模擬條件下膠質芽孢桿菌對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 長沙 410009）

鉀是植物生長過程中的主要營養元素之一，對農作物的生長起重要作用。由于我國可利用的鉀資源較少，鉀肥產量不足，致使大面積耕地普遍缺鉀。然而，我國鉀長石資源非常豐富，廣泛分布于云南、貴州、四川、湖南、湖北等19個省區[1]。因此，從鉀長石中提鉀一直受到我國重視。化學法研究已有很多報道[2-4]，但皆因成本、環保等原因一直未能實現大規模工業化生產。膠質芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus）俗稱硅酸鹽細菌[5]，是土壤中一種重要功能菌，它能分解長石、云母等鋁硅酸鹽類的原生態礦物，使土壤中絡合性鉀、難溶性硅等轉變為可溶性供植物生長利用[6]，同時還可以產生多種生物活性物質促進植物生長[7]。大量試驗表明以膠質芽孢桿菌為主要成份的生物鉀肥在缺鉀土壤上對各種農作物表現出較好的增產效果[8-10]。膠質芽孢桿菌解鉀、硅作用是受多種因素制約的，使其功能發揮的前提條件是要篩選出優良的菌株。紐旭光等[11-13]研究發現不同的菌株解鉀能力存在較大差異；已有的研究表明膠質芽孢桿菌在搖瓶條件下表現出較強的分解硅酸鹽礦物的能力[14-15]。要使生物鉀肥充分發揮高效、穩定的解鉀功能，必須研究模擬自然環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、濕潤和淹水條件來研究膠質芽孢桿菌對含鉀礦物的分解作用，以期為硅酸鹽菌劑的科學應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試菌株：膠質芽孢桿菌，由湖南省微生物研究所分離篩選。供試礦物：鉀長石（K 100 g/kg，SiO2591 g/kg）和云母（K 118 g/kg，SiO2452 g/kg），經研磨成粉狀，過100目篩，用去離子水洗去水溶性鉀、硅等離子，陰干，備用。培養基：菌株培養、計數與解鉀試驗所用培養基配方[10-11]。鉀源培養基組成為：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 膠質芽孢桿菌對鉀礦物的分解作用 在100 mL三角瓶中加入10 g鉀礦物（鉀長石或云母）和2 g石英砂的混合物。模擬3種自然界的干燥、濕潤和淹水條件，干燥、濕潤和淹水3種條件下加入的缺K培養基分別為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。考慮到靜止培養期間水分揮發，在培養期間內不時地加入無菌水以維持每個處理原來所模擬的3種自然界的環境條件。接種量為每瓶接2 mL菌懸液（菌懸液用無菌生理鹽水洗去培養基，用無菌水稀釋成1×108cfu/mL菌懸液用于接種），同時設不接菌作為CK組，試驗設3個重復，30℃靜止培養，培養 0、10、20、30 d 取樣分析。

1.2.2 測試方法 對于干燥和濕潤處理的樣品，一部分采用l mol/L中性草酸—草酸銨溶液提取，硅鉬藍比色法測定發酵液中硅的含量。另一部分參照采用火焰光度法測定發酵液中的鉀含量[16]；對于淹水處理的樣品，一部分用于培養液中草酸的測定，草酸的測定方法見文獻[17]。另一部分先進行真空濃縮，再用上述同樣方法測定鉀含量。樣品在處理前測pH值，以及采用平板計數法測定活菌數。

2 結果與分析

2.1 環境條件對膠質芽孢桿菌釋鉀作用的影響

干燥條件下，由于膠質芽孢桿菌不能正常生長，幾乎不能分解含鉀礦物并釋放其中的鉀元素；而濕潤和淹水的環境條件有利于供試菌株對鉀礦物的分解作用，且濕潤和淹水條件對供試菌株的解鉀作用無顯著差異（表1）。由于鉀長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，膠質芽孢桿菌菌株對鉀長石的分解效果均好于對云母的分解效果。例如濕潤條件下，28℃恒溫靜置培養30 d后，膠質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（鉀長石），其增加比例分別達219%（云母）和226%（鉀長石）。

表1 不同條件對膠質芽孢桿菌釋K作用的影響（mg/L）

從表2中可以看出，膠質芽孢桿菌接入含鉀礦物的培養基中，在0～10 d內，細胞數量均逐漸增加，培養l0～20 d，細胞數量維持穩定，20 d后細胞數量開始下降；隨著培養時間延長，培養液中的pH值也隨之下降。試驗證明，供試菌株在濕潤或淹水環境中通過本身的代謝活動來分解含鉀礦物并釋放出其中的K元素。

表2 濕潤條件對膠質芽孢桿菌代謝活性的影響

2.2 環境條件對膠質芽孢桿菌釋硅作用的影響

膠質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））。膠質芽孢桿菌從礦物中釋放的硅比CK分別增加7.28 mg/L（鉀長石）和 7.70 mg/L（云母），其增加比例分別達169%和153%。但是云母釋放總量稍高于鉀長石。研究表明，草酸對硅有很強的絡合能力，膠質芽孢桿菌有較強的釋硅作用與其代謝過程中產生較多的草酸有關。圖1表明，培養10 d，膠質芽孢桿菌培養液中草酸含量比對照培養液中的分別增加107.5 mg/L（鉀長石）和110.8 mg/L（云母）。膠質芽孢桿菌是兼性好氧菌，因此在濕潤或淹水條件下都可以很好地促進鉀長石與云母的釋鉀和解硅作用。對于膠質芽孢桿菌分解含鉀礦物機理的研究已有一些報道[11]。研究表明，膠質芽孢桿菌可以通過酸解和絡合作用來分解含鉀礦物并釋放出其中的鉀、硅元素。

表3 不同條件對膠質芽孢桿菌釋Si作用的影響 （mg/L）

圖1 不同條件對膠質芽孢桿菌產生草酸的影響

3 結論

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

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