微生物在农业领域的应用.doc

微生物在农业领域的应用摘要：本文讲述了微生物在农业生产及农业环保中的应用，特别提到了微生物在农业生产中化肥和农药方面的重要作用，简单分析了运用的现状和未来发展的方向。其中也列举了多种化肥和农药的使用，如苏云金杆菌杀虫剂，白僵菌杀虫剂等常用农药，还介绍了农业微生物基因工程研究现状与前景。由于时间仓促加上笔者专业水平有限，本文不免写的过于粗糙，但大致讲清楚了微生物在农业生产及农业环保中的应用问题和运用现状与前景，作为生物学的学生也对本专业的专业知识和科学的发展方向有了进一步了解。关键词：微生物农业；微生物肥料；微生物农药；微生物农业环保；微生物运用现状与前景正文：自20世纪7O年代以来，微生物科学技术在中国农业中得到了普遍推广和应用。在农业生产中，中国研制出多种微生物制剂，以防治园林和蔬菜病虫害，改善作物品质：在农业环保中，中国利用微生物处理水污染，化学农药污染，固体废弃物以及利用微生物生产沼气，有效改善了农村环境，节约了能源。农业微生物资源的开发利用对促进农业生产的变革具有明显的现实意义和深远的历史意义，其必将成为世界各国政府和科技部门研究的重点。在以后的研究中，我们应充分重视基础理论研究，同时利用先进的生物技术手段，开发出优质的菌株与产品，为人类生活水平的提高，为人类的可持续发展提供保证。 农业微生物基因工程研究现状与前景概述众所周知，微生物和农业的关系十分密切索有“微生物大本营”之称的土壤中，微生物扮演质循环的主要角色，有着不可替代的作用它们分解动植物的残体废物而将其转化成为腐殖质，促进土壤良好结构的形成许多土壤微生物可固定空气中的氮素和转化各类有机物，不断为植物提供可有效利用的碳、氮、磷、钾、硫等各类营养元素自然界还广泛存在昆虫的病原微生物和植物病菌的拮抗微生物，它们可用于植物病虫害的防治而部分替代化学农药另外，通过微生物繁殖和发酵能生产有机酸、氨基酸、生长激素、抗生素、各类酶制剂等多种产品，可分别用作饲料添加剂、食品添加剂和农药等，应用日益广泛然而地球上的农业微生物资源虽然极为丰富，人类对其利用也有久远的历史但是，传统常规的微生物技术主要是筛选各类天然微生物菌株并加以利用，不仅效率低、周期妊、成本高，而且选出的菌株通常还存在种种缺陷和不足，因而使其广泛应用受到限制基因工程技术能够迅速实现遗传物质在不同生物种之间的转移，因而已经农业微生物遗传改良的主要手段对野生型菌株进行遗传改良，可以提高相关功能基因的表达量、延长表达时问、产生新的优良性能固氮菌重组后的固氮效率可以大幅提高；一些具有杀虫和防病作用的菌株通过基因工程改造后，毒力效价提高，效力变得迅速和持久，防治对象范围扩大，应用更加广泛有的土壤微生物具有降解化学工业污染物的能力，但当环境中污染物成分比较复杂时往往难以发挥作用，通过改造后这一缺陷就可克服面对人口剧增、耕地锐减、资源枯竭、环境恶化等重大社会、经济问题的严峻挑战，农业微生物基因基因工程技术的进一步研究开发将成为实现农业可持续发展的有效途径目前农业微生物基因工程已发展成为现代生物技术中最为活跃，最具创新性的前沿领域之一，并且取得了不少重大的进展农业微生物基因工程研究现状11 微生物肥料微生物肥料是具有改善植物氮、磷、钾及微量元素营养，能够促进植物生长的生物制剂的总称，主要包括可自生或与植物共生，能增加氮素供应的根瘤菌与联合固氮荫，用于增加磷、钾营养的解磷、解钾细菌，以及促进植物生长作用的根际促生微生物(PCPR)等111 重组固氮菌根瘤菌和豆科植物共生固氮自19世纪末以来一直是生物学固氮研究的重点，20世纪70年代以后已深入到分子遗传学的研究范畴目前在根瘤菌中已发现三类固氮基因：结瘤基因(nod)、固氮基因(hi0和共生固氮基因(fix)，它们分别以nodD、nif AL和 x U作为主要调节基因近年的研究开始揭示根瘤菌与豆科植物在分子水平上的相互作用以及有关基因的调控机理，从而为进一步改造利用根瘤菌、提高共生固氮效率提供了新的线索和条件阁例如美国Scupham等将固氮正调节基因nifA与增强碳索代谢的四碳二羧酸转移酶基因dct共同整合于苜蓿根瘤荫的染色体，新构建的菌株比出发菌株增产达129t31该工程菌已于1997年获准进入有限商品化生产应用我国近年来开展了重组大豆根瘤菌大豆慢生根瘤菌(Bradyrhizobium japonicum)和费氏中华根瘤菌(Rhizobium fredii)研究网研究工作主要集中于华中农业大学(周俊初等)、中国科学院上海植物生理研究所(俞冠翘等)、广西大学(武波等)除了nifA与dctABD等基因外，还构建了含有吸氢酶基因hup昀、三叶草索基因 、竞争结瘤基因nfeC、脯氨酸脱氢酶基因putA和结瘤基因nod多株工程菌部分菌株室内条件下固氮效率和竞争结瘤能力有明显提高，为了能进一步走向田问应用目前正在加强生物固氮与竞争结瘤分子机理、基因的表达调控，以及应用技术等方面的研究随着基因工程技术的发展，固氮基因的分离和研究不断取得新的进展同112 重组联合固氮菌以豆科植物结瘤作用为先导的生物固氮研究迄今已有100多年的历史作为它的一个新的分支，植物根际微生物联合固氮的研究不过才2O年左右的时间然而，由于种类繁多的联合固氮菌在改善禾本科植物氮素营养方面的潜在价值，特别是具有植物内生作用的联合固氮菌的利用有可能为非豆科植物打开一条“体内固氮”的新途径这类固氮菌的分子遗传和基因工程已成为新的研究热点在众多的联合固氮菌中，目前国内外以肺炎克氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)、巴西固氮螺菌(Azospirillum brasilense)和固氮类产碱菌(AlcMigenes faecalis)研究得较为7-O1现已分别克隆了这些细菌的nifHDK、nifLA、ntrBC等固氮酶结构基因和调控基因，初步揭示了不同联合固氮菌之问在基因表达与调控上的多样性，从而为耐氨和泌氨工程菌株的构建提供了多种选择我国重组联合固氮菌的研究工作集中于中国农业大学(李季伦等)、中国农科院原子能所(林敏等)、北京大学(王忆平等)、广东微生物所(丘元盛等)、中国科学院植物所(李久蒂等)、中国科学院上海植物生理研究所(吴永强等)试验应用的主要作物是水稻和玉米，近年还扩大到黄瓜、番茄等多种蔬菜供试的受体菌除了上述三种以外还包括阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)、催娩克氏杆菌(Klebsiella oxyto)、类球红细菌(Rhocobactersphaemides)、日勾维肠杆菌(Enterobacter gergoviae)掣 ”1涉及到的基因有固氮酶正调控基因nifA、一般氮代谢调节基因ntrC、ntrA、ghlB、四碳二羧酸转移酶基因dctA、吸氢酶基因hup、固氮酶负调控基因nitL、固氮酶活性抑制基因的突变基因draT以及氨运输蛋白基因amT、I1 、mebI等多年的试验研究结果表明，经过重组修饰的耐铵工程菌能显著提高固氮效率、有效减轻铵对固氮的阻遏作用，但田间效果常因受到诸多生态因子的影响而不太稳定在特定的土地下(如沙壤土、白浆土、盐渍化土)并采用科学的施用方法(如菌液浸根与叶面喷施结合)，田间应用可节约化肥15以上“八五”与“九五”期间，我国水稻联合固氮菌累计试验示范应用面积累积达200万亩以上12 微生物农药微生物农药是指非化学合成、具有杀虫防病作用的微生物制剂，如微生物杀虫剂、杀菌剂、农用抗生素等这一类微生物包括杀虫防病的细菌、病毒和真菌121 杀虫微生物杀虫微生物中研究最多，用量最大的是苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis，简称Bt)该菌在生成芽孢时菌体中可形成一个或多个具有强烈杀虫作用的称为内毒素的蛋白晶体，因而能广泛用于粮食、经济作物与蔬菜、林业以及一些卫生害虫的防嘲，Bt的另一突出优点是选择性强，对人畜、天敌、植物都非常安全，堪称“无公害农药”但是Bt也存在一些缺点与不足，如毒索蛋白晶体易受环境因素作用而分鳃；杀虫作用不持久，田间防治效果仅能维持3、4天；杀虫谱偏窄，仅对部分鳞翅目害虫有效；常年使用，害虫可能产生抗药性等2O世纪8O年代以来，对Bt杀虫作用的分子机理已有大量研究，国际上迄今已命名的cry和cyt杀虫蛋白基因已达130余个这些基因大多定位在质粒上，因此，通过质粒的修饰与交换，基因的体外重组或杀虫基因向其他受体细菌的转移，可以有效地对Bt进行遗传改良而达到扩大杀虫谱和提高杀虫毒力的目的【 q国外目前已有十余种工程菌获准进入市场销售，国内中国农科院生物技术研究所黄大防、中国农科院植物保护研究所张杰、华中农业大学喻子牛和中山大学庞义等近年来鉴定发现了crylAcl0、crylFb3、cry2Ab3、cry3Aa7、crylCab、p21zb等十余种新的杀虫蛋白或分子伴侣(molecular chaperone)基因151。并在此基础上分别构建了对棉铃虫、小菜蛾、甜菜夜蛾、斜纹夜蛾和马铃薯甲虫等害虫高效的工程菌，现已进人田间试验。可望l一2年内投入应用昆虫杆状病毒(baculovirus)也是一类重要的、较早应用的昆虫病原微生物这类病毒同样对人畜与环境十分安全，但野生型病毒也存在作用缓慢(从害虫感染病毒到死亡需l一2周)、杀虫谱狭窄等不足为了进一步扩大应用，也需要对它们进行遗传改良杆状病毒基因工程的基本路线是，去除某些不影响病毒复制和感染的基因，在其强启动子后面插入能增强杀虫毒力的外源基因【l 如利尿激素基因、昆虫保幼激素酯酶基因、Bt杀虫蛋白基因、蝎神经毒素基因等例如，国内外先后将蝎基因Aalt或Belt插入苜蓿银纹夜蛾核多角体病毒(AcNPV)后，工程病毒使害虫致病的时间可缩短25一40，进食量可减少30一50，防治效果有明显改善近年研究较多的基因还有在侵染早期表达的蜕皮类固醇UDP一葡萄糖基转移酶基因egt和在侵染后期表达的蜕皮核转录因子基因CHR3egt的缺失或CHR3的大量表达可使害虫迅速蜕皮和停止取食而加快死亡国内武汉大学齐义鹏、中国科学院张友清等采用与上述类似的策略构建了重组苜蓿银纹夜蛾和棉铃虫核多角体病毒(AcNVP和HaCXW1)，现已分别进入田间试验和环境释放昆虫病原真菌对害虫具有广泛的寄生性和致病性，但因其遗传背景复杂，杀虫分子机理和遗传改良的研究较昆虫病原细菌和病毒相对滞后值得一提的是，这方面的研究近年已有显著的进展，如St Leger等已从绿僵菌(Metarhizium anisopliae)中分离了一种类似枯草菌素(subtilisin)的蛋白酶，该蛋白酶的编码基因prl在工程菌中高表达后使烟草天蛾的食量减少了40，死亡时间加快一倍以上122 防病微生物微生物之间相互竞争是自然界普遍的现象，早已发现，许多微生物对植物病原菌具有抑制和拮抗作用例如，不少细菌、放线菌和真菌通过产生抗生索或争夺营养与生存空间而阻止病害的发生与蔓延，但防制病害的效果也受到复杂环境条件的影响而不能稳定或持久现在，有些问题已经可以通过基因工程加以克服和解决例如，澳大利亚的Kerr等对放射土壤杆菌(Agrobacteriumradiobacter)中控制质粒转移的tra基因作了缺失处理，从而阻止了质粒编码的抗生素agrocin84合成基因向致病根癌农杆菌(Atumefaciens)转移以保持产生抗菌生素的稳定性【l81新构建的工程菌于l992年获准进入市场销售，在应用中对多种果树根癌病保持了稳定的防治效果荧光假单胞菌Pudomonas fluor ns)是土壤中常见的拮抗细菌国内外Koby、Chatterjee和中国农科院植物保护研究所彭于发等近年来分别采用外源几丁质酶基因(chiA)导入和转座子诱变使抗生索过量产生等方法【 获得了一些对全蚀病、纹枯病等植物真菌病害防治效果明显提高的工程菌株农用抗生素在农作物病害防治中占有重要地位，例如我国南方地区普遍应用的井冈霉素防治水稻纹枯病，平均每年防治面积达到15亿亩以上但是，确有不少抗生素产生菌由于效价低而难以实现大规模生产应用利用基因工程提高抗生索效价是一条理想的具有很大潜力的微生物遗传改良途径然而，抗生素一般是微生物次生代谢产物，它的生物合成不是由单一基因而是多个基因组成的“基因簇”控制基因的表达调控更为复杂，这就增加了遗传分析与操作的难度近年来国内华中农业大学邓子新等已经建立和发展了吸水链霉菌等抗生素产生菌的基因克隆体系，并在国际上首次克隆了长达150Kb的烯类抗生素合成基因簇以及抗真菌多肽和杀虫大环内酯类抗生素基因簇，为进一步开展基因结构与功能分析和抗生素基因工程的研究积累了新的经验与材料通过改造病原细菌防治病害的研究也取得了进展国内南京农业大学王金生、广西大学冯家勋等采用转座子诱变等分子操作，分别对水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae)与致病性和激发外寄主植物过敏反应有关的hrp基因及另一种致病性基因rpfF作了缺失突变处理，新构建的工程菌显示了良好的防病效果 此外山西大学赵立平等对病原细菌中的过敏索(harpin)基因开展了研究，并将该基因转移到另一种生防细菌 草生欧文氏菌(Erwinia herbicola)，初步证实工程菌具有一定的诱导植物抗性的作用这“以毒攻毒”策略的进一步研究有可能为植物病害防治找到一种新的方法13 饲料用酶制剂饲料微生物学在国际上正在发展成为畜牧与饲料学科的一个新的分支新型饲料微生物制剂的研究已经成为饲料产业技术革新和产品更新换代的主要手段，对于消除抗营养因子、提高资源利用率、开辟新的饲料来源以及解决畜牧业环境污染都有重要作用近年饲料用酶基因工程的研究十分活跃，目前国外一些企业已开发出多种工程酶制剂进入国际市场中国农科院饲料所姚斌等自黑曲霉(Aspergillus niger)中克隆了一种新的植酸酶基因并进行了分子结构的优化首次运用毕赤氏酵母系统获得了植酸酶基因的高效表达，表达量可达8x105UmL，比国外曲霉菌株提高了80倍这项研究已经实现产业化，它的应用将使植物性饲料中磷的利用率提高60，并能大大减少由于植酸磷难以利用而排出体外所造成的污染，具有十分广阔的前景1. 4 环境净化用微生物制剂具有丰富多样性的微生物在各类农业环境污染物的分解中可以发挥独特的作用能够有效分解植物秸杆、畜禽粪便、残留农药、工业废水、生活垃圾等多种污染物的微生物菌株正在陆续发掘应用生物降解(biodegradation)和生物恢复(bioremediation)技术具有效率高、速度快、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，成为国际上农业环境污染治理的重要发展方向由于污染物成分和环境污染因素的复杂性，用于环境污染净化的微生物不仅应有很强的降解能力和对环境的耐受性，而且要有降解能力的多样性通过常规手段，利用单一底物选择压力筛选分离到的菌株常常或因降解作用不强、或因作用靶标单一而难以达到理想的效果采用基因工程的方法自不同菌株中分离特异性的降解基因，然后进行基因的修饰、累加、转移可能是一条解决问题的有效途径美国科学家将来自不同假单胞菌菌株的4种降解质粒接合转移构建了“超级菌”，可同时降解多种石油芳烃，而且降解速度比单一菌株提高了数十倍国内针对土壤中多种农药污染，也筛选得到了不同的降解细菌，为有关基因的分离改造创造了良好的条件类似的研究在国内外已广泛开展，不久的将来可望会在应用上获得较大的突破2 农业微生物基因工程的发展前景21 新基因的克隆与功能研究重要农业微生物的新基因。包括杀虫、抗病、除草、固氮、促生、抗逆、以及与饲料与食品加工和各类污染物降解有关基因的研究已受到各方面越来越多的关注近年来，许多发达国家竞相投资发掘各类微生物基因，以期在激烈的生物基因竞争中占有更多的份额包括遗传和物理图谱、DNA序列分析、结构与功能分析等工作在内的微生物基因组学(genomics)的研究已成为微生物分子遗传学的新的研究热点吲包括大肠杆菌(Escherichiacoli)、枯草杆菌(Bacillus subtis)、嗜热甲烷杆菌(Methanobacterium themaoauttrophicum)在内的l6种真细菌和6种古细菌的基因组全序列现已搞清并公开发表，另有数十种微生物的基因组正在研究之中与农业有关的微生物基因组也将成为下一步研究的重点之一微生物中诸如固氮、抗病、纤维素分解等性状多受基因簇而非单基因所决定，其结构、功能与调控机制十分复杂，必须进行DNA大片段克隆、定位和核甘酸分析，才能揭示其作用的分子机制，而这些都是开展基因工程研究所必须解决的问题在各类微生物基因资源中，值得注意的是对极端环境微生物(extreme microorgamism)的研究阎国外科学家近年十分重视自火山、温泉、咸湖、寒带与热带、海洋等极端环境中分离各类微生物他们创造了从难培养微生物中直接提取DNA并从中分离克隆功能基因的方法，据称已获得数百种新型的克隆酶例如，在不同温度和碱性条件下都能保持高度活性的纤维素酶103就来自碱湖中生存的嗜碱菌以往人们研究的微生物几乎都是实验室可培养的微生物，它们的数量实际上仅占自然界微生物总数的1未知的或尚末开发的微生物世界也许才是地球上最为宝贵的基因资源22 新型高效微生物制剂的研究基因工程的应用为农业微生物遗传改良与各类基因工程菌剂的开发开辟了新的途径尽管取得的成果是初步的，但已经显示出这项技术的巨大潜力随着微生物基因资源的进一步发掘、微生物与植物的分子遗传、微生物生理与生态学等基础研究的逐步深入，以及微生物制剂生产加工工艺与配套使用技术的改进完善，重组农业微生物的研究与开发必将不断出现新的突破虽然目前农业微生物制剂在生产中的应用还很有限，但人们对杀虫防病微生物农药、促生固氮微生物肥料、饲用、食品加工用酶制剂、农业环境污染净化用微生物制剂有越来越迫切的要求，市场潜力巨大例如，我国目前化学农药产量为28万吨(按有效成分100计算)，微生物农药产量仅相当于它的17，若今后51O年微生物农药。接下来具体介绍下微生物在农业生产及农业环保两方面中的应用。微生物在农业生产中的应用11微生物农药是利用微生物菌体或其代谢产物来防治植物病虫害的一种生物制剂，它是通过从自然界采集患病体，进行分类筛选病原体或病菌拮抗微生物，经人工培养、收集、提取而制成的。这些病原体和拮抗物及其产物为昆虫吞食、动植物接触感染后，由于微生物自身活动产生毒素，导致昆虫新陈代谢受阻，组织器官受到破坏，有害植物病毒细胞死亡，从而达到消灭病虫害的目的。111苏云金杆菌杀虫剂苏云金杆菌杀虫剂是目前应用较普遍的一种杀虫细菌，它于1911年由贝尔林耐从患病地中海粉螟上分离获得，这种细菌在自然条件下可感染多种有害昆虫。苏云金杆菌杀虫原理是随着杆菌营养体生长，细胞原生质凝聚，产生芽孢和伴孢晶体，伴孢晶体是苏云金杆菌的主要毒素，在昆虫碱性肠液或酶类作用下被水解为毒肽，导致敏感昆虫死亡。据统计，苏云金杆菌及其变种对敏感鳞翅目、膜翅目、双翅目等多种昆虫有防治作用，如玉米螟、菜青虫、稻纵鳞螟、松毛虫等：如与少量化学农药结合使用，对不敏感昆虫如棉铃虫、豆荚螟、斜纹夜蛾等也能起到很好防治作用实用中应避开家蚕、柞蚕养殖区，因为该菌剂对蚕类有致毒作用。苏云金杆菌的工业生产，以玉米粉、豆饼粉、葡萄糖为培养料，采用液体深层发酵法获得菌粉，农村用工业菌粉为接种剂，配以麦麸和鲜石灰粉发酵形成菌剂，应用与生产。112白僵菌杀虫剂白僵菌杀虫剂是目前普遍应用的真菌杀虫剂，性能稳定，在20世纪8O年代，全国应用臼僵菌防治农林害虫面积达到18O万公顷，杀虫效果达到85以上。白僵菌杀虫主要通过体壁接触感染，也能通过消化道、气孔及伤口等途径进入虫体。在虫体内繁殖，产生一种草酸钙结晶，降低虫体内血淋巴酸度，使昆虫代谢紊乱，变黑死亡。白僵菌主要防治大豆食心虫、松毛虫、玉米螟、水稻叶蝉、苹果食心虫等，防治措施采用大面积喷施粉剂或感染活虫体造成二次感染的方法，高温、高湿条件效果更好。自僵菌的生产采用固体发酵法，以玉米粉、锯木屑等为培养料，大床发酵，最后干燥，制成成品。113昆虫病毒杀虫剂昆虫病毒是一类具有专一性的杀虫剂，一种病毒只感染同种昆虫而对其它昆虫及其天敌无毒害。国家从农、林、桑、果、蔬等作物害虫中分离出近8O种昆虫病毒。其中26种进行了大规模试验，现在防治面积达到13万hm：。昆虫病毒粒子通过口腔被害虫取食，在害虫体内特定部位如血管、中肠、气管等处增殖，导致昆虫组织器官坏死，达到杀虫目的。昆虫病毒可感染螨类、鳞翅目、双翅目、膜翅目等7O多种宿主 目前生产昆虫病毒方法，主要用人工饲养昆虫和从叫问收集昆虫进行接种感染，以收集患病虫体加工成病毒制剂，兑水应用，成品病毒样品加入活性炭或菜油效果显著。114农用抗生素抗生素是抗生菌分泌的次生代谢产物，它能以极低浓度抑制其他微生物生长。抗生素最早用于医疗，1958年， 日本发现世界上第一个农用抗生素灭瘟素S，并成功用于防治稻瘟病。其抗菌机理是抑制细菌细胞壁合成，破坏菌体细胞膜通透性，抑制核酸形成，达到消灭病菌作刚。农片j抗生素性能稳定，选择性较强，例如井冈霉素只能防治水稻纹枯病、花生叶斑病、玉米大斑病等，769抗菌素只能防治小麦黑穗病、高粱散黑穗病等。农用抗生素有lT业生产和土法生产两种，都是利用菌种发酵培养原理生产。115微生物激素微生物激素是一种植物生长调节剂，一般以极低的浓度促进植物细胞的发育，使植物茎杆伸长，叶面增大，刺激果实生，或者促进作物提前抽穗开花，提早成熟，也能打破种子休眠 激素作用机理是在植物体内促进或抑制酶类、糖类合成，诱导植物细胞发育，达到促进增长的效果。现在使用普遍的有五大类植物激素：赤霉索、生长索、细胞分裂素、脱落酸、乙烯。其中，前三种为促进型激索，后两种为抑制型激素。激素生产一般用阎体发酵或r业发酵进行。许多化学杀虫剂对环境具有不利影响，对人类的健康形成了巨大的威胁，因此不得不减少对化学杀虫剂的依赖，施用时进行更加规范的控制。而且许多害虫对广泛使用的化学杀虫剂产生了抗性。基因工程技术的应用为农业微生物遗传改良与各类微生物杀虫剂的开发开辟了新的途径，目前的研究已经显示了这项技术发展的巨大潜力。应用基因工程技术生产和修饰改造这些生物杀虫剂，对微生物制剂用于虫害治理开创了新局面。 12微生物肥料(microbial fertilizer)又称细菌肥料(bacterial fertilizer)或生物肥料(biofertilizer)，是一类通过人工培养对植物有箍的微生物而制成的微生物制剂。其功能是利用特定微生物生命活动，促进土壤中的物质转化、改善作物营养、提高磷钾元素利用率，达到增产目的。已故我国科学院院士，我国土壤微生物学的奠基人之一陈华癸先生在论述微生物肥料的含义时指出，所谓的微生物肥料，是指“一类含有活微生物的特定制品，应用与农业生产中，能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”。微生物肥料在我国已有近50年的历史，从根瘤菌剂一微生物肥料(生物肥料)，名称上的演变已说明我国微生物肥料逐步发展的过程。12.1 微生物肥料的种类 微生物肥料的种类较多。依据不同的标准有不同的划分方法。根据微生物肥料制品中微生物的种类可分为细菌肥料、真菌肥料、放线菌肥料等；根据其作用原理可分为根瘤菌肥料、固氮菌肥料、解钾菌肥料、解磷菌肥料等；依据制品中含有成分的复杂程度可分为单一微生物肥料和复合微生物肥料等。目前国内外市场上出现的品种主要有以下几类。a能将空气中的惰性氮素转化为作物可直接吸收的离子态氮素。属于这一类的有根瘤菌肥料、固氮菌肥料、固氮蓝细菌肥料等。b能分解土壤中的有机质，释放出其中的营养物质供植物吸收的微生物制品。c能分解土壤中难溶性的矿物，并把它们转化成易溶性的矿质化合物，从而帮助植物吸收各种矿质元素的微生物制品。其中主要的是硅酸盐细菌肥料和磷细菌肥料。d对某些植物的病原菌具有拮抗作用，能防治植物病害，从而促进植物生长发育的微生物制品，如某些芽孢杆菌制剂和抗生菌肥料等。e菌根菌肥料。使用的菌种主要是内囊菌科的一些种类形成的丛枝状菌根(Nesiculararbuscular简称AM 真菌，此外还有部分担子菌和少数子囊菌形成的外生菌根。f复合生物肥料。 微生物一微量元素复合肥料：微量元素在植物体内是酶或辅酶的组成成分，对营养的吸收和利用起着重要的促进和调节作用；联合固氮菌复合肥料：国内科学家从小麦、水稻、玉米等禾本科植物的根系中分离出联合固氮细菌并制成了微生物肥料，这种肥料具有固氮、解磷、激活土壤微生物和在代谢过程中分泌植物激素等作用，可促进作物生长发育，提高作物单位面积产量； 固氮菌、根瘤菌、磷细菌和钾细菌复合生物肥料：这种微生物肥料可以供给作物一定量的氮、磷、钾元素，选用不同的固氮菌、根瘤菌、磷细菌和钾细菌分别进行发酵培养，达到所要求的活菌数后，再按一定的比例混合，制成菌剂，其效果优于单菌株接种； 有机一无机生物复合肥料：长期大量使用化肥致使土壤板结，作物品质下降，口感不好，更值得注意的是影响人、畜的健康，因此，有机一无机生物复合肥料已成为人们关注的一种新型肥料；多菌株、多营养生物复合肥料：这种生物肥料是利用多种生理生化习性相关的菌株共同发酵制造的一种无毒、无环境污染、可改良土壤的水溶性肥料，由于它是微生物发酵分解制造的生物肥，因此适用于各种农作物，可以改善作物品质、缩短生长周期、提高作物产量，使用时易于保管、运输和储藏。12. 2 微生物肥料的特殊作用a提高化肥利用率的作用。仅靠大量增施化肥来提高作物产量是有限的，更何况还有污染环境等一系列的问题。根据我国作物种类和土壤条件，采用微生物肥料与化肥配合施用，既能保证增产，又减少了化肥使用量，降低成本，同时还能改善土壤及作物品质，减少污染。b在绿色食品生产中的作用。在生产绿色食品过程中，要求不用或尽量少用(或限量使用)化学肥料、化学农药和其它化学物质。近年来，我国已用具有特殊功能的菌种制成多种微生物肥料，不但能减少农产品污染，而且能改善农产品的品质。C在环境保护中的作用。目前微生物肥料应用16 现代化农业 2005年第11期(总第316期)于环保主要有两种方法，一是将大量的城市生活垃圾作为原料经处理由工厂直接加工成微生物有机复合肥料；二是工厂生产特制微生物肥料(菌种剂)供应于堆肥厂(场)，再对各种农牧业物料进行堆制，以加快其发酵过程，缩短堆肥的周期，同时还提高堆肥质量及成熟度。d改良土壤作用。微生物肥料中有益微生物在作用于农作物的同时会产生一些初、次级代谢产物(例如糖类)，可与植物黏液、矿物胚体和有机胶体结合，改善土壤团粒结构，增强土壤的物理性能和减少土壤颗粒的损失，还能参与腐殖质的形成。所以施用微生物肥料能改善土壤物理性状，有利于提高土壤肥力。微生物肥料其实也是一种土壤净化剂。1. 2. 3我国微生物肥料的现状经过近5O年的发展，我国微生物肥料无论在研发、生产，还是在使用等方面都取得了很好的成绩，且已跻身世界先进行列。但必须清醒地认识到，为顺应农业可持续发展而研制的微生物肥料具有极其光明的应用前景，但其进入市场的时间较短，其功能的发挥还没有尽善尽美，任何夸大其词的宣传和研究上的止步不前都是相当有害的。我国微生物肥料的现状可以概括为以下几个方面。a初步形成了微生物肥料产业，具有一定的规模和水平。目前，我国已有几百家企业生产各种微生物肥料，年产量超过1OO万t。但是，就总体而言，论是生产设备，还是生产工艺都与国外先进水平存在较大的差距。b产品种类繁多。我国生产的微生物肥料不仅有传统的根瘤菌，而且有联合固氮菌、芽孢杆菌、光合细菌、解磷解钾细菌等。剂型主要有液体、固体、颗粒剂型以及冻于剂型等。C使用范围不断扩大，产品稳定性逐步提高。经过多年的推广，各种微生物肥料已经在绝大多数作物上得到应用，使用效果初步得到了广大农民的认可，有些微生物肥料还出现了供不应求的局面。d行业管理初步形成，质量意识逐渐深入人心。目前，微生物肥料已经纳入农业部“一肥两剂”检验登记管理范围，已经发布5个行业标准(NY22794、NY410 2000、NY411 2000、NY412 2000、NY4132000)。从1996年开始，农业部已经将微生物肥料纳人肥料登记管理，多个产品获得了临时登记。3 我国微肥研制及应用中存在的问题a基础研究力度不够，科研人员相对不足。长期以来，在土壤微生物研究领域十分注重根瘤菌的固氮作用，倾注了大量的人力物力，其研究已达分子水平，但对自然界中普遍存在的N、P、K细菌及其它PGPR菌株重视不够，缺乏必要的基础研究，对其作用机理、抗菌谱带、功能基因等缺乏系统的研究，严重制约微生物肥料的开发工作。b菌株目标效能不稳定，配伍不尽合理，抗逆性差。微生物肥料菌剂是由目标菌和辅助菌共同构成的复合菌剂，进入土壤后在土壤菌的辅助下，能够稳定繁殖，并最终在根圈或土体中形成优势菌。若所选菌株不能互相提携或彼此拮抗，势必导致目标菌在土壤中难以很好存活和繁殖，从而严重制约微生物肥料功能的发挥。这是导致目前微生物肥料肥效不稳定的重要因素之一。C生产工艺落后，产品质量不稳。许多厂家尤其是“土法上马”的作坊式工厂微生物制剂的生产设备简陋，技术工艺落后，培养基质不灭菌，开放式接菌和培养，导致产品有效菌数量不稳定，活力差，杂菌基数过高，保质期短。d微生物肥料产品质量标准有待进一步完善。对于目标效能澳4定应制定出统一而规范的测定方法，在产品标准中应当明确目标菌在田间繁殖的量化指标。生产所采用的菌株，必须按照规范方法确定其在生物学中的位置。1.2.4 我国微生物肥料的发展趋势a由豆科作物接种剂向非豆科用肥方面发展。微生物肥料起源于豆科作物的专用根瘤菌接种剂，然而豆科作物种植面积在我国较小，对肥料的需求量远不如粮食作物。加之大豆、花生产区经常使用根瘤菌剂，就会出现老产区接种效果差的问题。因而4O年来我国根瘤菌剂生产和用量一直不大，始终没有形成产业规模，今后的微生物肥料势必将转向非豆科粮食作物用肥。b由单一菌种向复合菌种方面发展。豆科作物接种根瘤菌只选用相应接种族的根瘤菌种，但是，由于微生物肥料的肥效并非单一功能作用的结果，因而必然发展到多种菌的复合。目前，国内微生物肥料多趋向于将固氮菌、磷细菌和钾细菌复合在一起施用，使得微生物肥料能同时供应氮、磷、钾营养樟子松嫁接红松技术。随着国家经济体制的改革和林业科技的不断发展，樟松嫁接红松技术有了崭新的应用前途和需要继续深入研究的新内容。首先，无性系人工林已成为国际造林事业的高新技术，它省去了为培育林木良种而建立无性系种子园这种传统的费时费钱的常规做法，大大缩短了林木良种的繁育时间，并保证优良遗传品质的纯度和质量，大幅度降低成本。嫁接是无性繁殖的主要方法之一，樟子松嫁红松接技术可以应用于培育红松无性系人工林。其次，天然红松林采伐殆尽，红松人工林只有少部分刚进入结实期，开始少量结实，红松种子产量逐年下降，而国内外市场对红松种子需求日增，价格不断上扬。因此，红松果林的营造已成为东北林业部门的共识。樟子松嫁接红松技术同样可以应用于营造红松果林，樟子松是早期速生树种，抗性强，可以促进红松提早结实，并可在土壤瘠薄的向阳陡坡、沙地、碱地和红松自然分布区之外的寒带以及樟子松引种成功元素。C由单功能向多功能方面发展。微生物肥料由于其微生物活动的特性，必将在微生物种群繁殖生长的同时向作物根际分泌一些次生代谢产物，而其中的一些次生代谢产物具有改善植物营养、刺激生长和抑制病菌等综合功能。许多微生物的功能也不是单一的，因此，微生物肥料将向功效的多样化发展，除要求应有的肥效外，还应开发兼有防治土传病害(如小麦全蚀病、西瓜和棉花枯萎病)作用的生物肥料。d由无芽孢菌转向芽孢菌种。由于无芽孢杆菌不耐高温和干燥，在剂型上只能以液体剂或将其吸附在基质(如草炭或蛭石等)中制成接种剂，以便存储和运输。无芽孢菌抗逆性差，制成液体剂或吸附的地区，通过樟子松嫁接营造红松果林。这对于改善林业结构，缓解林业“两危”，提高农场职工的生活水平起重要作用。125根瘤菌肥料根瘤菌肥料是含有大量根瘤菌活细胞的生物制剂，豆科作物播种前用相应的根瘤菌肥料拌种，根瘤菌附着于种子表面，在种子萌发生根后，根瘤菌依靠根系吸收水分和碳素，大量繁殖后形成许多根瘤，根瘤细胞内的固氮酶将空气中分子态氮固定到植物根部，供其吸收利用。在农业作物中应用根瘤菌肥料，可以使豆科作物增产520，花生增产15左右根瘤菌肥料小规模生产采用大量繁殖活菌体，将活菌体在固体或液体培养：基上培养后直接用于田间；大规模生产原理与小规模生产原理相同，但过程较为严格。126 “5406”抗生菌肥料“5406”抗生菌肥是中国首创的新型多功能菌肥，由“5406”号放线菌和米糠、麦麸及土壤混合发酵制成，作用机制主要是：拮抗作用：即对多种作物病原菌产生抑制生长作用。刺激作用：该肥料能产生苯乙酸、琥珀酸两种已知成分和P2、P7两种未知成分的刺激素，促进根系生长，增加叶绿素含量。转化作用：“5406”菌通过分泌物，能把士壤中固结状态的氮、磷、钾元素转化为可吸收元素。“5406”抗生菌肥可用做水稻基肥，甘薯育苗床土肥。菌剂的生产，以“菌种一原母剂一再生母剂一堆制发酵剂”四级发酵法为工艺过程。微生物在农业环保中的应用21化学农药在土壤中的微生物降解中国每年使用农药5O多万吨，农药可残留于土壤中、进入水域或被分解转化其他物质。环境中有机农药的消失，主要在于微生物降解作用，微生物以两种方式分解农药，一是直接以农药作为碳源和氮源。另一种是通过共代谢作用，即不能直接分解时，利用辅助基质分解有机化合物，如直肠梭菌降解666农药，需要有蛋白胨物质参加。通过微生物活动，许多化学农药如DDT、2,4，D、对硫磷等都能大部分或全部降解。22污水处理水是人类生活与工农业生产不可缺少的物质，当前全球水资源紧张，污水处理与利用十分重要，对于污水的处理，微生物起着主要作用。污水处理主要是根据水体自净原理，利用微生物催化作用和代谢活性，在有氧与厌氧条件下分解转化污水中的污染物质。污水分为生活污水和工业废水两大类，处理污水的方法有物理、化学、生物等方法，生物法是当前主要采用的污水处理法。生活污水净化有厌氧性人工净化与好氧性人工净化，厌氧性人工净化以厌氧池的方法，污水进入池内，一部分有机质矿化，一部分转化为有机质肥料：好氧性人工净化主要用活性污泥法，又称生化曝气法，利用含有好氧细菌和水中胶体物及悬浮物混合形成的活性污泥，吸附金属离子、氧化分解有机质，使其与有机物形成络合物得以沉降除去。工业废水净化过程比较复杂，依据废水本身特性，针对处理。脂类、蛋白质、淀粉等大分子有机物