模擬條件下膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)含鉀礦物分解效果的研究

吳迎奔，賀月林，曾 艷，尹紅梅，靳 磊，陳 薇

（湖南省微生物研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410009）

鉀是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)起重要作用。由于我國(guó)可利用的鉀資源較少，鉀肥產(chǎn)量不足，致使大面積耕地普遍缺鉀。然而，我國(guó)鉀長(zhǎng)石資源非常豐富，廣泛分布于云南、貴州、四川、湖南、湖北等19個(gè)省區(qū)[1]。因此，從鉀長(zhǎng)石中提鉀一直受到我國(guó)重視。化學(xué)法研究已有很多報(bào)道[2-4]，但皆因成本、環(huán)保等原因一直未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）俗稱硅酸鹽細(xì)菌[5]，是土壤中一種重要功能菌，它能分解長(zhǎng)石、云母等鋁硅酸鹽類的原生態(tài)礦物，使土壤中絡(luò)合性鉀、難溶性硅等轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄怨┲参锷L(zhǎng)利用[6]，同時(shí)還可以產(chǎn)生多種生物活性物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)[7]。大量試驗(yàn)表明以膠質(zhì)芽孢桿菌為主要成份的生物鉀肥在缺鉀土壤上對(duì)各種農(nóng)作物表現(xiàn)出較好的增產(chǎn)效果[8-10]。膠質(zhì)芽孢桿菌解鉀、硅作用是受多種因素制約的，使其功能發(fā)揮的前提條件是要篩選出優(yōu)良的菌株。紐旭光等[11-13]研究發(fā)現(xiàn)不同的菌株解鉀能力存在較大差異；已有的研究表明膠質(zhì)芽孢桿菌在搖瓶條件下表現(xiàn)出較強(qiáng)的分解硅酸鹽礦物的能力[14-15]。要使生物鉀肥充分發(fā)揮高效、穩(wěn)定的解鉀功能，必須研究模擬自然環(huán)境中菌株的解鉀性能。為此，在靜置條件下，模擬自然界客觀存在的干燥、濕潤(rùn)和淹水條件來(lái)研究膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)含鉀礦物的分解作用，以期為硅酸鹽菌劑的科學(xué)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試菌株：膠質(zhì)芽孢桿菌，由湖南省微生物研究所分離篩選。供試礦物：鉀長(zhǎng)石（K 100 g/kg，SiO2591 g/kg）和云母（K 118 g/kg，SiO2452 g/kg），經(jīng)研磨成粉狀，過(guò)100目篩，用去離子水洗去水溶性鉀、硅等離子，陰干，備用。培養(yǎng)基：菌株培養(yǎng)、計(jì)數(shù)與解鉀試驗(yàn)所用培養(yǎng)基配方[10-11]。鉀源培養(yǎng)基組成為：葡萄糖 10 g/L、Na2HPO40.2 g/L、MgSO4·7H2O 0.2 g/L、NaCl 0.2 g/L、CaSO4·2H2O 0.2 g/L、CaCO30.1 g/L、鉀源粉（鉀長(zhǎng)石或云母）10 g/L，pH 值 7.0～ 7.2，蒸餾水1 000 mL。

1.2 方法

1.2.1 膠質(zhì)芽孢桿菌對(duì)鉀礦物的分解作用 在100 mL三角瓶中加入10 g鉀礦物（鉀長(zhǎng)石或云母）和2 g石英砂的混合物。模擬3種自然界的干燥、濕潤(rùn)和淹水條件，干燥、濕潤(rùn)和淹水3種條件下加入的缺K培養(yǎng)基分別為0、10和30 mL，使鉀礦物與石英砂混合物的含水量分別為0、420.6 g/kg和1240 g/kg。考慮到靜止培養(yǎng)期間水分揮發(fā)，在培養(yǎng)期間內(nèi)不時(shí)地加入無(wú)菌水以維持每個(gè)處理原來(lái)所模擬的3種自然界的環(huán)境條件。接種量為每瓶接2 mL菌懸液（菌懸液用無(wú)菌生理鹽水洗去培養(yǎng)基，用無(wú)菌水稀釋成1×108cfu/mL菌懸液用于接種），同時(shí)設(shè)不接菌作為CK組，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，30℃靜止培養(yǎng)，培養(yǎng) 0、10、20、30 d 取樣分析。

1.2.2 測(cè)試方法 對(duì)于干燥和濕潤(rùn)處理的樣品，一部分采用l mol/L中性草酸—草酸銨溶液提取，硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定發(fā)酵液中硅的含量。另一部分參照采用火焰光度法測(cè)定發(fā)酵液中的鉀含量[16]；對(duì)于淹水處理的樣品，一部分用于培養(yǎng)液中草酸的測(cè)定，草酸的測(cè)定方法見文獻(xiàn)[17]。另一部分先進(jìn)行真空濃縮，再用上述同樣方法測(cè)定鉀含量。樣品在處理前測(cè)pH值，以及采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定活菌數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌釋鉀作用的影響

干燥條件下，由于膠質(zhì)芽孢桿菌不能正常生長(zhǎng)，幾乎不能分解含鉀礦物并釋放其中的鉀元素；而濕潤(rùn)和淹水的環(huán)境條件有利于供試菌株對(duì)鉀礦物的分解作用，且濕潤(rùn)和淹水條件對(duì)供試菌株的解鉀作用無(wú)顯著差異（表1）。由于鉀長(zhǎng)石是一種含鉀的原生礦物，較易分解，云母是一種含鉀的造巖礦物，較難分解，膠質(zhì)芽孢桿菌菌株對(duì)鉀長(zhǎng)石的分解效果均好于對(duì)云母的分解效果。例如濕潤(rùn)條件下，28℃恒溫靜置培養(yǎng)30 d后，膠質(zhì)芽孢桿菌從礦物中釋放的鉀比CK分別增加14.35 mg/L（云母）和16.14 mg/L（鉀長(zhǎng)石），其增加比例分別達(dá)219%（云母）和226%（鉀長(zhǎng)石）。

表1 不同條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌釋K作用的影響（mg/L）

從表2中可以看出，膠質(zhì)芽孢桿菌接入含鉀礦物的培養(yǎng)基中，在0～10 d內(nèi)，細(xì)胞數(shù)量均逐漸增加，培養(yǎng)l0～20 d，細(xì)胞數(shù)量維持穩(wěn)定，20 d后細(xì)胞數(shù)量開始下降；隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，培養(yǎng)液中的pH值也隨之下降。試驗(yàn)證明，供試菌株在濕潤(rùn)或淹水環(huán)境中通過(guò)本身的代謝活動(dòng)來(lái)分解含鉀礦物并釋放出其中的K元素。

表2 濕潤(rùn)條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌代謝活性的影響

2.2 環(huán)境條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌釋硅作用的影響

膠質(zhì)芽孢桿菌分解含鉀礦物釋放Si的作用與釋鉀作用相似（表3））。膠質(zhì)芽孢桿菌從礦物中釋放的硅比CK分別增加7.28 mg/L（鉀長(zhǎng)石）和 7.70 mg/L（云母），其增加比例分別達(dá)169%和153%。但是云母釋放總量稍高于鉀長(zhǎng)石。研究表明，草酸對(duì)硅有很強(qiáng)的絡(luò)合能力，膠質(zhì)芽孢桿菌有較強(qiáng)的釋硅作用與其代謝過(guò)程中產(chǎn)生較多的草酸有關(guān)。圖1表明，培養(yǎng)10 d，膠質(zhì)芽孢桿菌培養(yǎng)液中草酸含量比對(duì)照培養(yǎng)液中的分別增加107.5 mg/L（鉀長(zhǎng)石）和110.8 mg/L（云母）。膠質(zhì)芽孢桿菌是兼性好氧菌，因此在濕潤(rùn)或淹水條件下都可以很好地促進(jìn)鉀長(zhǎng)石與云母的釋鉀和解硅作用。對(duì)于膠質(zhì)芽孢桿菌分解含鉀礦物機(jī)理的研究已有一些報(bào)道[11]。研究表明，膠質(zhì)芽孢桿菌可以通過(guò)酸解和絡(luò)合作用來(lái)分解含鉀礦物并釋放出其中的鉀、硅元素。

表3 不同條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌釋Si作用的影響 （mg/L）

圖1 不同條件對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌產(chǎn)生草酸的影響

3 結(jié)論

在干燥的條件下，膠質(zhì)芽孢桿菌不能進(jìn)行正常的生長(zhǎng)、代謝，不能分解含鉀礦物釋放出鉀和硅元素。在淹水或濕潤(rùn)的環(huán)境條件下膠質(zhì)芽孢桿菌能正常地生長(zhǎng)、代謝，從而分解含鉀礦物并釋放出其中的鉀和硅元素。濕潤(rùn)條件下，28℃恒溫靜置培養(yǎng)10 d，膠質(zhì)芽孢桿菌釋放出的鉀比CK增加226%，釋放的硅比CK增加148%。膠質(zhì)芽孢桿菌通過(guò)酸解和絡(luò)合溶解作用來(lái)分解含鉀礦物。因此膠質(zhì)芽孢桿菌在環(huán)境條件適宜的情況下，對(duì)土壤中含鉀巖石礦物的溶解起著重要的作用。

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