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微生物及微生物肥料 微生物的基础知识为什么发展微生物肥料 微生物肥料作用机理与效果微生物肥料合理使用 提纲 一 微生物的基础知识 1 微生物的定义 微生物 microorganism microbe 存在于自然界中的一群体型细小 结构简单 肉眼看不见 必须借助于特殊仪器放大后才能观察到的微小生物 2 微生物的分类 按其结构 化学组成及生活习性可分为 原核类 仅有原始核质 无核仁或核膜 细胞器很不完善 如细菌 放线菌 支原体 立克次氏体 衣原体等 真核类 细胞核的分化程度较高 有核膜 核仁和染色体 细胞器完整 如真菌 酵母菌和霉菌 原生动物 显微藻类 非细胞类 体积微小 能通过除菌过滤器 如病毒和亚病毒等 按其致病性可分为 病原性微生物 非病原性微生物 3 微生物的特点 个体小 面积大 小于0 1mm 肉眼不可见 吸收多 转化快 发酵乳糖的细菌在1小时内可分解其自重1000 10000倍的乳糖 产朊假丝酵母合成蛋白质的能力比食用公牛强10万倍生长旺 繁殖快 微生物有惊人的繁殖速度 大多数微生物几十分钟内就可以繁殖一代适应性强 易变异 耐药性产生的原因 分布广 种类多 10万多种 自然界中到处都有 如水 空气 土壤等 土壤中的数量最多 4 微生物的分布 土壤 是微生物生活的最适环境水 仅次于土壤的微生物分布 定居的第二场所空气 空气中的微生物主要来源于带有微生物菌体及孢子的灰尘 这类微生物大多数是腐生性的 还来源于人和动物 它们大多数是通过呼吸道排出的 其中也包含有病原微生物 悬浮在大气中 5 微生物的作用及危害 1 微生物的作用绝大多数微生物对人和动物是有益的 已广泛应用于农业 食品 医药 酿造 化工 制革 石油等行业 发挥了越来越重要的作用 例如与我们日常生活密切相关的如酸奶 酒类 抗生素 疫苗等 2 微生物的危害微生物中也有一部分能引起人及动 植物发生病害 这些具有致病性的微生物 称为病原微生物 如人类的许多传染病 感冒 伤寒 痢疾 结核 脊髄灰质炎 病毒性肝炎等 均是由病原微生物引起的 从药品生产的卫生学而言 微生物对药品的原料 生产环境和成品的污染是造成生产失败 成品不合格的重要因素 二 为什么发展微生物肥料 长期 过量施用化肥的危害危害之一 削弱庄稼生产能力造成了土壤板结 土壤有机质含量降低 肥力下降 土壤中有益微生物的生存空间变小 数量减少 农作物的抗病 抗寒 抗旱 抗倒伏能力减弱 病虫害的发生越来越严重 导致农作物品质下降 产量降低 危害之二 加剧环境污染 过多施用的肥料如果超过土壤的保持能力时 就会流入周围的水中 形成农业面源污染 造成水体富营养化 导致藻类滋生 继而破坏水环境 据统计 中国每年因不合理施肥造成1000多万吨的氮素流失到农田之外 直接经济损失约300亿元 过量的肥料还会渗入20米以内的浅层地下水中 使得地下水硝酸盐含量增加 危害之三 浪费大量紧缺资源 如果能够把浪费掉的化肥节省下来 就会缓解我国的能源紧缺状况 仅在2004年 我国化肥生产消耗了大约1亿吨标准煤 超过国家能源消耗比重的5 此外 我国化肥生产每年消耗的高品位磷矿石超过了1亿吨 而磷矿石已经列入国土资源部2010年后紧缺资源之列 化肥生产还消耗了我国72 的硫资源 因此在这种情况下 20世纪70年代 国际上成立了 有机农业联盟 在世界范围内呼吁不用或者尽量少用化肥 并积极研究化肥的代替品 大家都知道 几十年前我国农业生产主要施用农家肥 最近几十年主要应用化肥 而今后微生物肥料的使用量将越来越大 这是生产绿色食品和发展可持续农业的必然趋势 我国的微生物肥料产业近几年发展迅速 并已成为我国农业生物产业的重要组成部分 目前登记的微生物肥料产品数量达1200个 截止2010年10月 应用面积在一亿亩以上 微生物肥料年产量800万吨 在国家生态示范区 绿色和有机农产品基地中已成为肥料主力军 其用量超过450万吨 约占我国微生物肥料年产量的50 且这一数字还呈不断上升趋势 国家支持微生物肥料行业发展 出台 促进生物产业加快发展的若干政策 国办发 2009 45号 实施 绿色农用生物产品高技术产业化专项 发改办高技 2009 536号 国家高技术产业化示范工程项目 发改委 国家土壤有机质提升试点补贴项目 农业部 秸秆还田中 政府采购腐熟菌剂 提供农民使用 中小企业创新基金 七大新型战略产业之一 三 微生物肥料的作用机理与效果 微生物种类繁多 在长期的生物进化和环境适应中 不同种类的微生物具备了相应的作用机理 表现出多样化的功能与效果 选择和应用这些功能微生物 是微生物肥料 农用微生物产品 新品种研发 生产和应用的基础 1 微生物肥料定义 中国科学院院士 我国土壤微生物学的奠基人 华中农业大学陈华癸教授就微生物肥料的含义问题指出 所谓微生物肥料 是指一类含有活微生物的特定制品 应用于农业生产中 能够获得特定的肥料效应 在这种效应的产生中 制品中活微生物起关键作用 符合上述定义的制品均应归入微生物肥料 目前 国家标准 GB20287 2006 的定义 微生物肥料 microbialfertilizer biofertilizer 含有特定微生物活体的制品 应用于农业生产 通过其中所含微生物的生命活动 增加植物养分的供应量或促进植物生长 提高产量 改善农产品品质及农业生态环境 2 微生物肥料的种类 微生物菌剂 一种或一种以上的微生物经工业化生产增殖后直接使用 或经浓缩或经载体吸附而制成的活菌制品 NY T1113 2006 生物有机肥 是指特定功能微生物与主要以动植物残体 如禽畜粪便 农作物秸秆等 为来源并经无害化处理 腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料 复合微生物肥料 是指特定微生物与营养物质复合而成 能提供 保持或改善植物营养 提高农产品产量或改善农产品品质的活体微生物制品 NY T798 2004 3 微生物肥料六大功能机理 NY T1847 2010 微生物肥料生产菌株质量评价通用技术要求 中总结的6个方面 提供或活化养分功能 产生促进作物生长活性物质能力 促进有机物料腐熟功能 改善农产品品质功能 增强作物抗逆性功能 改良和修复土壤功能 提供或活化养分功能 生物固氮 微生物固氮肥料是微生物肥料中施用历史最久 应用范围最广的一类 根瘤菌及其制剂产品 如花生根瘤菌 Bradyrhizobiumsp Arachishypogae 大豆根瘤菌 B japonicum或B elkanii或Sinorhizobiumfredii 自生固氮菌 联合固氮菌及其制剂 圆褐固氮菌 Azotobacterchroococcum 拜氏固氮菌 Azotobacterbeijerimckii 巴西固氮螺菌 Azospirilliumbrasilense 粪产碱菌 Alcaligefaecalis 图A大豆根瘤 图B大豆根瘤菌 根瘤菌能与其它生物共生来固定空气中的氮素 并产生很多激素类物质来刺激作物生长 图B花生根瘤菌 图A花生根瘤 圆褐固氮菌 带夹膜 圆褐固氮菌具有较强的固氮能力 也能分泌某些维生素及吲哚乙酸等刺激作物根系生长 进而促进植株的生长和果实的发育 因此 将圆褐固氮菌制成菌剂 施用到土壤中 可以提高农作物的产量 它不形成根瘤菌 而是利用土壤中的有机质或根系分泌的有机质作碳源固定空气中的氮素 也能直接利用铵盐和硝酸盐等无机氮化物 有氮化合物时它不固定分子态氮 我国磷矿资源缺乏 尤其是高品位的磷矿 土壤中积累了大量的难溶性磷 研究开发溶磷菌剂十分必要 微生物解磷或溶磷机理是 通过产生有机酸 如乳酸 柠檬酸 和一些酶类 如植酸酶 使土壤中的难溶性磷素如磷酸铁 磷酸铝以及有机磷酸盐矿化形成作物能够吸收利用的可溶性磷 将分解利用不同磷素来源如分解卵磷脂类的细菌称为有机磷细菌 分解磷酸三钙的细菌称为无机磷细菌 提供或活化养分功能 溶磷 目前主要研究和应用的菌种有以下一些种 细菌 巨大芽胞杆菌 Bacillusmegatherium 氧化硫硫杆菌 Thiobacillusthiooxidans 假单胞菌属的一些种 Pseudomonasspp 芽胞杆菌属或类芽胞杆菌属的一些种 Bacillusspp 或Paenibacillusspp 许多真菌 例如青霉菌 黑曲霉 菌根等 具有非常强的溶磷能力 提供或活化养分功能 溶磷 巨大芽孢杆菌在肉汤培养基上的菌落 巨大芽孢杆菌菌体 巨大芽孢杆菌能利用多种碳源 营养要求低 生长快 巨大芽孢杆菌在28 37 都能很好地生长 在营养琼脂上 生长堆积 有光泽或中度暗淡 随菌龄的增长 有时微起褶皱 常呈黄色色调 长时间培养后 生长和培养基变为褐色或淡黑色 见菌落照片 一些微生物能分解长石和云母产生有效钾 这类微生物称为钾细菌或硅酸盐细菌 它能将长石 磷矿石 云母等难溶性矿物中的磷钾有效化 分泌能够刺激作物生长的激素 施用硅酸盐细菌肥料不仅可改善作物的营养条件 还可提高作物对养分的利用能力 可减轻多种作物病害 提供或活化养分功能 解钾 钾细菌Bacillusmucilaginosus 钾细菌作用机理 首先 细菌 矿物复合体的形成 硅酸盐细菌在培养基中增殖 产生大量多糖物质 通过其粘结作用 使矿物颗粒与细胞物质纠结在一起 进而形成细菌 矿物复合体 这种复合体的形成促进细菌细胞与矿物颗粒进一步接触 甚至可以在小分子如培养基水分子的帮助下 使矿物晶格层间域增大 从而有助于钾离子的释放 难溶性钙 镁或硫元素的活化 提供给作物利用微生物种类 产生铁载体 Thiobacillusthiooxidans 氧化硫硫杆菌 Rhizopusarrhizus 根霉 提供或活化养分功能 溶解中量元素能力 微生物肥料提高化肥利用率 减少化肥的使用量 微生物肥料与化肥配合使用 可提高化肥的利用率 减少化肥的流失 从而降低化肥的施用量 10 30 巴西 阿根廷种植大豆不施化学氮肥 美国仅施5Kg 公顷氮肥 我国则施用150Kg 公顷氮肥 产量比国外低30 以上 有经济上的意义 而且有生态学方面的价值 对环境也有益处 产生促进作物生长活性物质能力 种类多 菌种主要有醋杆菌 Acetobacterdiazotrophicus 气单胞菌 Aeromonascaviae 柠檬节杆菌 Arthrobactercitreus 巴西固氮螺菌 Azospirllumbrasilense 自生固氮菌 Azotobacterspp 巨大芽胞杆菌 Bacillusmegaterium 多粘类芽胞杆菌 Paenibacilluspolymyxa 枯草芽胞杆菌 B subtilis 阴沟肠杆菌 Enterobactercloaced 荧光假单胞菌 P fluorescens 等 应用范围广 在农业上有良好的应用前景 尤其是这类微生物可以单独使用 更可以与其它微生物种类复合使用 使促生作用 肥效作用更好地结合起来 以提高和加强应用效果 这种复合剂型的研制是一个发展方向 枯草芽孢杆菌菌落表面粗糙不透明 乳白色或微黄色 枯草芽孢杆菌以孢子形式存在 有耐高温 耐酸碱 耐挤压和耐温度变化等特点 能够满足各种加工的要求 枯草芽孢杆菌能够产生促进作物生长的活性物质 促进有机物料腐熟 促进有机物料腐熟功能腐熟菌剂产品使用的菌种 40个种 细菌 13 枯草芽孢杆菌 多粘芽孢杆菌 黄褐假单胞菌 嗜热脂肪地芽孢杆菌 多食鞘氨醇杆菌 戊糖片球菌 解淀粉芽孢杆菌 植物乳杆菌 乳酸乳杆菌 施氏假单胞菌 地衣芽孢杆菌 巨大芽孢杆菌 短小芽孢杆菌 放线菌 12 白色链霉菌 天青链霉菌 白浅灰链霉菌 热紫链霉菌 唐德链霉菌 细黄链霉菌 嗜热灰色链霉菌 灰肉红链霉菌 除虫链霉菌 泾阳链霉菌 微白黄链霉菌 灰螺链霉菌 霉菌 10 里氏木霉 绿色木霉 黑曲霉 米曲霉 温特曲霉 帚状曲霉 杂色曲霉 嗜热性侧孢霉 米根霉 卷枝毛霉 酵母菌 5 粉状毕赤酵母 酿酒酵母 热带假丝酵母 扣囊拟内孢霉 乳酸可鲁维酵母 地衣芽孢杆菌 Bacilluslicheniformis 是芽孢杆菌中较具应用潜力的菌种之一 可产生多种抗性物质 促进有机物料腐熟 能分泌一定量的胞外酶物质 PH为4 0 6 0条件下生长稳定 产品热贮稳定性较好 在54 2 温度下 可贮存14天 常温贮存稳定期至少2年 促进有机物料发酵腐熟 除臭 缩短发酵时间 改善农产品品质功能 微生物肥料可增加农产品有效营养成分 如面粉中的面筋含量 不同大豆中的油脂含量 蛋白质含量 蔬菜瓜果中的维生素 糖的含量 有关试验表明 微生物肥料不仅能使粮食作物增产10 左右 果菜类增产15 左右 而且还可使产品外观有较大改善 注 左侧 为微生物肥料菌剂产品与常规施肥 羊粪 配合施用 右侧 为当地常规施肥 羊粪 示范试验地点 山西省平遥 长山药 收获期 施用微生物菌剂 常规施肥 增强作物抗逆性功能 减轻作物病虫害发生 病情指数 提高作物抗倒伏 抗旱 抗寒克服作物连作障碍等方面的能力 甜瓜球腔菌引起的甜瓜枯霉病 通过对甜瓜球腔菌引起的枯霉病的抑制作用筛选有效菌株 对照 加功能微生物和有机载体 仅加功能微生物 提高植物耐干旱等抗性能力 微生物肥料 微生物肥料 增强植物对重金属污染的抗性 改良和修复土壤功能农药等污染物的生物修复作用 新的热点 微生物由于数量大 种类多 变异快 降解有机物的潜力相当大 而且干净彻底 无二次污染 几乎所有能造成环境污染的有机物都能被微生物所分解 利用 这为我们消除农药残留环境污染提供了一条崭新的途径 农药面源污染的微生物修复 微生物降解的全面性 生物修复在美国已经形成了一门新兴的生物技术产业 有几十家生物修复公司 专门提供污染环境 土壤和水体的石油 化工污染 生物修复的技术方案和产品 在美国生物修复市场的营业额已经达到了百亿美元 新兴的生物技术产业 农药污染是中国等发展中国家所面临的迫切需要解决的问题 国内在农药残留的微生物降解方面进行了很多的研究 逐步在加大应用 现实迫切需要 美国WIKAssociateInc 开发的Bugs plus系列用于环境修复的生物制剂产品 甲基对硫磷降解菌DLL 1 Pseudomonasputida 农药残留降解微生物的分离筛选 CK Noatrazine AtrazineBATH1BATH1 阿特拉津降解菌盆钵试验 四 微生物肥料合理使用 微生物肥料合理使用 颁布的NY T1535 2007 肥料合理使用准则微生物肥料 中 对微生物肥料的合理使用作了原则性 技术性要求 发挥微生物肥料功能必须注意以下5个方面 1 微生物肥料的核心是制品中特定的有效的活微生物 必须保证有一定数量的有效活菌 此外 还应有不同微生物特有的活性指标 目前有关活性指标尚在试验 探索之中 用什么样的指标 多大的数字量化需要研究 试验 验证 我国现行的由农业部颁布的微生物肥料标准对各种微生物肥料产品均规定了相应的最低的活菌含量 微生物肥料合理使用 2 要从生产到使用都要给产品中的有效微生物一个生存的合适环境 水分含量 pH 温度 载体中残糖含量 包装材料等等 尤其是产品中杂菌含量应注意严格控制 产品中水分含量过高易滋生霉菌 过多的霉菌常可造成种子的霉烂 导致缺苗断垅 温度过高 如长时间在35 以上 可致产品中有效微生物减少 杂菌增加 产品冰冻或反复冻融也是造成产品中有效微生物数量骤减的一个重要原因 微生物肥料合理使用 3 微生物肥料作为活菌制剂有一个有效期问题 此类产品刚生产出来