，施用于多种植物 [38]。

我国关于溶磷微生物的研究起步比较晚，1950年，前东北农科所从东北土壤中分离出一株巨大芽孢杆菌能够有效溶解有机磷，同年，中国科学院前林业土壤研究所从土壤中分离出一株假单胞菌，也具有分解卵磷脂和核酸的能力。目前我国主要应用于实践的溶磷微生物菌株为巨大芽孢杆菌，据统计，截止2022年4月，登记在册的包含巨大芽孢杆菌在内的复合菌剂产品证号有462个，占所有登记证号的4.8%，相对比于其他溶磷菌株如假单胞菌(78个)、伯克霍尔德氏菌(4个)、黑曲霉(87个)、拜赖青霉(34个)、毕赤酵母(17个)来说，巨大芽孢杆菌占比较大。

5. 展望与小结

我国作为一个农业大国，每年化肥使用量占全球的三分之一，化肥长期的不合理使用，不仅会引起土壤结构恶化，而且还会造成严重的环境污染。利用溶磷微生物虽然可以在一定程度上缓解这些问题，然而尽管对溶磷微生物的研究经历了挺长时间，但是溶磷微生物肥料在实际大田中的应用不够深入和广泛。制约溶磷菌肥发展的主要因素有：

1) 能够分离得到的溶磷微生物菌株种类和数量有限；

2) 筛选得到的菌株不符合微生物肥料应用标准；

3) 发酵水平限制部分微生物菌株的应用；

4) 溶磷微生物菌株与不同环境土壤的适配能力弱；

5) 菌株溶磷能力随着传代次数的增加而退化。

针对上述问题，可以在以下几个方面改进和深入研究：

1) 继续筛选高效溶磷菌株，扩大溶磷微生物资源库；

2) 对高效溶磷微生物菌株的应用潜力进行评估，通过急性毒性实验和优化发酵条件等；

3) 扩大盆栽或田间小区域实验的作物种类，探索高效溶磷菌株对不同作物的作用效果；

4) 探究溶磷菌株与其他功能菌株的相互作用，研制复合微生物菌剂；

5) 应用基因工程相关技术改造溶磷微生物菌株，获得既有高效溶磷能力又能在土壤中定殖的菌株；

6) 政府应加大微生物肥料的推广与利用，减少化学肥料的使用。

相信随着未来科研的不断深入研究，溶磷微生物的应用会合并或取代磷肥的使用，在增加作物产量的同时，改良土壤环境，促进农业健康可持续发展。

基金项目

黑龙江省科学院青年创新基金项目(CXM2022SW02)，黑龙江省科学院院长基金项目(YZ2022SW01)。

NOTES

^*通讯作者。