彭静静，高辉远

(1.泰山学院 生物与酿酒工程学院；2.山东农业大学生命科学学院，山东 泰安 271000)



解磷菌的研究进展及展望

彭静静1，2，高辉远2*

(1.泰山学院 生物与酿酒工程学院；2.山东农业大学生命科学学院，山东 泰安 271000)

本文介绍了能将难溶难吸收的磷酸盐转为可吸收利用的可溶性物质解磷菌的大体概况.着重研究了解磷微生物的解磷机理其不同菌种的研究进展，如葡糖醋杆菌qzr14、K3菌株、盐碱地高效解磷菌、地衣芽杆菌PS-1、解磷真菌的解磷机理.解磷菌在农业和环境修复方面的应用广泛，在农业上可制成肥料，将农业固体废弃物得到转化利用，环境修复方面对土壤的重金属进行固定，改善土壤酸化，也可以对水体中沉积物进行降解，改善水体污染.但是，目前解磷菌的机理研究及其应用尚不全面，本文对解磷菌做出了一些总结.

解磷菌；机理；应用；展望

磷元素是生物体所必需的营养元素.在植物生长及体内的各种代谢过程中，磷元素必不可少.土壤中磷循环是种沉积循环，没有大气阶段，主要是在土壤、微生物和植物之间进行[1].磷元素主要以无机磷和有机磷两种形式存在，其中有机磷和大部分无机磷是不能被植物吸收.

土壤中含磷量很少，约占0.05%，无效磷占绝大多数，不能被植物吸收利用，只有0.1%是可利用的有效磷.在生产中，通过不断的施用磷肥来解决土壤缺乏有效磷的问题，但施入的磷肥中，有大部分的磷与土壤中的物质发生磷的固定，形成难溶难吸收的磷酸盐.长期施用肥料不仅造成了土壤板结，酸化和面源污染及水体污染，并可能危害人的身体健康.而土壤中解磷微生物即解磷菌(phosphate-solubilizing microorganisms，PSM)的存在，使这些难溶难利用的磷转化为可以被植物吸收利用的形态，对提高土壤利用率，改善改良土壤结构，维持生态平衡具有重大的意义.

1 解磷菌的解磷能力测定

1.1 解磷菌的解磷能力测定

测定解磷菌解磷能力主要有以下几个方法，第一种是平板法，即将解磷菌接种到含有难溶磷盐的固体培养基上培养，测定菌落的溶菌圈的大小.本方法虽操作简单，但结果不精确，适用于简单的测定.第二种是液体培养法，即将解磷菌进行液体摇瓶培养来测定培养液中可溶性磷含量.第三种是土壤培养法，即将解磷菌进行土培或砂培来测定土壤中有效磷含量.值得注意的是，微生物在生长、繁殖是会将部分分解的磷同化，用于自身结构中，上述测定结果中都不包含微生物的生物量磷.赵晓蓉等正在研究用蒸煮、熏蒸的方法测定微生物分解的所有磷含量，或通过同位素示踪法来测定植物体内磷的增加[2]，更准确得测定解磷菌的解磷能力.不同菌株有着不同的解磷能力：Sundara[2]测定几株芽孢杆菌属溶解Ca3(PO4)2的效率达到18%，其中巨大芽孢杆菌属解磷能力最强，而短芽孢杆菌最弱.钟传青[3]发现不同的解磷菌对不同的解磷盐解磷能力也不同.难溶性磷酸盐易被酵母菌、霉菌溶解，而磷矿粉易被巨大

芽孢杆菌溶解.解磷真菌在数量种类上远不如细菌.实验发现，解磷真菌的种类和数量虽然不多，但解磷能力通常会更强.主要在于很多解磷细菌在逐代培养后，解磷能力减弱且不再复原，而真菌始终保持较强的解磷能力，并且在接种量相等时，生产量大，代谢产物多，酸度提升快，使难溶磷酸盐更容易分解.其中，青霉和曲霉在解磷真菌中占绝对优势，而且解磷能力强，研究报道也较多.

1.2 解磷菌的解磷机理

1.2.1 难溶无机磷的降解机理

土壤中难溶性无机磷约占土壤磷酸盐总量的绝大多数[4].解磷菌解磷比较复杂，尚研究中.

第一种是现在广泛接受的产酸机制，认为大部分解磷菌在代谢过程中产生多种有机酸，如葡萄酸、柠檬酸、乳酸、苹果酸、草酸等，能降低培养介质的pH值 ,也可以与钙离子、铁离子、铝离子等离子螯合作用使难溶磷酸盐溶解.其中有些螯和作用在解磷过程中起主要作用.最近研究发现，产多糖的溶磷菌可以推动平衡向难溶磷盐方向进行，糖与有机酸之间的协同效应，促进磷溶解.

第三种认为解磷过程是个动态的分段过程.以难溶无机磷为磷源的培养基上，解磷菌产酸使部分难溶无机磷溶解，在随后生长中，解磷菌可能改变代谢机制，释放有机代谢物如乳酸、琥珀酸等于基质中形成较高浓度难溶有机磷化合物，解磷菌再次以其为磷源，致使磷的再一次溶解.在整个过程中pH值几次变化，产生不同有机磷化合物，然后矿化成可溶性磷被植物吸收利用，直到自身缺乏营养而死亡.

1.2.2 有机磷农药残留的降解机理

解磷菌降解有机磷农药在土壤磷转化中具有重要的意义.一种是酶的溶解机制，就是解磷菌直接作用于农药，本身含有的酶促基因马上产生可降解该农药的降解酶，发生酶促反应降解农药.主要有脱氢、合成、氧化、还原等几种酶促类型.其降解过程首先是农药吸附在解磷菌表面，然后农药进入解磷菌的细胞膜内后发生酶促反应.另一种则是以解磷菌生物活动去改变土壤环境间接作用于农药，有矿化作用生成无机磷，生物浓缩、生物累积或是微生物对农药其它的间接作用.

2 解磷菌种类及分布

2.1 解磷菌的种类

20世纪初开始注意到土壤磷与微生物之间的连系.1908年发现溶磷微生物的存在，1948年Gerretsen发现溶解磷矿粉的微生物可促进植株生长，既能增加磷元素的吸收[6]，又可促进植物生长.之后，多种微生物的解磷作用相继被报道.

解磷菌种类繁多，根据种类，可分为细菌、真菌和放线菌等.也可以根据解磷菌作用对象，即分解底物的不同，分为了有机磷微生物(能够转化有机磷化合物)和无机磷微生物(将难溶无机化合物转为可吸收的可溶磷).其实很难根据分解底物的不同将解磷菌区分开来，无机磷和有机磷都能被链霉菌属所溶解.目前，报道的菌属约有20多种，其中解磷细菌研究最多，也较深入，主要集中在芽孢杆菌属、假单胞杆菌属、沙雷氏菌属、欧文氏菌属、土壤杆菌属、黄杆菌属、埃希氏菌属、节细菌属等.巨大芽孢杆菌，胶质芽孢杆菌具有较强的解磷能力，应用报道的较多.

解磷真菌类报道较少，但真菌磷能力强是关注的热点.研究较多的有青霉菌属、曲霉菌属、根霉属、镰刀菌属、小菌核菌属等.放线菌主要是链霉菌属、AM菌根属，研究的重点在新菌株的筛选和解磷效果分析等方面.

2.2 解磷菌的数量及生态分布

土壤是微生物良好的生长繁殖地.赵小蓉等研究表明，玉米、冬小麦根际要远比非根际解磷菌的数目多得多[7-8].土壤中，解磷菌呈现出极强的根际效应分布(受根际微域环境，如土壤结构、质地、有机物物含量、耕作方式和措施等影响).植物根际解磷菌的数目要比周围土壤多得多，其中不同的土壤类型和磷源，解磷菌的数量不同，一般为黑钙土地>黄棕壤地>白土地>红壤地>砖红壤地>瓦碱土地.黑钙土地以芽孢杆菌和假单胞杆菌为主，而红壤地和黄棕壤地中菌种繁杂.2001年罗明等人研究，新疆棉田地区施用不同的肥料措施对解磷菌的影响，表明肥料与氮、磷、钾等元素的合理搭配对解磷菌的生长和数目具有促进作用，氮肥的效果最显著[9].林启美[10]研究了四种不同土壤类型中的解磷菌数目和种群结构，发现菜地里有机磷细菌最多，其他三种土壤则很少，解磷细菌在农田中最多.

Katznelson[11]等的研究发现，小麦根面的解磷细菌数量要比根际和非根际土让中多好十几倍；大麦、红三叶等根际解磷菌的数目远多于非根际土壤.所以不同作物的根际，解磷菌分布也不同.根际微生物的数目可能受根系分泌物多少的控制，而根际微生物群落结构则受根系分泌物类型的影响.另外，解磷菌代谢产物与根系分泌物也有密切的联系，既可影响植物根部的分泌，又可改善土壤环境.

3 不同解磷菌解磷机理的研究进展

3.1 葡糖醋杆菌qzr14解磷机理

解磷菌解磷能力的强弱由本身所决定，但外界条件的不同，即不同的生长时期，代数和不同的氮源、磷源等营养供给，而表现出解磷能力差异.解磷机理被认为主要通过分泌有机酸、质子和多糖等溶解难溶性磷.其实不同解磷菌的解磷机制不同，有些菌通过其中的一种机制，有些菌通过多种机制导致磷矿粉的溶解，其中高效解磷菌葡糖醋杆菌qzr14在研究中发现可能通过分泌有机酸即葡糖酸，使pH降低是溶磷的主要原因，但pH和溶磷多少没有一定规律的联系，说明还可能与有机酸种类和多糖等有关.随后的研究表明葡糖醋杆菌qzr14的数量、解磷菌生长速率、活性等原因对其解磷能力有一定的影响.

实际生产中，葡糖醋杆菌qzr14应用于黄瓜苗，具有土壤磷的溶解吸收，固氮和解钾能力，促进生长.随后发现还具有激素释放、抵抗病原的多种功能.

3.2 K3菌株解磷机理

生长周期短，代谢旺盛，有强溶Ca3(PO4)2作用和促进植物幼苗生长的K3菌属于假单胞属，革兰氏阴性菌，解磷细菌K3的解磷机理主要是分泌有机酸，还可能与金属离子发生络和作用.但以葡萄糖为碳源的培养中没有按照传统途径，将葡萄糖用酶氧化成葡萄糖酸，达到溶磷目的.并随着供给碳源的不同，K3产生的有机酸种类和数量都会不同，另外土壤的缓冲容量对解磷有一定的抑制作用.在K3解磷研究中还发现通过与矿物磷竞争吸附来降低磷酸根吸附作用，来进行解磷.

3.3 盐碱地高效解磷菌的解磷机理

3.4 地衣芽孢杆菌PS-1解磷机理

在玉米根际分离出地衣芽孢杆菌PS-1，革兰氏阳性杆菌，既是解磷菌，又是促生菌，分泌调节生长物质，促进根际生长，具有解磷和促生长的双重作用.

4 解磷真菌的解磷机理

解磷真菌的解磷机制与真菌相似，但略有不同，与其产生有机酸有密切的关系.王富民等研究发现 AP-2黑曲霉的解磷主要是通过产酸，在酸性条件下溶解磷.草酸青霉菌P8、Pn1在供给不同的氮源条件下使有机酸代谢方向的发生了不同，所以同一种菌得解磷机理也不可能是一成不变的一种，另外，有的解磷真菌溶液酸度的提高与其产生的有机酸没有关系.有的真菌有解磷能力但不产生有机酸，目前对它的解磷机理还不明确.

解磷真菌也可以增强植物吸收含磷的肥料.研究发现，可能真菌与植物共同生长，增加了表面积吸收磷量；改善了植物根系的土壤环境，是多种酶的活性增高；又可能真菌帮助根系扩大磷的吸收范围.

5 解磷菌的应用

5.1 解磷菌在应用上的优势

(1)促进植物体对营养物质的吸收：解磷菌能与植物根系周围的微量元素发生螯和促进吸收营养物质，并且在代谢过程中还可以释放利于植物生长调节物质，促进根系发展，增强植物的抗病能力.解磷菌自身能够大量繁殖在植物根际形成优势群，有的还能与病原微生物发生拮抗作用，从而大大减少了病原微生物的繁殖机会.(2)肥效高：化学磷肥在施用过程中有一大部分由于土壤磷的固定使肥效丧失，而解磷菌能溶解难溶性磷化合物，为植物提供优质的磷素营养.(3)减少环境污染：由于从土壤中直接筛选分离优质解磷菌，所以生产菌剂是没有环境污染，并且解磷菌的生命活动有修复土壤的作用，可以说，解磷菌是真正意义上的环保型肥料.

解磷菌肥料的生产简单，见效快，市场竞争力强.因此，解磷菌肥不仅能够促进植物生长，使作物增产，还能提高磷利用率，使土壤环境改善，促进生态系统的可持续发展.

5.2 解磷菌微生物在农业上的应用

最早将解磷菌投入到生产的是蒙基娜，1935年从土壤中分离出解磷巨大芽孢杆菌，测定其解磷能力特别强.将其接种到土壤后有效磷至少提高15%[12].很多国家相继将解磷能力强的菌株制成了生物菌肥，在不同的领域都有相应的应用.

5.2.1 制作解磷微生物肥料

微生物菌肥是解磷能力强的解磷菌经发酵制成.可以供给植物根部可吸收磷，促进生长.改善改良土壤，又可以帮助植物吸附铜、钙等微量元素.另外解磷菌繁殖会在一定程度上抑制病原微生物，增强植物的抗病能力[9].

5.2.2 控制农业面源的污染

在农业生产中投入过多含有氮、磷、钾等元素肥料，通过地表径流和渗漏造成了农业面源污染.科学指导农民施肥是防止污染的有效措施.但要从根本上控制，必须从污染源治理入手.利用解磷菌制成的肥料或菌剂直接施入被无法利用的磷素污染的土壤中，不但减少了农业中磷肥的过量施用，而且可以把土壤中难利用的磷溶解吸收，这在一定程度上减少了农业面源的污染[10].

5.2.3 改善土壤酸化

土壤缺磷是土壤酸化的重要原因.随着植物不断吸收磷量，从而使植物根际间的有机酸不断增加，使土壤酸化加剧.另一研究表明在低磷环境下，主要通过分泌有机酸来转化土壤中难溶性磷，致使阴、阳离子不平衡.施用磷肥可减少植物体内阳离子含量，减缓土壤酸化.[11]

5.3 解磷微生物在环境修复上的应用

5.3.1 土壤污染的修复

重金属Pb、Cr、Cd等不仅造成土壤污染，而且会随食物链在生物体内进行浓缩和累积，危害到生物.解磷菌既可以降低重金属毒性，也可以对其进行固定.有研究表明，根际解磷菌有降低重金属毒性来保护植物免受毒害，并且对土壤中的重金属进行固定，使铅等高毒性重金属物质形成稳定的化合物，可减少重金属的危害，但微生物固定的重金属在长时期稳定性和后续处理等方面还需进一步研究.

5.3.2 农业固体废物的转化

在开发生物肥料中，从腐烂木薯皮中分离得到烟曲霉和黑曲霉真菌，通过半固体发酵技术转为可利用的肥料[12].将农业废弃物转化为磷肥，既减少环境污染，又能化废为宝，一举多得.

5.3.3 水体污染

据研究，分离出伯雷克氏菌MB14应用于沉积物的除磷，防止水体富营养化.该菌利用葡萄糖为碳源产生乙酸和葡萄糖酸，使酸度提高.伯雷克氏菌MB14解磷的最适条件为缺氧，以葡萄糖和蔗糖为碳源，以精氨酸作为氮源.将MB14接种采集的沉积物，使沉积物溶解，再通过物理或化学方法将其去除[12].对于水体富营养化的防治，此方法为治理水体污染提供了新思路，解磷菌在水体污染修复方面应用前景广阔.

6 展望

磷是许多国家农林业生产的限制因素，目前我国对解磷微生物及其肥料的开发利用研究还不够透彻和广泛.分离筛选强溶解能力的解磷菌种类还不够多；解磷菌不同菌株解磷能力差异较大，对于解磷菌最佳生长条件也不明确；解磷菌的解磷机理研究复杂和不明确等问题制约着解磷菌的研究发展.因此，笔者提出以下几方面建议：分离纯化解磷菌，筛选高效菌种进行选育，提高解磷能力；探索解磷微生物解磷的分子，遗传机制，利用分子遗传手段改良或高效诱变构建高效解磷工程菌株，开发微生物肥料；研究解磷菌与其他微生物的相互作用关系，利用不同生物施肥措施来提高土壤营养利用率；解磷菌的种类繁多，如何在不同的土质和植物类型中大道最佳解磷效果是研究的关键；深入研究解磷菌施入土壤后和长期动态变化和活动，挖掘磷的利用潜力，更好地为环境服务.

[1]王光华,赵英,周德瑞，等.解磷微生物的研究现状与展望[J].生态环境,2003,12(1):96-101.

[2]Paul,Sundara Rao W V.Phosphate—dissolving bacteria in the rhizosphere of some cultivated hegumes[J].Plant and Soil,1971(35):127-132.

[3]钟传青,黄为一.不同种类解磷微生物的溶磷效果及其磷酸酶活性的变化[J].土壤学报,2005,42(2):286-294.

[4]姚晓惠,刘秀花,梁峰.土壤中磷细菌的筛选和鉴定[J].河南农业科学,2002(7):28-31.

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[7]赵小蓉,林启美.微生物解磷的研究进展[J].土壤肥料,2001(5):7-11.

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[11]李剑峰,师尚礼,张淑卿.解磷微生物肥料研究进展[J].仲恺农业工程学院学报，2010,23(1):62-67.

[12]李海峰,李志建,曲建航.解磷微生物及其应用的研究[J].贵州农业大学学报，2012(10):108-110.

Research Progress and Prospect of Phosphate-Solubilizing Microorganisms

PENG Jing-jing1, 2, GAO Hui-yuan2

(1. School of Biology and Brewing Engineering, Taishan University, Tai'an, 271021；2. School of Life Science, Shandong Agricultural University, Tai'an, 271000, China)

This article describes the undissolved difficult absorption of phosphate translates into the absorption and utilization of soluble phosphate and its general situation, such as its type, distribution and phosphate-solubilizing ability. It emphatically studies the phosphate-solubilizing mechanisms of phosphate-solubilizing microorganisms, and the research progress of different species, for example qzr14, K3, efficient saline-alkali phosphate-solubilizing bacteria, PS-1, and phosphate-solubilizing fungal phosphate-solubilizing mechanisms. In addition, phosphate- solubilizing bacteria widely used on agricultural and environmental restoration has a significant meaning, like it made into fertilizer on agricultural, used agricultural solid wastes, soil heavy metal were fixed on environmental restoration, improved the soil acidification, and degraded sediment in the water, and improve water pollution. But, the study of the mechanism of the phosphate-solubilizing bacteria and it s application was not yet fully at present. In this paper we made some summary about it.

mechanism; phosphate-solubilizing bacteria; application; prospect

2016-09-20

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目(2014BSB01004)

彭静静(1983-)，女，山东泰安人，泰山学院生物与酿酒工程学院讲师，博士.

*[通讯作者简介]高辉远(1958-)，男，山东莱西人，山东农业大学生命科学学院教授.

S154.39

A

1672-2590(2016)06-0095-05