土壤微生物的前世今生

李菲

“科學家們希望，土壤微生物可以替代化肥和農藥，在提高農作物產量的同時，消除化肥和農藥廣泛、大規模使用的負面效應。”

很少有人意識到，土壤也是活的。在我們的腳下，存在著大量的肉眼不可見的微生物。這些微生物與植物休戚相關，不眠不休地把植物不能直接吸收利用的有機物質轉化成植物根系可以吸收利用的形式。這些有機物質主要包括鞣質、木質素、蛋白質、碳水化合物、纖維素、果膠等。近年來，在土壤微生物方面的研究，與人體微生物類似，也吸引了越來越多企業的注意力和巨額的資金投入。

土壤難以數計的微生物，是一個巨大的寶庫。這個寶庫里面有許多許多等待人們去開發和利用的武器，能夠幫助人們解決農業可持續發展的諸多問題。對有益的土壤微生物進行開發利用，可以極大地提高農業生產效率，減少化肥和農藥噴施，保護生態環境，提高經濟和社會發展的可持續能力。

土壤微生物的前世今生

到2050年，世界人口估計將超過90億。而諸多發展中國家人民生活水平的提高，也需要更多的食物供應。為了以可持續的方式解決這些問題，人類需要在保護好地球環境的前提下，用更少的資源，產出更多的糧食。幸運的是，人類不是孤軍奮戰，而是有很多戰斗伙伴，土壤微生物就是人類的關鍵戰友之一。

在人類的農業實踐中，利用土壤微生物的歷史，源遠流長。人們很早就發現小麥或玉米與豆科作物輪作，可以保持土壤肥力。任何一個觀察過豆科植物根系的人，都知道植物的根部有很多螞蟻大小的疙瘩。古代的農民直覺的認識到，這些小疙瘩和豆科作物提高農田肥力的能力相關。但是我們的祖先不知道，豆科植物（包括菜豆、豌豆、花生、大豆、苜蓿等很多農牧作物）改良農田的能力，是細菌創造的奇跡之一。但是其中的機理，直到19世紀才被揭曉。

在巴斯德發明巴氏滅菌法并成為微生物學之父的時候，他的一個相對不那么知名的同事，馬丁努斯·威廉-拜耶林克發現是細菌侵染豆科植物的根系，導致了根瘤的形成。根瘤并不是植物的腫瘤。相反，根瘤是豆科植物的肥料工廠。農作物生長需要大量的氮肥。土壤肥力不夠，而植物不能利用空氣中大量存在的氮氣（N₂）。這時候就需要根瘤中的固氮細菌把空氣中的氮轉化成植物可以利用的形式，氨和硝酸鹽（NH₄+、NO₃-）。這些與豆科植物共生的固氮細菌，從植物那里獲取植物光合作用制造的有機物。作為交換，為豆科植物提供氮肥，極大地提高了豆科作物的產量。

但是.主要的糧食作物，包括小麥、玉米、水稻等，都不能和根瘤細菌共生。從二十世紀直到現在，是化學解決了這個問題。被稱為HaberBosch的化學反應，可以將氮氣經過高溫高壓的化學反應人工合成為氮肥。這一化學反應的大規模應用，使大氣中的氮變成生產氮肥的、永不枯竭的廉價來源，從而使農業生產極大地擺脫了土壤條件的限制。原本產量極低的貧瘠的農田，也可以為人類所用了。哈伯因此被稱作解救世界糧食危機的天才。據估計，這一化學過程合成的氮，約占人類食用的蛋白質中氮元素的40%。

土壤微生物正被污染

化學合成的化肥和農藥，的確起到了巨大的正面作用。但近幾十年以來，人們逐漸意識到大規模化學產品應用的負面效應，包括環境污染、農田地力下降、害蟲和雜草的抗性等等。

與此同時，隨著研究技術的進步，土壤微生物被長期忽視的狀況，正在逐漸改變。科學家們希望，土壤微生物可以替代化肥和農藥，在提高農作物產量的同時，消除化肥和農藥廣泛、大規模使用的負面效應。

目前已經有很多的論文，報道了土壤微生物菌株，包括細菌、真菌等，與農作物形成互利互惠的共生關系。植物為微生物菌株提供有機碳作為營養物質。微生物幫助植物吸收無機營養物質，提高值株對干旱、高鹽等逆境的抗性。幫助植株抵御病菌和害蟲。甚至已經有文章報道，微生物會影響草莓的風味。現在已經有一些商業生產的細菌和真菌菌劑，在農業生產中替代化肥和農藥，取得了良好的效果。（編輯/侯幫虎）